CC BY
25
УДК 621.318
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТОЖИДКОСТНОГО УПЛОТНЕНИЯ
А. В. ТОПОРОВ, Д. Ю. ПАЛИН
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: [email protected], [email protected]
Создание новых типов уплотнений для герметизации вращающихся валов и разъёмных соединений машин и механизмов различного назначения является одним из направлений повышения надежности и долговечности их работы. Нарушение герметичности уплотнений приводит к сбоям в работе оборудования и, в конечном итоге, к аварийной ситуации. Вопросы экологической безопасности химических и биологических производств зависят от работы уплотнительных узлов при полном отсутствии утечек.
В настоящее время существует множество уплотнительных устройств отличающихся по конструкции, принципу действия и габаритам. Каждому типу уплотнений, как правило, присущи определенные достоинства и недостатки. Добиться наилучшего результата позволяет создание магнитожидкост-ных уплотнений, объединяющих в себе конструктивные черты уплотнительных устройств различных типов. Наиболее перспективным является разработка магнитожидкостных уплотнений, в которых магнитная жидкость может выступать не только как герметизирующая среда, но и в качестве смазки. Снижение габаритов магнитной системы уплотнений может быть достигнуто за счет использования в качестве источника магнитного поля не твердотельных магнитов, а полимерных материалов с магнитным наполнителем. Такие материалы дешевле, обладают высокой технологичностью изготовления и позволяют получить автономную магнитную систему с любыми массогабаритными параметрами.
В работе приведены результаты исследований рабочих характеристик магнитожидкостного уплотнения, в котором магнитная система формируется за счет шайб, изготовленных из магнитного эластомерного материала.
Ключевые слова: магнитная жидкость; магнитожидкостное уплотнение; магнитная система; рабочие характеристики; магнитный эластомерный материал, расчет.
INVESTIGATION OF THE PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF A MAGNETOFLUIDIC SEAL
A. V. TOPOROV, D. U. PALIN
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: [email protected], [email protected]
The creation of new types of seals for sealing rotating shafts and detachable joints of machines and mechanisms for various purposes is one of the ways to increase the reliability and durability of their operation. Failure to seal the seals leads to equipment failures and, ultimately, to an emergency. Issues of environmental safety of chemical and biological industries depend on the operation of sealing units in the complete absence of leaks.
Currently, there are many sealing devices that differ in design, principle of operation and dimensions. Each type of seal, as a rule, has certain advantages and disadvantages. To achieve the best result, it is possible to create magnetofluidic seals that combine the design features of sealing devices of various types. The most promising is the development of magnetofluidic seals, in which the magnetic fluid can act not only as a sealing medium, but also as a lubricant. Reducing the size of the magnetic sealing system can be achieved by using polymer materials with a magnetic filler as a source of the magnetic field, rather than solid-state
© Топоров А. В., Палин Д. Ю., 2021
magnets. Such materials are cheaper, have a high technological efficiency and allow you to get an autonomous magnetic system with any weight and size parameters.
The paper presents the results of studies of the performance characteristics of a magnetofluidic seal, in which the magnetic system is formed by washers made of a magnetic elastomeric material.
Key words: magnetic fluid; magnetofluidic seal; magnetic system; performance characteristics; magnetic elastomeric material, calculation.
Уплотнительные устройства широко применяются для герметизации вращающихся валов, вводов возвратно-поступательного движения и статических зазоров. От надёжной работы уплотнения зависит работоспособность всего агрегата в целом, а наличие утечек уплотняемой среды из рабочих объемов приводит не только к поломке оборудования, но может нанести значительный вред окружающей среде.
Применяемые в настоящее время уплотнительные устройства можно условно разделить на традиционные и магнитожид-костные. К традиционным уплотнениям обычно относят как контактные уплотнения, такие как: манжетные, торцевые, сильфонные, мембранные, сальниковые, так и бесконтактные уплотнения. К ним относятся лабиринтные и щелевые уплотнения различной конструкции. Перечисленные выше типы уплотнений эксплуатируются на оборудовании не один десяток лет, но имеют ряд недостатков. К ним относятся: отсутствие полной герметичности (лабиринтные уплотнения), высокие потери на трение (практически все контактные уплотнения), значительные габариты (торцевые уплотнения), необходимость периодического обслуживания (сальниковые уплотнения) [1].
Для магнитожидкостных уплотнений, которые обладают рядом достоинств, таких как, абсолютная герметичность, относительно низкий момент трения, присущ и ряд серьезных недостатков, к которым относятся значительные габариты и высокие технологические требования, связанные с повышенной точностью изготовления деталей [2].
В настоящее время существует множество конструкций уплотнений с магнитной жидкостью. Для их работы необходимо наличие специальной магнитной системы удерживающей магнитную жидкость в рабочем зазоре и обеспечивающей компенсацию перепада давлений. Магнитная система обычно состоит из постоянного магнита, выступающим в качестве источника магнитного поля и полюсных приставок, образующих замкнутую магнитную цепь. Для создания градиента магнитной индукции на полюсных приставках, обращённых к валу, выполняются концентраторы магнитного поля, [2]. Такая конструкция эффективна при малых значениях рабочего зазора, величина
которого находится в пределах 0,1 - 0,25 мм. Для обеспечения такой величины рабочего зазора необходимо использовать дополнительные опоры вала, помещенные в один корпус с уплотнением. Такие опорно-уплотнительные узлы получили наиболее широкое распространение, но отличаются значительными габаритами относительно диаметра уплотняемого вала [2].
Возможными направлениями снижения габаритов уплотнения является отказ от дополнительных подшипников и внесение изменений в магнитную систему. Добиться этого возможно за счет обеспечения плотного контакта магнитопровода с валом, и объединения функций источника магнитного поля и магни-топровода в одной детали.
Следуя этой логике для упрощения конструкции уплотнения и уменьшения его габаритов предлагается в качестве источника магнитного поля использовать магнитный эла-стомерный материал [1]. Магнитный эласто-мерный материал представляет собой полимерную основу с магнитным наполнителем. В качестве полимерной основы могут выступать винил, резина, полиэтилен, а в качестве магнитного наполнителя порошки ферритовых или редкоземельных магнитных материалов [3]. Магнитные эластомерные материалы проигрывают твердотельным магнитам по величине магнитной энергии, зато в отличие от них обладают высокой технологичностью при механической обработке и могут работать в непосредственном контакте с подвижными деталями. Применение магнитоэластомерного материала позволяет отказаться от громоздкой магнитной системы, а в области его плотного соприкосновения с валом будет сформировано контактное уплотнение, по принципу работы похожее на манжетное. Магнитная жидкость, помещенная в рабочую область, будет также выполнять роль смазочного материала [4].
Вариант конструкции уплотнения представлен на рисунке 1 и состоит из корпуса 1, изготовленного из полимерного материала, в который устанавливаются магнитные эласто-мерные шайбы 2 намагниченные в осевом направлении и ориентированные одноименными полюсами друг к другу. Между магнитными эластомерными шайбами 2 помещаются
шайбы из немагнитного материала 3. Толщина шайб из немагнитного материала составляет не менее 50 % толщины магнитных эласто-мерных шайб. Количество шайб может изменяться в зависимости от назначения уплотнения. Шайбы фиксируются в корпусе при помощи крышки 4. Уплотнение устанавливается на вал. Магнитная жидкость 6 помещается в область между магнитными эластомерными
шайбами 2 и валом и удерживается в этой области магнитными силами [5]. Такое направление намагничивания и наличие немагнитных проставок является обязательным условием для достижения наиболее эффективной работы уплотнения, поскольку позволяет добиться наибольшего количества зон градиента магнитного поля и обеспечить наилучшие рабочие характеристики [7].
Ри^ 1. Трехмерные модели деталей уплотнения: 1 - корпус, 2 - магнитные эластомерные шайбы, 3 - шайбы из немагнитного материала, 4 - крышка
При работе контактных уплотнений возникают биения вала, которые приводят к отрыву рабочей кромки от вала и образованию зазора. Это может привести к разгерметизации уплотняемого объёма [1, 4]. В нормальном режиме зазор между магнитными эластомерны-ми шайбами и валом отсутствует и уплотнение работает как контактное, так и как магнитожид-костное. Оценить последствия появление микрощели возможно определив влияние ее величины на магнитную индукцию в рабочем зазоре. Измерения магнитной индукции в рабочих зазорах при помощи тесламетра не представляется возможным в связи с их относительно малыми величинам. Поэтому, наиболее простым и показательным способом определения магнитных характеристик является их численное моделирование. Расчет магнитной индукции для величин рабочего зазора 0, 0,1, 0,2 и 0,3 мм проводился с использованием метода конечных элементов в системе FEMM4.2.
На рисунке 2 представлена зависимость распределения магнитной индукции в рабочей зоне уплотнения от величины рабочего зазора. Из полученных графиков следует, что с увеличением рабочего зазора наблюда-
ется значительное снижение максимальных величин магнитной индукции. Для всех рассмотренных случаев наблюдается образование градиентных зон, однако, если для случая контакта магнитных эластомерных шайб с валом величина перепада магнитной индукции составляет порядка 0,25 Тл, то с увеличением рабочего зазора до 0,3мм максимальный перепад индукции сокращается до 0,08 Тл. Такое падение градиента является негативным, поскольку именно этим параметром обуславливается величина рабочего (или критического) перепада давлений магнитожидкостного уплотнения [3]. Величина критического перепада давлений снижается при уменьшении количества градиентных зон в рабочем зазоре. Из рисунка 2 следует, что при отсутствии зазора между магнитной эластомерной шайбой и валом зоны, градиентные области формируются на каждой боковой кромке, т.е. каждая шайба формирует две области с перепадом магнитной индукции. С возникновением и дальнейшим увеличением рабочего зазора магнитные силовые линии замыкаются через него, что вызывает снижение величины неоднородности магнитного поля непосредственно
под магнитной эластомерной шайбой. Это приводит к исчезновению дополнительной градиентной зоны и, как следствие, дополнитель-
ное снижение величины критического (или рабочего) перепада давлений.
Рис. 2. Зависимость магнитной индукции в рабочей зоне уплотнения от величины рабочего зазора: 1- зазор отсутствует, 2-зазор 0,1 мм, 3-зазор 0,2 мм, 3-зазор 0,3 мм
Чтобы оценить влияние величины рабочего зазора на величину магнитной индукции в нём при использовании магнитного эласто-мерного материала целесообразно построить зависимость величины средней индукции в рабочем зазоре уплотнения от величины рабо-
чего зазора (рисунок 2). Абсолютная величина средней индукции не является определяющей характеристикой магнитной системы уплотнения [6], однако позволяет оценить насколько эффективно и рационально она работает.
Рис. 3. Зависимость величины средней индукции в рабочем зазоре уплотнения
от величины рабочего зазора
Из полученной расчётной зависимости следует, что величина средней индукции снижается с увеличением рабочего зазора. При зазоре порядка 0,08 мм индукция уменьшается в 2 раза. Далее с увеличением зазора снижение индукции происходит не так интенсивно. Появление зазоров между валом и шайбами приводит к падению перепада давлений, удерживаемого магнитожидкостной системой. Таким образом, для нормальной работы уплотнения необходимо создать такие условия, при которых обеспечивается надежный контакт магнитных эластомерных шайб с валом. Из полученной зависимости следует, что допустимая величина зазоров не должна превышать 0,03 мм.
Избежать появления зазоров между рабочей кромкой контактных уплотнений и валом практически невозможно, поскольку на этот процесс помимо качества изготовления деталей оказывают влияние и условия эксплуатации [1]. Для определения условий возникновения зазоров в рабочей области уплотнения, изготовленного с использованием магнитных эластомерных шайб необходимо получить зависимость удерживаемого перепада давлений от скорости перемещения вала, имеющего определенное значение эксцентриситета. С этой целью использовался специальный испытательный стенд [8].
Рис. 4. Схема испытательного стенда: 1 - электродвигатель, 2 - вал, 3 - подшипник, 4 - корпус, 5 -частотный электропривод, 6 - шланг, 7 - компрессор, 8 -уплотнительное устройство
5
7
6
1
2
8
3
4
Стенд работает следующим образом. Вращение от электродвигателя 1 передается на вал 2. Вал 2 закрепляется в подшипнике качения 3, который помещен в корпус 4 установки и изготовлен из полимерного материала. Изменение скорости вращения электродвигателя 1 достигается с помощью частотного электропривода 5 и контролируется по показаниям установленного на нем дисплея.
В качестве герметизируемой среды используется индустриальное масло И-5, которое помещается в объём 4. С помощью компрессора 7 через шланг 6 во внутренней объ-
ем корпуса 4 нагнетается воздух, создающий избыточное давление, которое определяется по показаниям манометра компрессора 7. Уплотнительное устройство 8 монтируется на вал 2, диаметром 15 мм, изготовленный из стали 30, заправляется магнитной жидкостью на основе ПЭС 5 с магнитным наполнителем из магнетита, и помещается в корпус 4. Статический зазор между уплотнительным устройством и корпусом 4 герметизируется. Утечки через уплотнение фиксируются по появлению утечек уплотняемой среды на валу 2 с наружной части уплотнения.
— — КМЖУ Манжетное уплотнение
Рис. 5. Зависимость рабочего перепада давлений от скорости скольжения при эксцентриситете
В ходе испытаний использовался вал диаметром 15 мм с эксцентриситетом 0.2 мм. Для качественной оценки результатов эксперимента кроме магнитожидкостного уплотнения использовалось также манжетное уплотнение. На рисунке 5 приведены зависимости рабочего перепада давлений от скорости скольжения. Из полученных графиков следует, что для обоих типов уплотнений имеет место постоянное значение рабочего перепада давлений и его последующее снижение. Для манжетного уплотнения максимальная величина рабочего перепада давлений снижается по сравнению с магнитожидкостным уплотнением на 50 % при меньшей на 40 % скорости скольжения. Начиная с определенной скорости скольжения наблюдается снижение рабочего перепада давлений. Для манжеты падение носит скачкообразный характер. Определить для этого уплотнения величину рабочего перепада
давлений после скорости скольжения более 0,63 м/с достаточно сложно. Для магнитожид-костного уплотнения имеет место плавное снижение рабочего перепада давлений. Однако, необходимо обратить внимание на характер полученной зависимости и сравнить ее с графиком, представленном на рисунке 3. Как видим, графики имеют сходную форму, что свидетельствует об увеличении рабочего зазора (рисунок 3), и как следствие, пропорциональному снижению величины удерживаемого перепада давлений (рисунок 5). Сравнение в абсолютных показателях здесь может быть не корректно, но форма кривых является вполне показательной и свидетельствует о появлении зазоров между валом рабочими элементами.
Таким образом, при работе магнитожид-костного уплотнения с рабочими элементами, изготовленными из магнитного эластомерного материала, могут возникать зазоры между ва-
лом и кромкой. Появление зазоров оказывает влияние на величину рабочего перепада давлений. Наблюдается снижение рабочего перепада давлений при достижении определенного значения скорости скольжения вал (при уста-
новленной величине эксцентриситета и диаметре вала). Для таких типов уплотнений необходимо стремиться к тому, чтобы возникающие зазоры не превышали 0,03 мм.
Список литературы
1. Кондаков А. А., Голубев А. И., Ован-дер В. Б. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник. М.: Машиностроение, 1986. 464 с.
2. Сайкин М. С. Магнитожидкостные герметизаторы технологического оборудования: монография. Санкт-Петербург: Лань, 2017. 136 с.
3. Алексеев А. Г., Корнев А. Е. Магнитные эластомеры. М.: Химия, 1987. 240 с.
4. Топоров А. В. Разработка комбинированных магнитожидкостных уплотнений и исследование их трибологических характеристик: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.04. Иваново, 2000. 24 с.
5. Патент на полезную модель RU 197088 U1. Магнитожидкостное уплотнение вала / Палин Д. Ю., Топоров А. В., Пучков П. В.; опубл. 30.03.20.
6. Орлов Д. В., Михалёв Ю. О., Мыш-кин Н. К. Магнитные жидкости в машиностроении. М.: Машиностроение, 1993. 272 с.
7. Топоров А. В., Палин Д. Ю., Колобов М. Ю. Анализ влияния конфигурации магнитной системы на характеристики магнито-жидкостного уплотнения с магнитным эласто-мерным материалом // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. 2020. № 2 (62). С. 130-137.
8. Палин Д. Ю., Топоров А. В., Иванов В. Е. Разработка бесконтактного устройства для измерения крутящего момента на валу // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. 2020. № 2 (62). С.125-129.
References
1. Kondakov A. A., Golubev A. I., Ovander V. B. Uplotneniya i uplotnitel'naya tekhnika: Spravochnik [Seals and Sealing Tech-
nology: a Handbook]. M.: Mashinostroenie, 1986, 464 p.
2. Sajkin M. S. Magnitozhidkostnye ger-metizatory tekhnologicheskogo oborudovaniya: monografiya [Magnetic-liquid hermetic seals of technological equipment: monograph]. Sankt-Peterburg: Lan', 2017, 136 p.
3. Alekseev A.G., Kornev A.E. Magnitnye elastomery [Magnetic elastomers]. M.: Himiya, 1987, 240 p.
4. Toporov A. V. Razrabotka kom-binirovannyh magnitozhidkostnyh uplotnenij i is-sledovanie ih tribologicheskih harakteristik. Diss. kand. tekhn. nauk [Development of combined magnetic fluid seals and research of their tribolog-ical characteristics. Cand. tech. sci. diss.]. Ivanovo, 2000. 24 p.
5. Palin D. Yu., Toporov A. V., Puchkov P. V. Magnitozhidkostnoe uplotnenie vala [Magnetic fluid shaft seal] Patent na poleznuyu model' RU 197088 U1, opubl. 30.03.20
6. Orlov D. V., Mihalyov Yu. O., Mysh-kinN. K. Magnitnye zhidkosti v mashinostroenii [Magnetic fluids in mechanical engineering]. M.: Mashinostroenie, 1993. 272 p.
7. Toporov A. V., Palin D. Yu., Kolobov M. Yu. Analiz vliyaniya konfiguracii mag-nitnoj sistemy na harakteristiki magnitozhidkost-nogo uplotneniya s magnitnym elastomernym ma-terialom [Analysis of the influence of the configuration of the magnetic system on the characteristics of a magnetic fluid seal with a magnetic elas-tomeric material]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii. Regional'noe prilozhenie, 2020, vol. 2 (62), pp. 130-137.
8. Palin D. Yu., Toporov A. V., Ivanov V. E. Razrabotka beskontaktnogo ustrojst-va dlya izmereniya krutyashchego momenta na valu [Development of a non-contact device for measuring the torque on the shaft] Sovremennye naukoemkie tekhnologii. Regional'noe prilozhenie, 2020, vol. 2 (62), pp. 125-129.
Топоров Алексей Валериевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]
Toporov Aleksey Valerievich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of tech. sciences, assistant professor
E-mail: [email protected]
Палин Денис Юрьевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: [email protected] Palin Denis Urevich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo E-mail: [email protected]
