РАЗРАБОТКА МАГНИТОЖИДКОСТНЫХ ГЕРМЕТИЗАТОРОВ ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ

Сайкин Михаил Сергеевич

канд. техн. наук, доцент ИГЭУ, г. Иваново

E-mail: Saikin@eef.ispu.ru

Высокая герметичность валов технологического оборудования, совершающих вращательное или возвратно-вращательное движение, может быть обеспечена применением магнитожидкостных герметизаторов (МЖГ). Они устанавливаются между средами с перепадом давлений или средами, содержащими различные вещества, для предотвращения их перемешивания. Герметизируемой средой может являться вакуум, инертные газы, пары и жидкости.

Основными преимуществами МЖГ перед традиционными уплотнениями являются: практически абсолютная герметичность, малый собственный момент трения, отсутствие износа, высокая долговечность и простота технического обслуживания. Они имеют высокий ресурс работы и стабильность эксплуатационных характеристик: рабочего перепада давлений и момента трения.

Независимо от особенностей конструкции, магнитная цепь МЖГ состоит из одних и тех же элементов. К ним относятся: источник магнитного поля, в качестве которого используются постоянные магниты, магнитопровод, изготовленный из магнитопроводной стали с высокой индукцией магнитного насыщения и магнитная жидкость (МЖ).

При соблюдении технических условий эксплуатации, постоянные магниты обладают высокой стабильностью своих свойств и обеспечивают гарантированные характеристики в течение длительного времени [3, 6—8].

Отдельные части магнитопровода МЖГ изготовлены из конструкционной стали. Магнитные свойства стали, не изменяются в течение срока службы МЖГ [1].

В течение некоторого времени после заправки МЖ происходит возрастание перепада давлений под зубцами МЖГ в 1,5—1,7 раза. Это обусловлено перераспределением начальной концентрации ферромагнитных частиц по объёму МЖ в неоднородном магнитном поле МЖГ. Частицы стягиваются в области МЖ с наибольшей индукцией, но повышение их концентрации ограничивается силами отталкивания, обусловленными диполь-дипольным взаимодействием, действием защитных оболочек поверхностно-активных веществ на частицах и расклинивающим действием основы. Чем больше градиент магнитного поля в зазоре МЖГ, который для индукции может достигать ÑВ=1000 Тл/м, тем сильнее перераспределение концентрации частиц по частям объёма МЖ [4]. Частицы магнетита стремятся в область с большим значением градиента индукции магнитного поля. Время расслоения МЖ зависит от её свойств величины и градиента магнитной индукции и определяется следующим образом:

                                                                            (1)

где:   — ускорение свободного падения;

 — динамическая вязкость дисперсионной фазы МЖ

 — половина величины зазора;

 — радиус магнитной частицы в жидкости;

 — намагниченность магнитной жидкости

 — индукция магнитного поля

Сохранение стабильности свойств МЖ обеспечивает постоянство перепада давлений и момента трения. Перераспределение МЖ в неоднородном магнитном поле герметизатора приводит к изменению её свойств и, следовательно, эксплуатационных характеристик МЖГ. С увеличением перераспределения МЖ перепад давлений, удерживаемый МЖГ, увеличивается, но при этом возрастает пусковой момент трения.

Если по технологического регламенту работы оборудования величина рабочего перепада давлений уменьшается, то можно снизить величину магнитной индукции в рабочем зазоре герметизатора и, тем самым, уменьшить расслоение МЖ. Это приводит к увеличению ресурса работы МЖ, а значит и МЖГ в целом.

Поэтому, одной из задач использования МЖГ для технологического оборудования различного назначения является создание конструкций с возможностью регулирования параметров магнитного поля в рабочем зазоре.

Одна из таких конструкций представлена на рис. 1. Она имеет основной и дополнительный магнитный узлы [9]. Основной магнитный узел состоит из постоянного магнита 1, намагниченного в осевом направлении, полюсов 2 и 3, соединенных немагнитной втулкой 4 посредством сварки. Магнитный узел устанавливается в корпус 5. На обращённых друг к другу цилиндрических поверхностях корпуса 5 и полюса 2 выполнена резьба. Длина резьбы «L» выбирается из конструктивных соображений для каждого конкретного случая. Остальные части поверхностей полюса 2 и корпуса 5 изготовлены по посадке, что гарантирует выполнение установочных размеров. Для предотвращения утечек среды между корпусом 5 и полюсом 2 установлено статическое уплотнение 6.

Рисунок 1. МЖГ с дополнительным магнитным узлом

Рабочий магнитный поток Ф_d основного узла замыкается по пути: постоянный магнит 1, полюс 2, рабочий зазор d, вал 7, рабочий зазор d, полюс 3, постоянный магнит 1 и образует замкнутую магнитную цепь. МЖ 8 взаимодействует с полем постоянного магнита и удерживается в рабочем зазоре пондеромоторной силой, образуя препятствие для прохождения герметизируемой среды.

Дополнительный магнитный узел состоит из постоянного магнита 9 и полюсных приставок 10 и 11, примыкающих к его торцевым поверхностям. При его установке увеличивается величина магнитного потока Ф_d, проходящего через рабочий зазор d, а значит и величина пондеромоторной силы, удерживающей МЖ в рабочем зазоре МЖГ. При этом возрастает рабочий перепад давлений МЖГ. Наличие дополнительного узла позволяет регулировать магнитный поток в рабочем зазоре d.

При снятом дополнительном узле снижается величина магнитного потока и индукции, что приводит к уменьшению расслоения МЖ, и к увеличению ресурса работы МЖГ. Перед началом эксплуатации производят монтаж дополнительного магнитного узла. При этом магнитный поток Ф_d в рабочем зазоре МЖГ увеличивается, что позволяет получить требуемые эксплуатационные характеристики.

При использовании набора дополнительных магнитных узлов появляется возможность производить настройку МЖГ на перепад давлений в зависимости от требуемых условий эксплуатации.

Основной и дополнительный магнитные узлы выполнены таким образом, что наружный диаметр основного узла соответствует размеру D-D, а внутренний диаметр дополнительного узла размеру D+D. Это позволяет осуществлять быстрый монтаж и демонтаж дополнительного магнитного узла.

Такую конструкцию МЖГ целесообразно применять для герметизации вращающихся валов вакуумного оборудования, когда возникает необходимость в длительном хранении технологического узла перед началом его эксплуатации

На рис. 2 представлена конструкция МЖГ предназначенного для герметизации валов диаметром до 500 мм и скоростью вращения до 1 м/c [2].

МЖГ состоит из магнитного узла в виде постоянного магнита 1 с полюсными наконечниками 2 и 3, заключённого в обойму 4, установленного на немагнитном валу 5 и магнитопровода в виде самоустанавливающихся колец 6 и 7 в магнитном корпусе 8, охватывающих торцевые поверхности полюсных наконечников. Между полюсными наконечниками и самоустанавливающимися кольцами размещены тела качения 9, которые опираются на вкладыши 10—13, выполненные из немагнитного материала и закалённые до твёрдости, близкой к твёрдости тел качения. В конструкцию МЖГ входит регулировочный элемент в форме кольца 14, изготовленный из магнитопроводного материала с возможностью перемещения по резьбе, выполненной на внутренней цилиндрической поверхности кольца 7. Кольца 6 и 7 жёстко соединены между собой немагнитной втулкой 15, например, с помощью сварки. Между полюсным наконечником 3 и валом 5 установлено статическое уплотнительное кольцо 16.

Рисунок 2. МЖГ с регулируемыми рабочими характеристиками

Работа МЖГ состоит в следующем. Производят сборку и заправку магнитной жидкостью радиальных d₁ и торцевых d₂ рабочих зазоров. Рабочий поток Ф_р проходит по пути постоянный магнит 1, полюсный наконечник 3, торцевой зазор d₂, магнитопроводное кольцо 6, радиальный зазор d₁, магнитопроводный корпус 8, другой радиальный зазор d₁, магнитопроводное кольцо 7, другой торцевой зазор d₂, полюсный наконечник 2, постоянный магнит 1. Постоянный магнит создаёт магнитное поле в радиальных и торцевых рабочих зазорах, которое удерживает в них МЖ и обеспечивает их герметичность. После сборки МЖГ регулируют его перепад давлений на испытательном стенде. При этом создаётся перепад давлений, превышающий рабочий перепад давлений в 1,2—1,5 раза. В том случае, если удерживаемый перепад давлений больше рабочего, с учётом коэффициента запаса, регулировочный элемент 14 перемещается по резьбе, выполненной на внутренней цилиндрической поверхности кольца 7. При этом уменьшается зазор D и появляется магнитный поток Ф_S, который проходит по пути постоянный магнит 1, полюсный наконечник 3, регулировочный элемент 14, полюсный наконечник 2, постоянный магнит 1. Это приводит к уменьшению рабочего потока:

,                                                                                  (2)

где  — общий магнитный поток от постоянного магнита,

 — магнитный поток, проходящий через регулировочный элемент.

Уменьшение магнитного поля в рабочих зазорах d₁ и d₂ приводит к уменьшению удерживаемого перепада давлений МЖГ. Регулировочный элемент 14 перемещается по резьбе до тех пор, пока уменьшение зазора D не приведёт к появлению течи через рабочие зазоры d₁ и d₂ выше допустимой. После этого перепад давлений с уплотнения снимают и оно готово к работе.

Такая регулировка позволяет настроить серию уплотнений на один удерживаемый перепад давлений и не допускать завышения магнитного поля в рабочих зазорах.

Предлагаемую конструкцию целесообразно использовать при герметизации вращающихся валов вакуумной техники, где существуют жёсткие требования по соблюдению постоянства перепада давлений.

При герметизации валов часто возникает задача защиты рабочего зазора от попадания в него магнитных частиц, которые приводят к разрушению МЖ. На рис. 3 представлена конструкция МЖГ для сред с магнитными включениями [10].

МЖГ состоит из кольцевой магнитной системы, включающей в себя постоянный магнит 1, намагниченный в осевом направлении, к торцевым поверхностям которого примыкают полюсные приставки 2 и 3, образующие рабочий зазор d с вращающимся валом 4, который заполнен магнитной жидкостью 5.

Рисунок 3. МЖГ с защитным магнитным узлом

Для исключения попадания в рабочий зазор d магнитных включений со стороны герметизируемой среды предусмотрено средство защиты в виде отдельного магнитного узла, состоящего из постоянного магнита 6, к торцевым поверхностям которого примыкают две полюсные приставки 7 и 8. На полюсной приставке 7 выполнен выступ, обращённый к торцевой поверхности полюсной приставки 8, образующей с ней зазор D. Величина этого зазора может отличаться от величины рабочего зазора d. Выступы могут быть выполнены на обеих полюсных приставках и обращены друг к другу. Отдельный магнитный узел крепится к немагнитопроводной втулке 9, причём на её внутренней цилиндрической поверхности и на обращённой к ней наружной цилиндрической поверхности полюсной приставки 3 выполнена резьба. На вал 4 посажено немагнитопроводное кольцо 10, расположенное внутри отдельного магнитного узла. Конструкция уплотнения выполнено таким образом, что зазор , между полюсной приставкой 3 МЖГ и немагнитопроводной втулкой 9 отдельного магнитного узла, всегда меньше чем зазор , между полюсной приставкой 3 МЖГ и полюсной приставкой 7 отдельного магнитного узла.

В МЖГ могут применяться постоянные магниты в форме колец, намагниченные в осевом направлении, или наборные магниты, например, в форме пластин.

Магнитожидкостное уплотнение работает следующим образом.

Рабочий магнитный поток Ф_d замыкается по пути: постоянный магнит 1, полюсная приставка 3, рабочий зазор d, вал 4, рабочий зазор d, полюсная приставка 2, постоянный магнит 1 и образует замкнутую магнитную цепь. Магнитная жидкость 5 взаимодействует с полем постоянного магнита и удерживается в рабочем зазоре d пондеромоторной силой, образуя препятствие для прохождения герметизируемой среды.

Особенность предлагаемой конструкции МЖГ состоит в том, что в нём предусмотрено средство защиты в виде отдельного магнитного узла состоящего из постоянного магнита 6 к торцевым поверхностям которого примыкают две полюсные приставки 7 и 8, при этом, хотя одна из них имеет выступ, обращённый к торцевой поверхности другой полюсной приставки. Отдельный магнитный узел крепится к немагнитопроводной втулке 9. На вал посажено немагнитопроводное кольцо 10.

Магнитный поток Ф_D проходит по пути: постоянный магнит 6, полюсная приставка 8, зазор D, полюсная приставка 7, постоянный магнит 6.

Магнитные включения, попадая в зазор D, удерживаются в нём пондеромоторной силой, что исключает их попадание в рабочий зазор d и контакт с магнитной жидкостью. Для увеличения потока Ф_D, а значит и пондеромоторной силы, действующей на магнитный включения, на вал посажено немагнитопроводное кольцо 10. Это снижает или полностью исключает прохождение магнитного потока Ф_D через вал 4.

Величина магнитного потока Ф_D и пондеромоторной силы может регулироваться за счёт выбора материалов постоянных магнитов 6, а также выбора величины зазора D.

При наполнении зазора D магнитными включениями производится демонтаж отдельного магнитного узла, а магнитные включения удаляются из зазора D механическим путём.

Разработанные МЖГ имеют следующие эксплуатационные характеристики:

·           линейная скорость на поверхности вала в длительном режиме, м/с: от 0 до 15;

·           критический перепад давлений, МПа: от 0,05 до 0,50;

·           диаметры герметизируемых валов, мм: от 12 до 1500;

·           наработка на отказ, тыс. час: от 5 до 70;

·           срок службы, тыс. час: 120.

Разработанные конструкции МЖГ обладают следующими преимуществами:

·           обеспечивают увеличение ресурса работы, что особенно проявляется при кратковременном и повторно-кратковременном действии перепада давлений;

·           позволяют настраивать рабочие характеристики в зависимости от требований технологического процесса, что даёт возможность использовать их при различных условиях;

·           допускают длительное хранение герметизаторов перед эксплуатацией при сохранении их рабочих характеристик.

Большое разнообразие МЖ [5] позволяет использовать МЖГ для герметизации валов вакуумной арматуры и узлов специального назначения, химических и биологических реакторов, электротехнологического и энергетического оборудования. МЖГ обладают высокой надёжностью, просты в обслуживании и эксплуатации, не опасны для персонала и не наносят вред окружающей среде.

Список литературы:

1.        Барон Ю. М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов. — Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986. — 176 с.

2.        Баусов А. М., Сайкин М. С. Магнитожидкостное уплотнение. Свидетельство на полезную модель, Российская Федерация № 20561, МКИ F16J 15/46, Приоритет от 15.05.2001, опубл. 10.11.2001, Бюл. № 31.

3.        Булыгина Т. И., Кононенко А. С., Потапова Л. В. Температурная стабильность свойств высокоэнергетических магнитов из сплавов РЗМ-Fe-B// Тр. ВНИИ-ЭМ. — 1987. — Т. 85.

4.        Казаков Ю. Б., Сайкин М. С., Щелыкалов Ю. Я. Учёт перераспределения магнитных частиц в магнитной жидкости, находящейся в неоднородном магнитном поле герметизатора./ Электротехника, № 12, 2003. — С. 20—24.

5.        Курченков А. Г. Магнитные жидкости — новый эффективный материал.// Механизация и автоматизация, 1990. № 4. — С. 34—35.

6.        Постоянные магниты. Справочник. / Под.ред. д. т. н. проф. Пятина Ю. М. — М.: Энергия, 1980. — 176 с.

7.        Рабинович Ю. М., Сергеев В. В., Потапова Л. В. и др. Эксплуатационные характеристики магнитов из сплавов типа РЗМ-Fe-B // Электротехника.-1989. —№ 11. — С. 21—26.

8.        Сайкин М. С. Особенности выбора постоянных магнитов для магнитожидкостных герметизаторов технологического оборудования./ Вестник научно-промышленного общества, М: Изд-во «АЛЕВ-В», Вып. 7, 2004, С. 15—19.

9.        Сайкин М. С. Магнитожидкостное уплотнение. Патент на полезную модель, Российская Федерация № 56531, МКИ F16J 15/54, Приоритет от 16.01.2006, опубл. 10.09.2006, Бюл. № 25.

10.     Сайкин М. С. Магнитожидкостное уплотнение вала для сред с магнитными включениями. Патент на полезную модель, Российская Федерация № 97179, МКИ F16J 15/53, Приоритет от 01.03.2010, опубл. 27.08.2010, Бюл. № 24.