МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА
MAGNETIC FLUID SHAFT SEALING

Предлагаемое изобретение относится к уплотнительной технике и может применяться в машиностроении для уплотнения вращающихся валов.
Известно магнитожидкостное уплотнение вала [авторское свидетельство СССР 2219400, МКИ-2, F16J 15/40], содержащее магнитную систему, состоящую из постоянного магнита с кольцевыми полюсными приставками. Зазор между полюсными приставками и валом заполнен магнитной жидкостью. На поверхностях полюсных приставок и/или вала размещены концентраторы магнитного поля, образующие в зазоре барьеры из магнитной жидкости.
Недостатками данного уплотнения являются невысокие надежность и ресурс, что обусловлено присутствием в рабочем зазоре зон с повышенной напряженностью магнитного поля, разрушающих магнитную жидкость.
Известно магнитожидкостное уплотнение вала [патент на изобретение РФ 2302573, МПК F16J 15/43], содержащее постоянный магнит и полюсные приставки, охватывающие вал и образующие с валом зазор, заполненный магнитной жидкостью. Поверхности полюсных приставок и/или вала, образующие зазор, имеют концентраторы магнитного потока. Кромки полюсных приставок и вала, контактирующие с магнитной жидкостью, имеют немагнитное покрытие.
Недостатками данных уплотнений являются их невысокие надежность и ресурс, повышенные моменты трения и страгивания (момент трения уплотнения в начальный момент движения вала), что обусловлено присутствием в рабочем зазоре на поверхностях полюсных приставок и вала микроскопических концентраторов напряженности магнитного поля. Их наличие обусловлено шероховатостью поверхности. Микроскопические концентраторы на магнитопроводящих поверхностях создают зоны с повышенной напряженностью магнитного поля, разрушающие магнитную жидкость, и являются инициаторами внутренних структурных образований - цепочек и кластеров.
кр
При изготовлении деталей уплотнения на их поверхностях под воздействием обрабатывающего инструмента образуется множество микроскопических выступов и впадин, их величина и количество определяют шероховатость поверхностей. Шероховатость магнитопроводящих поверхностей приводит к тому, что около поверхности происходит перераспределение напряженности магнитного поля. Выступы концентрируют магнитный поток, около них образуются зоны с повышенной напряженностью магнитного поля. Во впадинах напряженность поля ослаблена. При удалении от поверхностей неоднородность магнитного поля, обусловленная неровностями шероховатой поверхности, постепенно ослабевает и исчезает. Неоднородность магнитного поля в приповерхностном слое приводит к тому, что в зонах концентрации поля около вершин выступов напряженность может превышать Н, что запускает процесс разрушения и расслоения магнитной жидкости. В динамике (вал уплотнения вращается) существует интенсивный процесс перемешивания магнитной жидкости в зазоре уплотнения. На место разрушившейся около магнитопроводящих поверхностей полюсных приставок и вала жидкости втягивается другая, которая под воздействием чрезмерной напряженности поля также начинает разрушаться. При длительных режимах работы происходит процесс постепенного разрушения магнитной жидкости, который заканчивается на определенном этапе разгерметизацией уплотнения.
Существование неоднородного магнитного поля в приповерхностном слое интенсифицирует также процесс образования агрегатов из частиц нанодисперсной магнитной жидкости в виде цепочек, которые замыкаются на вершины выступов шероховатой поверхности, что, в конечном итоге, приводит к повышению моментов страгивания и трения уплотнения.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении надежности и ресурса работы, снижении моментов трения и страгивания уплотнения вала. Технический результат достигается тем, что в магнитожидкостном уплотнении вала, содержащем постоянный магнит и полюсные приставки, охватывающие вал и образующие с валом зазор, заполненный магнитной жидкостью, при этом образующие зазор поверхности полюсных приставок и/или вала имеют концентраторы магнитного потока, в виде зубцов, выступов или образованные сопряженными канавками, кромки полюсных приставок и вала закруглены, а поверхности, контактирующие с магнитной жидкостью, имеют немагнитное покрытие.
На фиг.1 показано магнитожидкостное уплотнение вала.
На фиг.2 показан элемент полюсной приставки с закругленными кромками.
На фиг.3 показаны элементы полюсной приставки и вала с немагнитным покрытием поверхностей.
На фиг.4 показано распределение напряженности магнитного поля на поверхности полюсных приставок с зубцами с незакругленными кромками (штриховая линия) и закругленными кромками (сплошная линия).
z
На фиг.5 показан элемент шероховатой поверхности и графическое представление распределения напряженности магнитного поля в зазоре около шероховатой поверхности вала и около немагнитного покрытия (кривая 1 - распределение напряженности поля на уровне выступов шероховатой поверхности (R), кривая 2 - распределение напряженности поля на поверхности немагнитного покрытия).
Магнитожидкостное уплотнение вала устроено следующим образом (фиг.1). В корпусе 1 установлен постоянный магнит 2 с примыкающими к нему полюсными приставками 3. На поверхностях полюсных приставок, обращенных к валу 4, расположены концентраторы магнитного поля 5, выполненные в виде зубцов. Каждый зазор 6 между концентраторами 5 и валом 4 заполнен магнитной жидкостью 7. Поверхности полюсных приставок 3, вала 4, концентраторов 5, контактирующие с магнитной жидкостью, имеют немагнитное покрытие 8 (фиг.2). Все кромки полюсных приставок и вала закруглены.
Магнитожидкостное уплотнение вала работает следующим образом. Постоянный магнит 2 в уплотнении служит источником магнитного поля. Создаваемый им магнитный поток полюсными приставками 3 подводится к зазору 6 между полюсными приставками 3 и вращающимся валом 4. Концентраторы 5 перераспределяют рабочий магнитный поток в зазоре, и поле становится резко неоднородным. Магнитная жидкость 7 втягивается под концентраторы 5, где поле имеет максимальную напряженность и образует герметичные пробки с повышенным внутренним давлением. Каждая магнитожидкостная пробка способна воспринимать перепад давлений, который определяется намагниченностью магнитной жидкости и напряженности магнитного поля на границах пробки. Перепад давлений, удерживаемый уплотнением, определяется суммой перепадов всех магнитожидкостных пробок под зубцами.
Кромки полюсных приставок 3 и вала 4 закруглены. При закруглении кромок устраняется всплеск напряженности магнитного поля в зазоре около кромок, существующий в известных уплотнениях (фиг.4), следовательно, ликвидируется один из источников разрушения магнитной жидкости уплотнения.
В уплотнении поверхности полюсных приставок 3 и вала 4, контактирующие с магнитной жидкостью, имеют немагнитное покрытие 8 (фиг.2). Толщина немагнитного покрытия выбирается таким образом, чтобы зоны повышенной напряженности магнитного поля (фиг.5), создаваемые выступами шероховатой поверхности, оказались внутри немагнитного покрытия 8, а на поверхности покрытия отсутствовали следы неоднородности напряженности поля. Магнитная жидкость, находящаяся в зазоре уплотнения, изолирована от зон повышенной напряженности магнитного поля, следовательно, в уплотнении не происходит ее разрушения, магнитная жидкость сохраняет свою работоспособность. Кроме этого, выступы шероховатой поверхности, являющиеся в обычных магнитожидкостных уплотнениях источниками структурных образований в виде цепочек из частиц магнитной жидкости, изолируются от магнитной жидкости. Это ликвидирует механизм образования цепочек и снижает моменты трения и страгивания. Следует отметить, что в рабочем зазоре уплотнения наносить немагнитное покрытие можно не все поверхности элементов, полюсных приставок и вала, а только на те, которые контактируют с магнитной жидкостью (фиг.2).
Таким образом, в предлагаемом уплотнении ликвидированы зоны повышенной напряженности магнитного поля, образующиеся на кромках магнитопроводящих деталей уплотнения, а зоны с чрезмерно высокой напряженностью поля в зазоре, создаваемые выступами шероховатых поверхностей полюсных приставок и вала, скрыты внутри немагнитного покрытия и не оказывают разрушающего действия на магнитную жидкость. Уплотнение вала на основе магнитной жидкости сохраняет свою работоспособность в течение длительного периода времени. Кроме этого, скрытые выступы шероховатой поверхности, уже не являются источниками образования структурных образований в виде цепочек из частиц магнитной жидкости, что снижает моменты трения и страгивания уплотнения. Следовательно, предлагаемое изобретение позволяет повысить надежность и ресурс уплотнения вала на основе магнитной жидкости, снизить его моменты трения и страгивания.