Магнитожидкостные уплотнения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Современные приборы, использующиеся в военной технике, должны обладать высокими эксплуатационными характеристиками. Поэтому к ним предъявляются высокие требования по герметичности, а традиционные герметизаторы вводов вращения уже не могут их обеспечить. Появилась необходимость в современном способе герметизации зазоров между подвижными частями приборов.

Магнитожидкостные уплотнения (МЖУ) относятся к наукоёмкой высокотехнологичной продукции, поэтому создание новых конструкций магнитожидкостного уплотнения при заданных требованиях связаны с глубокой проработкой магнитной системы, распределением магнитного поля, технологических вопросов изготовления МЖУ, синтезом магнитной жидкости с заданными свойствами.

Цель работы: исследование и разработка МЖУ ведется для повышения надежности и технических характеристик оптических приборов.

Задачами настоящей работы являются:

1) анализ литературы и определение существующего состояния вопроса;

2) поиск проблем, которые могут возникнуть при проектировании МЖУ;

3) разработка методики исследования;

4) проведение эксперимента и определение зависимости качества уплотнения от параметров различных конструктивных элементов;

5) установление закономерностей;

6) выбор оптимальной конфигурации элементов конструкции.



1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Виды уплотнений

Уплотнения необходимы для герметизации входных и выходных валов различных машин. Уплотнения предотвращают утечку масла из корпуса механизмов и защищают внутренние полости корпуса от воздействия (проникновения пыли, грязи и влаги), герметизируют полости в машинах с вакуумом или, содержащих газы и жидкости под давлением. Разными типами уплотнений возможно уплотнять вращающиеся валы и роторы в роторных машинах и детали, движущиеся возвратно-поступательно в поршневых машинах [33].

Уплотнения бывают контактные и бесконтактные. В первом случае уплотнение происходит из-за непосредственного соприкосновения подвижной и неподвижной частей уплотнений. К контактным уплотнениям относятся сальники, манжеты, разрезные пружинные кольца, торцовые уплотнения. В бесконтактных уплотнениях отсутствует контакт между подвижными частями уплотнения. Уплотнительный эффект достигается с помощью центробежных сил и гидродинамических явлений. К числу этих уплотнений относят лабиринтные уплотнения, отгонные резьбы, отражательные диски, ловушки.

Контактные уплотнения могут работать при более высоких давлениях и обеспечивают лучшую герметичность соединений, но имеют ряд недостатков:

1) ограничена допустимая скорость движения уплотняемых деталей;

2) износ из-за трения и потеря уплотнительных свойств.

У бесконтактных уплотнений также имеются следующие недостатки:

1) более низкие уплотнительные свойства;

2) не обеспечивают полной герметизации. необходимо применять дополнительные устройства.

Но при этом они не имеют пределов по скорости относительного движения и срок службы практически не ограничен.

Контактные уплотнения

Сальник (рисунок 1.1) представляет собой кольцевую полость вокруг вала, набитую уплотняющим материалом, в качестве которых могут применяться хлопчатобумажные ткани, вываренные в масле шнуры, фетр, асбест и подобные материалы. Также добавляют различные самосмазывающиеся вещества, например, порошки свинца, баббита, графита, дисульфида молибдена и других. Главный недостаток сальниковых уплотнений это повышенный износ, и неприспособленность к высоким окружным скоростям.

Рисунок 1.1 - Сальниковое уплотнительное кольцо

Для компенсации осуществляют затяжку набивки. Надёжность сальника резко возрастает при подводе смазки. При смазке уменьшается коэффициент трения, тепловыделение и повышается герметичность. Периодическая подтяжка требует внимания обслуживающего персонала. Перетяжка сальника приводит к перегреву и выходу уплотнения из строя. Применение улучшенных материалов для набивки также могут повысить качество уплотнения. Так, например, войлочными кольцами возможно уплотнять валы, вращающиеся с окружной скоростью не более 2 м/с, а кольца из тонкошерстного войлока позволяют увеличить эту скорость до 5 м/с.

Сальникoвые уплотнения не обеспечивают полную герметизацию механизма и выходит из строя при температуре выше 90 С. рекомендуется применять в ответственных конструкциях и в условиях повышенной загрязненности окружающей среды.

Несмотря на недостатки, сальниковые уплотнения находят применение часто вместе с другими видами уплотнений и дополнительными устройствами. При работе сальниковых колец в среде, вызывающей повышенный износ валов, рекомендуется устанавливать на вал защитные втулки. Cальниковые уплотнения в сочетании с канавочными уплотнениями, лабиринтными или с лабиринтно-канавочными уплотнениями часто применяют в условиях сильной загрязненности и влажности.

Более лучшими характеристиками обладают манжетные уплотнения. Они представляют собой кольцо из упругого и мягкого материала с воротником, который обхватывает вал (рисунок 1.2). Манжета лучше работает при разности давлений в уплотняемой области, так как воротник манжеты избыточным давлением плотно прижимается к валу с силой, пропорциональной давлению. Поэтому, для того, чтобы давление не отжимало воротник манжеты, ее следует устанавливать воротником навстречу уплотняемому давлению. Если нужно уплотнить вал с двух сторон, можно установить две направленные в разные стороны манжеты. Наружная часть манжеты закрепляется на корпусе.

Материалом для изготовления манжет чаще всего являются пластмассы, такие как поливинилхлорид или фторопласт. Полихлорвиниловые манжеты выдерживают температуру до 80 °С. Манжетное уплотнение выдерживают разницу давлений до 50 МПа, окружная скорость вращающегося вала может достигать до 20 м/с, и может работать при температуре от -50 до +100 °С. Рабочая температура зависит от материала манжеты. Манжеты из ПВХ работают при температурах до 80 °С, а из фторопласта могут работать при температурах до 300 °С. Количество манжет зависит от диаметра и давления.

Форма манжет в поперечном сечении может быть U образной и V образной (шевронной) (рисунок 1.3). U образные манжеты применяются при давлении рабочей среды только до 35 МПа, а шевронные могут выдержать давление до 50 МПа и выше. Чтобы в процессе эксплуатации манжета не потеряла свою форму, в конструкции уплотнения предусмотрены фасонные опорные 1 и распорные 2 кольца (манжетодержатели) из металла или текстолита.

Рисунок 1.2 - Схема действия манжетного уплотнения: а - манжета до монтажа; б - манжета в смонтированном виде без давления жидкости; в - манжета под давлением

Рисунок 1.3 - Типовые формы манжет



Наиболее широко используются армированные манжеты. Конструкция отличается от обычной пружины тем, что воротник дополнительно прижимается к валу кольцевой витой пружиной. Сила прижатия строго регламентирована.

Армированные манжеты изготовляют из эластичных, износостойких, термо- и химически стойких резин литьем или опрессовкой внутренних металлических элементов. Браслетные пружины делают из пружинной проволоки с последующим средним отпуском, покрывают кадмием или цинком. Твердость уплотняемой поверхности вала должна быть не менее HRC 45, а шероховатость не более Ra = 0,16-0,32 мкм.

Способ герметизации вращающихся валов армированными манжетами представлен на рисунке 1.4. Наружная часть манжеты 2 также усиливается металлическим каркасом 1, браслетная пружина 3 обеспечивает дополнительное прижатие манжеты к валу.

Рисунок 1.4 - Манжеты для уплотнения вращающихся валов: 1 - металлический каркас; 2 - манжета; 3 - пружина

От перепада давлений в механизме, рабочей температуры, скорости движения соединяемых деталей и типа рабочей жидкости зависит выбор конструкции и материала манжеты.

Для уплотнения деталей, движущихся возвратно-поступательно, используют разрезные пружинные кольца, которые вставляются в канавки корпуса с осевым зазором 0,005-0,020 мм. Такое уплотнение надёжно, достаточно долговечно и способно работать при больших перепадах давления. Материалами изготовления пружинных колец чаще всего являются перлитные чугуны, легированные стали и деформируемые бронзы. Корпус, в который вставляются кольца, должен обладать твёрдостью не менее HRC 40-45. Наружная деталь уплотнения должна иметь еще большую твердость, для этого ее изготовляют из стали, поверхность которой цементируют или азотируют. К стенкам канавок корпуса кольца прижимаются торцами под действием избыточного давления. Для эффективной работы уплотнения в конструкции устанавливают несколько колец. В зависимости от рабочего давления их число может доходить шести.

В многокольцевых уплотнениях наибольшую нагрузку испытывает первое со стороны герметизируемой полости кольцо. Со временем на торцевoй поверхности колец образуется ступенчатая выработка -- результат прижатия кольца к стенке канавки. Для равномерного распределения нагрузки между кольцами и для подвода масла к трущимся поверхностям (при уплотнении маслосодержащих полостей) в первом (или в нескольких кольцах) выполняют разгрузочные отверстия.

Уплотнение металлическими кольцами - одно из самых простых и долговечных уплотнений. Материал колец - серый чугун, бронза, текстолит, графит и металлoграфитовая масса. Стыки колец (рисунок 1.5) могут быть прямыми (при Р 5 МПа), косыми (при Р 20 МПа) и ступенчатыми (при Р>20 МПа). В ступенчатом замке часто одну из сопряженных поверхностей выполняют плоской, а вторую - несколько выпуклой, благодаря чему повышается удельное давление в стыке колец, способствующее повышению герметичности. Форма поперечного сечения прямоугoльная. Число колец в уплотнении колеблется от 2 до 9, в зависимости от перепада давлений. Расстояние между кольцами на качество уплотнения не влияет.

магнитожидкостный уплотнение поворотный контактный



Рисунок 1.5- Типы стыковых замков металлических колец

К недостаткам уплотнения металлическими кольцами относится необходимость точного изготoвления деталей соединения, т.к. кольца не компенсируют микронеровности, овальность, конусность и т.п. Уплотнение из колец создает дополнительную силу трения. Уплотнение не является абсолютно герметичным и определяется как и при щелевом уплотнении.

Уплотнение резинoвыми кольцами, вводимыми в канавки вала или промежуточной втулки, имеет ограниченное применение. Кольца выполняют из мягких сортов маслостойкой и термостойкой синтетической резины. Недостатки уплотнений резиновыми кольцами -- ненадёжность работы, быстрый износ резины в процессе эксплуатации, неопределённость сил прижатия. Чаще применяют резиновые кольца в установках с возвратно-поступательным движением вала.

Уплотнение резиновыми кольцами является простым, компактным и достаточно надежным. Уплотнение применяется при неподвижных (при Р 30 МПа) и подвижных соединениях (при Р 20 МПа). Диапазон температур -50…+100 С. Герметичность достигается за счет монтажного сжатия резины и ее плотного прилегания к поверхности деталей (рисунок 1.6). Материал - маслостойкая резина. Форма поперечного сечения круглая (предпочтительно) или прямоугольная (может скручиваться и вдавливаться в зазор). При уплотнении резиновыми кольцами утечки практически отсутствуют. На рисунке 1.6 показана схема уплотнений резиновых кольцом круглого сечения. Размеры колец и канавок подбирают таким образом, чтобы при монтаже кольца в канавке (при нулевом обжатии) был сохранен боковой зазор (а - d) = 0,2…0,25 мм. При монтажном сжатии кольцо поджимается на величину k = d - b. При наличии давления кольцо под его действием деформируется у внешней стороны канавки и создает плотный контакт с уплотняемыми поверхностями.

Рисунок 1.6 - Схемы уплотнений резиновым кольцом круглого сечения

Торцевые уплотнения (рисунок 1.7) принадлежат к числу контактных уплотнений. На валу устанавливается диск, фиксирующийся от вращения относительно вала. Диск постоянно прижимается пружиной к укрепленной на корпусе неподвижной шайбе. Уплотняемая среда (жидкость, газ) может просачиваться через уплотнение в двух направлениях: через торец диска и через кольцевой зазор между диском и валом.

Торцевое уплотнение состоит из двух уплотнений: торцевого и радиального. Радиальное уплотнение работает в более лёгких условиях, чем торцевое, так как диск имеет незначительные перемещения вдоль вала. Здесь пригодно любое уплотнение -- резиновыми кольцами, разрезными пружинными кольцами, сальниками, манжетами. Просачивание через радиальный зазор можно исключить полностью, уплотнив зазор мембраной, сильфоном.



Рисунок 1.7 - Торцовые уплотнения и посадочные места для них

Основное достоинство торцевых уплотнений заключается в том, что износ трущихся поверхностей компенсируется перемещением уплотняющего диска в осевом направлении под действием пружины. Торцевое уплотнение обладает свойством самоприрабатываемости; при правильном выборе материала трущихся поверхностей и подводе незначительного количества смазки уплотнение может работать в течение долгого времени при хорошем состоянии поверхностей контакта, обеспечивающем надёжное уплотнение.

Для поверхностей трения применяют антифрикционные пары: сталь-баббит, закалённая или азотированная сталь-бронза, графитовые и угольные композиции, пластики. В наиболее ответственных случаях применяют твёрдые сплавы (литые и металлокерамические) в паре друг с другом или с более мягкими материалами из числа указанных выше. Поверхности трения обрабатывают до шероховатости Ra = 0,16-0,32 мкм. Подвижные уплотняющие диски должны обеспечивать строгую перпендикулярность торцевой поверхности относительно цилиндрической поверхности, а также параллельность торцов подвижного и неподвижного дисков.

Торцовые уплотнения служат для предотвращения или уменьшения потери рабочей жидкости из рабочей зоны.

Рассмотрим бесконтактные уплотнения. Щелевые уплотнения. Наиболее простой вид бесконтактного уплотнения -- кольцевая щель между валом и корпусом. Уплотняющая способность кольцевой щели пропорциональна длине и обратно пропорциональна величине зазора. При практически осуществимых длинах щели и величинах зазора уплотнение это малоэффективно.

Щелевое уплотнение (рисунок 1.8) распространено во многих гидроагрегатах (насосы, распределители и т.д.). Снижение утечек достигается за счет уменьшения зазора s между подвижными деталями. Утечки неизбежны и заранее определяются для цилиндрических деталей по формуле (1.1).

, л (1.1)

где d - диаметр уплотняемого соединения, мм;

s - зазор между деталями соединения, мм;

l - длина уплотнения, мм;

? - относительная скорость перемещения деталей, м/с;

? - динамический коэффициент вязкости жидкости.

Рисунок 1.8 - Схемы уплотнений: а - щелевого; б, в - лабиринтного

Для повышения сопротивления щели при высоких Re, соответствующих турбулентному режиму течения на одной или обеих (рисунок 1.8) поверхностях, образующих щель, выполняют лабиринтные канавки, которые вследствие чередующегося изменения сечения щели повышают ее сопротивление.

Недостаток щелевого уплотнения - высокая стоимость изготовления сопрягаемых деталей и возможность облитерации щели.

Канавочные уплотнения (рисунок 1.9). Щели концентрических проточек заполняют пластичной смазкой. Образуемый затвор препятствует вытеканию масла и ограничивает проникновение посторонних веществ извне. Применять канавочные уплотнения рекомендуется для узлов, работающих сравнительно чистой среде. Канавки очень полезны в комбинации с уплотнениями другого типа.

Для лучшего удержания смазки канавки делают в крышке и на валу. Температура разжижения смазки, заполняющей щели, должна быть выше рабочей температуры узла, чтобы не было вытекания масла из щели.

Рисунок 1.9 - Конструкции канавочных уплотнений

Уплотнения отгонной резьбой применяют для герметизации полостей, содержащих жидкости. На валу или во втулке (или одновременно) выполняют резьбу (многозаходную). Направление резьбы согласовывается с направлением вращения вала так, чтобы витки отгоняли уплотняемую жидкость в корпус. Уплотнение -- нереверсивное; при перемене направления вращения витки гонят жидкость в обратном направлении -- из корпуса.

Уплотняющая способность отгонной резьбы пропорциональна длине резьбового пояса, скорости вращения вала, вязкости жидкости, обратно пропорциональна высоте резьбы и очень зависит от зазора между гребешками витков и стенками отверстия. Уплотнение работает удовлетворительно, если радиальный зазор не превышает 0,05-0,06 мм. При зазоре свыше 0,1 мм уплотнение становится бесполезным.

Гребешковые уплотнения. Цель установки гребешковых уплотнений -- разбить масляную плёнку, ползущую по валу, и отбросить масло действием центробежных сил в кольцевую полость, откуда оно стекает в корпус по дренажным отверстиям. Маслосбрасывающие гребешки выполняют непосредственно на валу или на съёмных деталях. При невысоких частотах вращения гребешок заменяют разрезным пружинным кольцом.

Уплотнение отражательными дисками. Отражательные диски устанавливают перед щелевыми уплотнениями с целью преградить доступ масла в щель и отогнать действием центробежной силы частицы масла.

Уплотнение защитной шайбы незначительно. Шайбу применяют в узлах, работающих на пластичных смазках при окружной скорости не более 5м/с. На рисунке 1.10 приведена вращающаяся шайба; она под влиянием возникающих центробежных сил отбрасывает попадающие на нее масло или посторонние вещества. Действие этой шайбы более эффективно по сравнению с неподвижной и тем сильнее, чем выше окружная скорость шайбы.

Рисунок 1.10 - Конструкция подвижной защитной шайбы

Лабиринтные уплотнения (рисунок 1.11) применяют для уплотнения полостей, заполненных газом или паром. Действие их основано на торможении (завихрении) газа в узкой кольцевой щели с последующим расширением в смежной кольцевой камере большого объёма. В кольцевой щели давление преобразуется в скоростной напор; на выходе газа из щели давление восстанавливается, но только частично; часть давления расходуется на необратимые потери при завихрении-расширении. Чем больше эти потери (чем меньше сечение щели и острее образующие её кромки), тем меньшая доля давления восстанавливается в камере, тем эффективнее работает уплотнение.

Рисунок 1.11 - Общий вид и основные размеры лабиринтных уплотнений

Последовательной установкой ряда камер, разделённых узкими щелями, достигают существенного уменьшения перетекания. Лабиринтные уплотнения применяют при высоких окружных скоростях и температурах, когда исключена возможность установки контактных уплотнений.

Лабиринтное уплотнение не может полностью исключить истечение газа. Непрерывное движение газа вдоль лабиринта лежит в основе принципа действия лабиринта и является непременным условием функционирования. Лабиринт может только ослабить поток газа через уплотнение.

Уплотняющее действие лабиринтного устройства основано на создании малого зазора сложной формы между вращающимися и неподвижными деталями узла. Зазор заполняют пластичной или жидкой смазкой.

Лабиринтные уплотнения имеют различные преимущества перед фетровыми и манжетными:

- малое внутреннее трение смазки;

- неизнашиваемость деталей;

- простота в эксплуатации;

- неограниченность окружных скоростей вала.

Лабиринтные уплотнения применяют для защиты от вытекания смазки и попадания в неё влаги и грязи из внешней среды, чаще в комбинации с уплотнениями других типов.

Гидравлические центробежные уплотнения состоят из крыльчатки, вращающейся в замкнутой кольцевой полости, в которую залита уплотняющая жидкость (масло, вода). Центробежной силой жидкость прижимается к периферии полости. Разность центробежных сил, действующих на жидкость со сторон крыльчатки, определяет давление, которое держит уплотнение.

Уплотнение сегментными кольцами. Сегментные металлические кольца - это кольца, разделённые в радиальном направлении на несколько частей (обычно на три). Такое уплотнение сложно в изготовлении и требует тщательного монтажа, но оно надёжно и способно выдерживать весьма высокие давления и работать при высоких температурах.

Комбинированные уплотнения (рисунок 1.12). Для повышения надёжности устанавливают последовательно два (и более) уплотнения разного вида. Некоторые виды уплотнений хорошо взаимосвязываются друг с другом и встраиваются в один узел без значительного увеличения габаритов.

Комбинированные уплотнения представляют собой комбинацию уплотнения различных типов. Их часто применяют в ответственных конструкциях и при особо тяжелых условиях эксплуатации. Ниже приведены примеры таких уплотнений:

- фетровое кольцо и отражающий фланец, отбрасывающий масло в полость крышки;

- лабиринтно-канавочно-войлочное уплотнение;

- жировое и канавочно-войлочное уплотнение;

- уплотнение крышкой, поверхность которой одновременно работает как центробежное кольцо.

Рисунок 1.12 - Конструкции комбинированных уплотнений

1.2 Магнитожидкостные уплотнения

Магнитожидкостное уплотнение (МЖУ) -- это механическое уплотнение, в котором магнитная жидкость играет роль уплотняющего элемента. Магнитожидкостные уплотнения применяются в технологическом оборудовании для реализации вращательного движения при обеспечении герметизации с помощью физического барьера, в виде магнитной жидкости. Магнитная жидкость удерживается в рабочем зазоремагнитным полем, которое создаётся постоянным магнитом.

Магнитожидкостные уплотнения не требуют постоянного обслуживания и контроля. МЖУ для промышленности и науки чаще всего устанавливают во вводы вращения, которые состоят из наружного корпуса, шариковых подшипников и центрального вала. Шарикоподшипники выполняют две важные функции: держат внешние нагрузки и центрируют вал в зазоре уплотнения. Подшипники являются единственными механическими деталями ввода вращения которые подвергаются износу. Так как уплотняющая среда -- это жидкость, трения между вращающимися и стационарными деталями практически нет, поэтому уплотнение не подвергается износу. Следовательно срок службы и межремонтные циклы МЖУ очень длительны, а момент трения очень низок. МЖУ стабильно работают в таких условиях как: сверхвысокий вакуум, очень высокие температуры, десятки тысяч об/мин, давление до нескольких атмосфер.

МЖУ, изначально разрабатывалось для применения в космических проектах, но позже нашли своё применение в промышленности. Наиболее распространенным является уплотнение вводов вращения вакуумного технологического оборудования. Также МЖУ нашло свое применение в фармацевтике, биотехнологии, косметологии. При производстве вакцин, медицинских препаратов, препаратов крови предъявляются высокие требования к стерильности технологических условий. А МЖУ с их надежностью и высоким уровнем герметичности легко удовлетворяют эти требования.

В сравнении с другими широко распространенными типами уплотнений МЖУ обладают практически полной герметичностью и при этом эффективно работают в условиях влажных сред любой степени дисперсности капель, условиях сильной запыленности (в том числе и абразивными частицами), при уплотнении сыпучих материалов.

В общем, конструкция МЖУ достаточно проста. Магнитожидкостный герметизатор состоит из кольцевых магнитопроводов (полюсных наконечников) 2, охватывающих вал 7, постоянных магнитов 4, расположенных между магнитопроводами, и корпуса 1, объединяющего части в цельную конструкцию, закрепляемую на корпусе герметизируемого механизма крепежными винтами.

Магнитное поле замыкается через вал и зазоры между полюсными наконечниками и валом, удерживая в них втягивающуюся туда магнитную жидкость. Этот слой магнитной жидкости, являясь своеобразным жидким сальником, полностью заполняет зазоры, оказывая герметизирующее действие и удерживая перепад давлений по разные стороны МЖГ.

Особенностью уплотнения является наличие запирающего слоя, удерживаемого в зазоре магнитным полем. Радиальные зазоры в магнитожидкостных уплотнениях составляют 0,05-0,15 (до 0,5 мм). Преимущества этих уплотнений: отсутствие протечек, механического трения, износа; применяются при любых окружных скоростях и перепадах давления (в том числе при вакууме), а также в качестве стояночных уплотнений.

Так как любые жидкости испаряются (магнитная жидкость испаряется значительно медленнее жидкой основы, на которой она сделана), нужно иногда дополнять магнитную жидкость, в зазор. В зависимости от строения узла, условий эксплуатации имарки магнитной жидкости срок между дозаправками обычно составляет 0,5 - 2 года.

В целом предельные рабочие параметры МЖУ ниже, чем параметры отдельных типов традиционных уплотнений, например торцовых.

Однако в диапазоне невысоких давлений (до нескольких сотен килопаскалей), температур (до 100 °С), линейных скоростей (до 30 м/с) в большинстве случаев МЖГ по эффективности значительно превосходит традиционные уплотнения.

Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферримагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующим их слипанию из-за Вандер-Ваальсовых или магнитных сил.

Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, так как остаточная намагниченность после того как внешнее магнитное поле исчезает не сохраняется. На самом делеферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «суперпарамагнетиками» из-за сильной магнитной восприимчивости. По настоящему ферромагнитные жидкости в настоящее время создать сложно.

Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычно они составляют 10 нм или меньше) магнетита, гематита или другого материала, в котором содержится железо, взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они делали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле. Аналогичным образом ионы в водных растворах парамагнитных солей (например, водный раствор сульфата меди(II) или хлорида марганца(II)) придают раствору парамагнитные свойства.

Ферромагнитные жидкости это коллоидные растворы -- вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах.

Ферромагнитные жидкости устойчивы: их твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле. Тем не менее, ПАВ в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (около двух лет), в итоге частицы слипнутся, выделятся из жидкости и не смогут оказывать влияние на реакцию жидкости от магнитного поля. Также свойства ферромагнитных жидкостей теряются при своей температуре Кюри, которая меняется в зависимости от ПАВ, несущей жидкости и конкретного материала ферромагнитных частиц.

Термин «магнитореологическая жидкость» относится к жидкостям, которые подобно ферромагнитным жидкостям затвердевают в присутствии магнитного поля. Отличием этих жидкостей друг от друга являетсяразмер частиц. Частицы в ферромагнитной жидкости это в основном частицы нанометровых размеров, находящиеся во взвешенном состоянии из-за броуновского движения и не оседающие в нормальных условиях. Частицы в магнитореологической жидкости в основном микрометрового размера (на 1--3 порядка больше); они слишком тяжелы, чтобы броуновское движение поддерживало их во взвешенном состоянии, и поэтому со временем оседают из-за естественной разности в плотности частиц и несущей жидкости. Как следствие, у этих двух типов жидкостей разные области применения.

Под воздействием довольно сильного вертикально направленного магнитного поля поверхность жидкости с парамагнитными свойствами самопроизвольно формирует регулярную структуру из складок. Этот эффект известен как «нестабильность в нормально направленном поле». Формирование складок увеличивает свободную энергию поверхности и гравитационную энергию жидкости, но уменьшает энергию магнитного поля. Такая конфигурация возникает только при превышении критического значения магнитного поля, когда уменьшение его энергии превосходит вклад от увеличения свободной энергии поверхности и гравитационной энергии жидкости. У ферромагнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость, и для критического магнитного поля, чтобы возникли складки на поверхности, может быть достаточно маленького стержневого магнита.

Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются, в частности, следующие ПАВ:

1) олеиновая кислота;

2) гидроксид тетраметиламмония;

3) полиакриловая кислота;

4) полиакрилат натрия;

5) лимонная кислота;

ПАВ не позволяют частицам слипаться, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры, которые не смогут удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения. В идеальной ферромагнитной жидкости магнитные частицы не оседают даже в очень сильном магнитном или гравитационном поле. Молекулы ПАВ имеют полярную «головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу вокруг частицы. В результате пространственные эффекты препятствуют слипанию частиц. Полиакриловая, лимонная кислоты и их соли формируют на поверхности частиц двойной электрический слой в результате адсорбции полианионов, что приводит к возникновению кулоновских сил отталкивания между частицами, повышающей стабильность жидкости на водной основе.

Хотя ПАВ полезны для того, чтобы продлить время осаждения частиц в ферромагнитной жидкости, они оказываются вредны для её магнитных свойств (в особенности, для магнитного насыщения жидкости). Добавление ПАВ (или других посторонних веществ) уменьшает плотность упаковки ферромагнитных частиц в активированном состоянии жидкости, тем самым уменьшая её вязкость в этом состоянии, давая более «мягкую» активированную жидкость. И хотя для некоторых применений вязкость ферромагнитной жидкости в активированном состоянии (так сказать, её «твердость») не очень важна, для большинства коммерческих и промышленных форм применения это самое главное свойство жидкости, поэтому необходим определённый компромисс между вязкостью в активированном состоянии и скоростью осаждения частиц. Исключение составляют ПАВ на основе полиэлектролитов, позволяющие получить высококонцентрированные жидкости с малой вязкостью.

Ещё один пример использования магнитожидкостного уплотнения это жидкостное контактное устройство (рисунок 1.13).

Токосъемное устройство состоит из корпуса 1, на валу 2 которого размещены подшипник 3 и изоляционная втулка 4, окруженная с двух сторон изоляционными шайбами 5 и на которую устанавливается магнитопровод 6, постоянный магнит 7 и подвижный электрод 8, по которому скользит токопроводящая жидкость (ртуть) 9, передающая сигнал от неподвижного электрода 10 и удерживаемая от вытекания феррожидкостью 11.Вращающаяся часть конструкции фиксируется с помощью крепежного кольца 22, закрученного по резьбе вала 2, а неподвижная часть конструкции фиксируется к корпусу 1 с помощью фиксирующего кольца 23, затянутого к корпусу 1 с помощью винтов 24.

Устройство работает следующим образом.При вращении вала 2 происходит передача энергии или сигнала от неподвижного электрода 10 к подвижному электроду 8 через токопроводящую жидкость 9, которую от вытекания удерживает феррожидкость 11, находящаяся между зубчиками магнитопровода 6 из-за электромагнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 7, 21.

Рисунок 1.13 - Жидкостное контактное устройство



В литературном обзоре рассмотрены множество способов герметизации подвижных соединений различных механизмов. Все они имеют свои преимущества и недостатки. При проектировании изделия во время выбора способа герметизации следует проанализировать требования к герметичности, условия и режим эксплуатации. Так же стоит обращать внимание на технологичность изготовления и стоимость компонентов.



2. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. МАГНИТОЖИДКОСТНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ

Магнитожидкостные уплотнения относятся к наукоёмкой высокотехнологичной продукции, поэтому создание новых конструкций магнитожидкостного уплотнения при заданных требованиях связаны с глубокой проработкой магнитной системы, распределением магнитного поля, технологических вопросов изготовления МЖУ, синтезом магнитной жидкости с заданными свойствами.

Из существующего многообразия конструкций МЖУ, наиболее перспективной является система, показанная на рисунке 2.1, в которой составные части магнитной системы жестко соединены с корпусом подшипникового узла. Это позволяет максимально сократить число посадочных поверхностей, обеспечивающих рабочий зазор. Кроме этого при реализации данной конструкции желательно обеспечить обработку посадочной поверхности под опорные подшипники и рабочую поверхность зазора за одну установку детали. Кроме этого данная конструкция исключает статические герметизаторы между магнитной системой и корпусом (резиновые кольца).

Рисунок 2.1 - Схема МЖУ



Полюсная приставка 1 может выполняться составной (разрез по пунктирной линии на рисунке 2.1), что упрощает сборку и разборку уплотнения, позволяет использовать кольцевые постоянные магниты.

Магнитожидкостное уплотнение в процессе эксплуатации долгое время может быть неподвижным. А известно, что статичная магнитная жидкость может сохранять свою текучесть только при определенных значениях магнитного поля и существует нейтральная кривая, определяющая область параметров, в которой текучесть сохраняется [1]. За пределами этой области в зазоре МЖУ образуется область плотно упакованных магнитных частиц. Из-за чего увеличивается трение между подвижными частями уплотнения, что приводит к выходу такого МЖУ из строя. Для гомогенизации магнитной жидкости необходимо постоянное ее перемешивание. Так, например, при вращении вала возникают течения в меридиональной плоскости, за счет чего и происходит выравнивание концентрации магнитных частиц в объеме жидкости. Однако не всегда возможна организация периодического проворачивания вала для гомогенизации магнитной жидкости. Поэтому интересным является изучение факторов, влияющих на стабильность магнитной жидкости.

Важнейшим параметром для МЖУ является рабочий зазор ? - минимальное расстояние между поверхностью вала и полюсными приставками уплотнения. Рабочий зазор выбирается наименьшим, так как габариты и вес уплотнения прямо пропорциональны зазору. Минимальное значение зазора МЖУ может ограничиться следующими факторами:

1. Скорость вращения вала, когда высокие сдвиговые напряжения вызывают недопустимый разогрев магнитной жидкости. Высокие скорости вращения вала и возникающие сдвиговые напряжения в магнитной жидкости вызывают недопустимый её разогрев.

2. Технологическими факторами. Технология изготовления узла должна обеспечивать стабильную заданную величину зазора ? по окружности, т.е. требуется обеспечить минимально возможные отклонения зазора от расчётной величины (??). Кроме этого минимальным должен быть и эксцентриситет зазора ? [7].

При наличии эксцентриситета магнитное поле неодинаково по окружности, в области максимального зазора напряженность поля меньше, а в области минимального зазора напряженность поля больше. Удерживающая способность уплотнения будет определяться напряженностью в области максимальной части зазора. Неравномерность поля по окружности приводит к перетеканию по окружности магнитной жидкости. В области максимальной части зазора магнитожидкостная пробка уменьшается в длину, что дополнительно снижает удерживающую способность уплотнения.

Поэтому при создании МЖУ необходимо первоначально детально проработать вопрос обеспечения равномерности зазора.

Возможно применение различных технологических приемов изготовления узла МЖУ, повышающих точность рабочего зазора, допустим, обработка поверхностей, образующих зазор, после сборки магнитной системы и подшипникового узла. При больших диаметрах уплотняемого вала - это наиболее перспективный путь.

В конструкции МЖУ поворотного вращающегося контактного устройства должны быть предусмотрены отверстия для заправки магнитной жидкости.

Заправочные отверстия позволяют заправлять МЖУ после его окончательной сборки, что наиболее технологично и обеспечивает минимальный расход магнитной жидкости. Заправочные отверстия позволяют также заправлять МЖУ непосредственно перед вводом его в эксплуатацию, что сокращает период нахождения магнитной жидкости в магнитном поле в статическом режиме. Наличие заправочных отверстий позволяет до заправлять МЖУ во время регламентных работ при длительном режиме эксплуатации, а также восстанавливать удерживающую способность уплотнения без его разборки после аварийных пробоев. Отверстия выводятся в канавки между зубцами, что не сказывается удерживающей способности узла от деформации магнитного поля в районе его выхода.

Форма зубцов на валу. В настоящее время используются различные формы зубцов (рисунок 2.2). Наиболее распространены зубцы с трапециевидным сечением (рисунок 2.2 а).

Рисунок 2.2 - Используемые типы зубцов

Углы между боковыми образующими поверхностями зубца и площадкой на острие зубца могут отличаться друг от друга. Американские и европейские производители обычно используют прямоугольную форму (рисунок 2.2 б). Такие зубцы технологичны в изготовлении, но имеют ряд недостатков. Известна также форма зубца (рисунок 2.2 в), в которой боковые образующие выполнены в виде дуг.

Количество зубцов определяется из заданного максимального удерживаемого перепада давления с учетом технологии изготовления узла. Максимальный удерживаемый перепад давления одним зубцом обычно не превышает 30 кПа, при этом удерживаемый всем уплотнением перепад давления пропорционален количеству зубцов.

Геометрические параметры зубцов. Важным является выбор соотношений геометрических параметров зубцов - отношение ширины зубца к зазору b/?, величины площадки на острие зубца к зазору t/?. Известны наиболее оптимальные соотношения геометрических параметров зубцов с точки зрения удержания максимально возможного перепада давлений. Как правило, их приходится корректировать в процессе разработки МЖУ, т. к. необходимо учитывать различные ограничения и дополнительные требования к МЖУ.

Геометрические параметры зубцов рассчитываются относительно величины рабочего зазора 8. Ширину площадки на вершине зубца выбираем исходя из величины максимально возможного рабочего зазора t/?max=2. Рекомендуемый шаг зубца bсоставляет b/?=l0…40. Чем шире зубец, тем выше его удерживающая способность.

Шероховатость поверхностей деталей, образующих рабочий зазор. При изготовлении деталей МЖУ на их поверхностях образуется множество микроскопических выступов и впадин. Их величина и количество определяют шероховатость поверхности [27].

Рисунок 2.3 - Перераспределение линий магнитного потока

При переходе магнитного потока из воздуха в магнитопроводящую деталь в приповерхностном слое шероховатой поверхности детали происходит перераспределение магнитного поля (рисунок 2.3). Вершины шероховатой поверхности концентрируют магнитный поток, образуя зоны повышенной напряженности магнитного поля, во впадинах между выступами - зоны пониженной напряженности. У поверхности поле становится неоднородным. При удалении от поверхности, неоднородность магнитного поля, обусловленная шероховатостью поверхности, постепенно ослабевает и исчезает [21]. По сравнению с размерами частиц жидкости, области неоднородного поля имеет значительные размеры. Так неровности шероховатой поверхности высотой порядка 1,25 - 2,5 мкм в 10-250 раз превышают размеры частиц магнитной жидкости. Если поместить около шероховатой поверхности магнитную жидкость, то магнитные частицы будут стремиться попасть в зону, где напряженность поля максимальна, то есть к вершинам выступов, создавая здесь повышенную концентрацию частиц. Вершины выступов покрываются слоем частиц, которые прочно удерживаются на поверхности. Магнитные частицы выстраиваются также в цепочки по линиям магнитного поля. Силы взаимодействия между частицами, тем выше, чем сильнее напряженность магнитного поля. То есть прочность цепочек из частиц существенно выше около вершин выступов шероховатой поверхности, чем на некотором удалении, где поле равномерное. Цепочки прочно связаны с вершинами выступов. Около шероховатой магнитопроводящей поверхности образуется слой магнитной жидкости с более сильным внутренним взаимодействием частиц, вследствие чего слой более прочный, и менее подвижный [19].

При движении шероховатой поверхности цепочки будут разрушаться в первую очередь в области, где силы взаимодействия между частицами наименьшие. Около шероховатой поверхности будет существовать трудно разрушимый слой. Появление неподвижного слоя мелкодисперсной рабочей среды на шероховатой поверхности вала, увеличивает эффективный диаметр вала, следовательно, момент трения уплотнения.

Высота слоя неоднородного магнитного поля около поверхности определяется высотой выступов, или классом шероховатости поверхности. Чем выше класс шероховатости поверхности, тем меньше толщина слоя неоднородного магнитного поля и прочного слоя дисперсной среды, чем ниже класс шероховатости поверхности, тем выше толщина слоя неоднородного магнитного поля и прочного слоя рабочей среды. Следовательно, задавая шероховатость магнитопроводящей поверхности можно регулировать толщину неподвижного приповерхностного слоя мелкодисперсной рабочей среды. В МЖУ класс шероховатости рабочих поверхностей зазора необходимо повышать, что позволит снизить моменты трения и страгивания, повысить ресурс уплотнения.

Существование неоднородного магнитного поля в приповерхностном слое интенсифицирует также процесс образования агрегатов из частиц магнитной жидкости в виде цепочек, что, в конечном итоге, приводит к повышению моментов трения и внутренних потерь магнитожидкостного уплотнения. Нанесение немагнитного покрытия на детали, образующие рабочий зазор. Исключить отрицательное воздействие шероховатой поверхности на магнитную жидкость можно с помощью нанесения немагнитного покрытия на вал. На шероховатую поверхность магнитопроводящей детали 1 (рисунок2.4) наносят немагнитное покрытие 2 толщиной A=nxRz, где n>0,3 - коэффициент пропорциональности, a Rz- высота неровностей профиля. Минимальная величина коэффициента n устанавливается не ниже 0,3. На поверхности немагнитного покрытия отсутствует неоднородность поля, вызванная шероховатостью, что уменьшает процессы структурирования магнитной жидкости. Немагнитное покрытие рабочих поверхностей, контактирующих с магнитной жидкостью, снижает момент трения и страгивания МЖУ, увеличивает его ресурс [31].

Рисунок 2.4 - Немагнитное покрытие магнитопроводящих поверхностей: 1- поверхность магниторповодящей детали; 2- немагнитное покрытие; 3- магнитная жидкость



В конструкции МЖУ можно рекомендовать использование немагнитное покрытие поверхностей полюсных приставок и зубцов, контактирующих с магнитной жидкостью.



3. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Объект исследования

Важнейшим параметром для МЖУ является рабочий зазор ?- минимальное расстояние между поверхностью вала и полюсными приставками уплотнения (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Магнитожидкостное уплотнение: 1 - вал; 2 - полюсные приставки; 3 - магнит; 4 -зубцы

Рабочий зазор выбирается наименьшим, так как габариты и вес уплотнения прямо пропорциональны зазору. При изменении зазора существенным образом меняется магнитное поле в зазоре и, следовательно, удерживающая способность уплотнения. Увеличение зазора приводит к ослаблению напряженности поля и снижению удерживаемого перепада давлений, уменьшение зазора к повышению напряженности поля и повышению удерживаемого перепада давлений, но при этом напряженность может достигнуть не приемлемых значений. Связь между величиной зазора, напряженностью поля и удерживаемым перепадом давлений нелинейная и достаточно сложная, т.к. магнитная цепь содержит как минимум три нелинейные среды.

Объектом исследования настоящей диссертационной работы являются несколько вариантов конструкций МЖУ для экспериментального выяснения зависимости удерживаемого уплотнением перепада давлений от величины рабочего зазора.

В ходе эксперимента была использована магнитная жидкость МКВ009-40 с напряженностью насыщения 40 кА/м, представляющая собой однородную взвесь однодоменных частиц магнетита в полифенилметилсилоксилане, стабилизированных олеиновой кислотой. Для многих технических задач важно, чтобы рабочая жидкость имела низкое давление насыщенных паров, была работоспособна в широком температурном интервале, при контактах с агрессивными средами. Этим требованиям во многом соответствуют кремнийорганические жидкости, представляющие собой полимерные соединения, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния и кислорода с присоединёнными углеводородными радикалами по свободным связям кремния. Процесс производства МЖ на кремнийорганической основе осуществлялся в той же последовательности, что и на углеводородах, то есть вначале изготавливали концентрат, который затем пептизировали в определённом объёме дисперсионной среды.

Массивный магнетит обладает кристаллической структурой типа обращенной шпинели, его плотность ?к=5,21 г/см ,точка Кюри Тс = 858 К. Температурная зависимость намагниченности массивного магнетита в интервале 173 - 373 К может быть представлена в виде: М8= ((490 ± 1) - (0,242 + 0,002) t0) кА/м.

Длина молекулы цис-изомера олеиновой кислоты, вычисленная по ее структурной химической формуле СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН, составляет 1,5 нм, за эффективную длину обычно берут 2 нм. Плотность олеиновой кислоты при Т=293 К равна ?0=0,895 г/см. Молекула олеиновой кислоты обладает полярной головкой и нейтральным хвостом. Во время стабилизации коллоида молекулы олеиновой кислоты за счет хемосорбции закрепляются на поверхности магнетитовой частицы, приэтом нейтральные концы обращены в жидкость-носитель. В настоящее время такие жидкости синтезируются как в нашей стране (Иваново, Краснодар, Москва), так и за рубежом.

3.2 Методика и экспериментальная установка для исследования удерживающей способности МЖУ

Исследование проводилось на экспериментальной установке (рисунок 3.2) при нормальных климатических условиях. В стандартах ГОСТ 16504-81 и ГОСТ 28198-89 определены следующие значения НКУ: температура 25±10С; относительная влажность воздуха 45-80%; Атмосферное давление 84,0-106,7 КПа.

Рисунок 3.2 - Схема экспериментальной установки: 1 - источник сжатого воздуха; 2 - манометр; 3 - испытательный стенд

Установка состоит из источника сжатого воздуха 1, которым служит баллон с азотом газообразным особой чистоты первого сорта ГОСТ 9293-74 с температурой насыщения -53С. Азот накачивается в полость испытательного стенда 3 с установленным в нем магнитожидкостным уплотнением до тех пор, пока не нарушается герметичность устройства. Величина избыточного давления измеряется манометром 2.

Стенд состоит из двух корпусных деталей, вращающихся относительно друг друга на паре подшипников INAFAGCSXF110 3. Внутренние обоймы подшипников сжаты с помощью набора прокладок, подложенных между верхним подшипником и кольцом. Такой преднатяг подшипников минимизирует осевой и радиальный люфты.

Модель МЖУ состоит из магнитной системы с наружным диаметром 342 мм и нескольких сменных колец с разными размерами кольцевых выступов, которые служат концентраторами напряженности магнитного поля.

Магнитная система собрана из равномерно размещенных по окружности кольцевого немагнитного сепаратора 90 цилиндрических магнитов, из магнитотвердого материала марки КС-37 четвертой группы, обладающих стабильными высокими магнитными характеристиками - остаточной индукцией Br=0,9 Т, коэрцитивной силой по индукции Нсв=680 кА/м. Магниты разделены сепаратором из немагнитного материала. Создаваемое ими магнитное поле перераспределяется полюсными приставками из коррозионностойкой магнитопроводящей стали 20Х13.

Технология изготовления узла МЖУ должна обеспечивать стабильную заданную величину зазора ? (рисунок 3.5 а) по окружности, т.е. требуется обеспечивать минимально возможные изменения зазора от расчетной величины (??). Кроме этого минимальным должен быть и эксцентриситет зазора ? (рисунок 3.5 б). При наличии эксцентриситета магнитное поле неодинаково по окружности, в области максимального зазора напряженность поля меньше, в области минимального зазора напряженность поля больше. Удерживающая способность уплотнения будет определяться напряженностью в области максимального зазора. Неравномерность поля по окружности приводит к перетеканию по окружности магнитной жидкости. В области максимального зазора магнитожидкостная пробка уменьшается в длину, что дополнительно снижает удерживающую способность уплотнения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.3 - Зазоры: а - зазор между валом и полюсной приставкой; б зазор между валом и полюсной приставкой при наличии эксцентриситета

Поэтому при создании магнитожидкостного уплотнения необходимо первоначально детально проработать вопрос обеспечения равномерности выбранного зазора. При разработке уплотнения рассчитываются и контролируются параметры магнитного поля при максимально возможных отклонениях зазора.

Зазор данной конструкции направлен по радиусу, поэтому эксцентриситет определяется в основном радиальными зазорами в посадках и радиальными биениями. Преднатяг подшипников и совместная обработка в сборе рабочей поверхности полюсных приставок приводят к снижению результирующего эксцентриситета, но не к полному их устранению.

Для проведения эксперимента и получения достоверных данных необходимо, чтобы максимальный зазор ?mах был равен исследуемой величине зазора. Поэтому сменные кольца свободно вставляются в корпус и закрепляются винтами с цилиндрической головкой, так как это позволяет регулировать положение кольца относительно магнитного устройства. Контроль зазора производился щупами.

Приведем пример анализа равномерности величины зазора. В конструкции принят зазор на сторону 0,1 мм. Полюсные приставки обработаны по342(Н6)-0,036 мм. Измерениями был получен действительный размер поверхности: dmin=341,985мм, dmax=342,008 мм.

Значит, размер внутренней поверхности кольца O 342** должен быть O 342,2 мм с допуском -0,05 мм.

При таком задании зазора возникают интересные моменты: представим внутреннее телоO342 в виде овала, максимальный размер которого равен 342,008 мм, а минимальный диаметр 341,985 мм и представим, что выполнили указанный зазор по зубцам МЖУ. В этом случае против максимального размера на зубцах получается зазор 0,103 мм, а против минимального размера - 0,071 мм.