CC BY
15
УДК 699.058
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИМЕНЯЕМЫХ В ПОЖАРНО-СПАСАТЕЛЬНОМ ОБОРУДОВАНИИ УЗЛОВ С МАГНИТНЫМИ НАНОМАТЕРИАЛАМИ
А.П. Сизов, В.А. Комельков, Л.А. Гусев, М.В. Винокуров
Герметизирующие устройства, в которых используется новый материал в качестве герметизатора, должны работать определенное время до проведения работ, связанных с их ремонтом. В представленной статье рассматриваются вопросы повышения надежности техники, предназначенной для ликвидации чрезвычайных ситуаций. Для увеличения надежности такой техники предлагается использовать в качестве герметизатора магнитный наноматериал. Приведен вариант разработанного комбинированного уплотнения вала водяного насоса, в котором сальниковое уплотнение заменено на магнитожидкостное.
Ключевые слова: надежность, оборудование для пожарной техники, герметизирующие устройства, магнитная жидкость, водяной насос.
Сальниковые уплотнения применяются в различных отраслях техники. От их герметичности зависит работоспособность машин и механизмов, работающих в текстильной, химической, нефтеперерабатывающей и ряде других отраслей промышленности. Недостатки, присущие сальниковым уплотнениям, оказывают значительное влияние на надежность работы машин.
Магнитожидкостные уплотнения валов, совершающих вращательное и возвратно -поступательное движение, нашли применение в различных узлах и агрегатах современных технических систем [1]. Основным элементом таких герметизаторов является магнитная жидкость, применение которой обеспечивает герметичность соединений и существенно снижает собственные потери на трение. Магнитожидкостные уплотнения работоспособны в широком интервале положительных и отрицательных температур, при разделении как газовых, так и жидких сред.
Традиционные уплотнительные
устройства, такие как сальники, манжеты, торцовые и лабиринтные уплотнения, используемые для целей герметизации вала водяного насоса (рис. 1), имеют ряд недостатков: низкую герметичность, деформирование и износ сальниковой набивки как при работе, так и при переходе в дежурный режим [2].
Для ликвидации пожаров в качестве огнетушащего вещества может использоваться вода с добавлением пенообразователя или без него. Ее применение объясняется высокой огнетушащей способностью, низким
воздействием на человека и окружающую среду, а также доступностью.
К месту возгорания вода доставляется с помощью транспортных средств специального
назначения. Если возгорание возможно в помещении, то в нем устанавливают систему водяного пожаротушения. В эту систему входят источник воды, который должен иметь большой объем, заполняемый для хранения на случай ликвидации ЧС.
На мобильной или стационарной установке пожаротушения устанавливаются насосы для создания в системе пожаротушения определенного давления и расхода воды, необходимых для ликвидации пожаров. В этом случае широкое распространение получили насосы консольного типа. В таких насосах для герметизации вала при его вращении и во время дежурного режима вращающийся и неподвижный вал должны быть герметичны. При вращении вала герметичность его соединений не столь критична. Однако после установки дежурного режима должна быть обеспечена полная герметичность уплотнения.
Рис. 1. Общий вид насоса консольного типа: 1 - крышка всасывающая; 2 - гайка рабочего колеса; 3, 6 - бронедиск защитный; 4 - колесо рабочее; 5 - корпус; 7 - втулка сальника; 8 - набивка сальника; 9 - втулка защитная; 10 - крышка сальника; 11 - крышка подшипника; 12 - подшипник
Опыт работы показывает, что после дежурного режима уплотнения в насосах «текут». Это объясняется негерметичностью
уплотнительного узла.
Уплотнительный узел на таких насосах консольного типа выполняется с сальниковой набивкой [3], которая имеет остаточную деформацию. Герметичность такого уплотнения должна быть одинаковой как при вращении его, так и после остановки. При потере герметичности насоса будет наблюдаться дополнительный расход огнетушащего вещества и возникновение коррозии деталей, что приведет к потере его работоспособности и необходимости ремонта. Как правило, это приводит к выведению установки пожаротушения из дежурного режима и приостановлению деятельности объекта защиты.
Для исключения указанных недостатков разработано комбинированное уплотнение, состоящее из сальникового, магнитожидкостного и торцового уплотнения, названное комбинированным уплотнением. Каждое из уплотнений функционирует раздельно, но при этом возрастает надежность работы и срок службы оборудования.
Применение магнитожидкостных
уплотнений с их высокой герметичностью позволит существенно улучшить работу насосного оборудования, используемого в пожаротушении. Это направление является перспективным для использования предлагаемых уплотнительных устройств в оборудовании установок пожаротушения.
Однако при использовании в качестве уплотняющего элемента магнитной жидкости возникает ряд проблем: ограничение контакта магнитной жидкости с водой; необходимость ограничения воздействия на нее окружающей среды (пыли, влаги, химически активных веществ).
Для повышения герметичности узла магнитожидкостное и традиционное
уплотнительные устройства можно объединить в единую конструкцию, в которой элементы отдельных устройств являются общими. Схема данного уплотнения приведена на рисунке 2. В этом случае магнитная жидкость удерживается от выдавливания из рабочего зазора под действием перепада давления за счет магнитных сил, присущих данному уплотнительному устройству.
В комбинированном уплотнении герметизация обеспечивается сальниковой набивкой 11, которая при работе подвергается износу за счет микронеровностей вала и присутствия в уплотняемой среде механических частиц. После остановки вала 10 за счет остаточной деформации увеличивается зазор между валом и сальниковой набивкой и герметичность уплотнения уменьшается. Процесс снижения герметичности предлагается устранить за счет введения в конструкцию дополнительных элементов торцового и магнитожидкостного уплотнения.
Магнитожидкостное уплотнение
обеспечивает силовое воздействие на сальниковую набивку по мере ее износа. Это происходит при осевом перемещении подвижного полюса 8 по втулке 9. Торцовое уплотнение, созданное парами трения 5 и 6, предотвращает проникновение воды в магнитную жидкость, что способствует увеличению долговечности магнитной жидкости, находящейся в полости «а» и рабочих зазорах магнитожидкостного уплотнения. Магнитная жидкость, находящаяся в полости «а», оказывает положительное влияние на работу торцового уплотнения. Она выполняет функции смазочной и запирающей жидкости. Это способствует уменьшению момента трения, возникающего при относительном перемещении пар трения уплотнения и, соответственно, долговечности и герметичности торцового уплотнения за счет взаимодействия магнитной жидкости с поверхностью трения, которое возникает за счет магнитной индукции, создаваемой постоянным магнитом.
1 11 i 2 3 56 в
( ( ) ^—10
Рис.2. Комбинированное магнитожидкостное уплотнение: 1 - корпус; 2 - неподвижный корпус магнитожидкостного уплотнения;
3 - магнитопровод магнитожидкостного уплотнения; 4 - нажимная втулка; 5 - кольцо, выполненное из антифрикционного материала;
6 - антифрикционное кольцо; 7 - втулка;
8 - подвижный магнитопровод;
9 - антифрикционная втулка; 10 - вал;
11 - сальниковая набивка; а - полость размещения пары трения торцового уплотнения
При затекании магнитной жидкости в торцовый зазор она удерживается в нем за счет воздействия магнитного поля. На поверхности втулок образуется адгезионный слой из магнитной жидкости с заполнением всех микронеровностей пар трения, чему способствуют силы магнитной индукции. Образованный адгезионный слой позволяет парам трения (втулкам) работать в
режиме жидкостной смазки. Однако в зависимости от величины концентрации феррочастиц возможны режимы полужидкостной смазки, а также и работа без смазки.
Приповерхностные ферромагнитные частицы магнитной жидкости приходят в движение под действием градиента поверхностного натяжения и увлекаются молекулами немагнитной среды, образуя в поверхностном слое разбавленную
слабомагнитную эмульсию. Эта эмульсия в дальнейшем может перемешиваться с уплотняемой средой при вращении вала. Все эти процессы будут идти до тех пор, пока не иссякнет запас магнитной жидкости под полюсом. Для предотвращения процесса вымывания магнитной жидкости необходимо ограничивать площадь контакта «магнитная жидкость - уплотняемая среда», уменьшать величину перепада давления, воздействующего на магнитную жидкость.
В разрабатываемом комбинированном уплотнении давление возрастает по мере выработки сальникового уплотнителя за счет увеличения зазора. Между торцевой частью магнита и подвижной полюсной приставкой, по мере уменьшения зазора возрастает давление, компенсируемое магнитожидкостным уплотнением.
Исследования [4] показали, что ресурс работы магнитожидкостного уплотнения зависит от условий эксплуатации, а также от типа разделяемых сред. В том случае если одна из сред - газ, то необходимое условие длительной работы
Библиография
1. Сизов А.П., Еловский В.С., Колбашов М.А., Комельков В.А., Топоров А.В., Зарубина Е.В. Разработка комбинированного магнитожидкостного уплотнения водяного насоса. В сборнике: 18-я Международная Плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям. - 2018. - С. 482-488.
2. Сизов А.П., Комельков В.А., Еловский В.С., Топоров А.В., Гусев Л.А. Анализ надежности узлов техники, используемой в чрезвычайных ситуациях при применении в ее узлах уплотненительных устройств с магнитной жидкостью. Материалы II международной научно-практической конференции, посвященной Всемирному дню гражданской обороны. - 2018. - С. 132-139.
3. Сизов А.П., Никитина С.А., Комельков В.А., Колбашов М.А., Еловский В.С., Салихова А.Х. Физико-технические основы применения нанодисперсных магнитных жидкостей в пожарной и аварийно-спасательной технике. Современные пожаробезопасные материалы и технологии. Сборник материалов Международной научно-практической конференции, посвященной Году гражданской обороны. - 2017. - С. 342-346.
4. Sizov A.P., Repin D.S., Elovsky V.S., Komelkov V.A., Toporov A.V. Application of magnetic nanoscale
магнитной жидкости - инертность по отношению к телу уплотнителя.
При герметизации жидких сред необходимо учитывать гидродинамические эффекты, возникающие на границе раздела сред «магнитной жидкости - уплотняемая среда (вода)». Следовательно, необходимо учитывать гидродинамические процессы и диффузию среды в магнитную жидкость, так как это может привести к потере герметичности магнитожидкостного уплотнения. Этот фактор необходимо учитывать также при герметизации жидких сред с целью недопустимости растворения их с телом уплотнителя
Экспериментальные данные показывают, что фенилсилоксановые жидкости ФМ-6 так же, как и фтороганические жидкости типа ПФ-180, устойчивы к воздействию температуры [4], что определяет тип носителя, используемого при получении магнитной жидкости для контакта с водой.
С целью увеличения надежности работы магнитожидкостного уплотнителя целесообразно его совместное использование в комбинации «магнитожидкостное уплотнение - традиционное уплотнение».
Эта комбинация необходима при решении задач повышения надежности работы насосного оборудования, используемого как в системах автоматического пожаротушения, так и в пожарной технике.
References
1. Sizov A.P., Elovskij V.S., Kolbashov M.A., Komelkov V.A., Toporov A.V., Zarubina E.V. Razrabotka kombinirovannogo magnitozhidkostnogo uplotneniya vodyanogo nasosa. V sbornike: 18-ya Mezhdunarodnaya Plesskaya nauchnaya konferenciya po nanodispersnym magnitnym zhidkostyam. - 2018. - S. 482-488.
2. Sizov A.P., Komel'kov V.A., Elovskij V.S., Toporov A. V., Gusev L.A. Analiz nadezhnosti uzlov tekhniki, ispol'zuemoj v chrezvychajnyh situaciyah pri primenenii v eyo uzlah uplotnenitel'nyh ustrojstv s magnitnoj zhidkost'yu. Materialy II mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchyonnoj Vsemirnomu dnyu grazhdanskoj oborony. - 2018. - S. 132-139.
3. Sizov A.P., Nikitina S.A., Komel'kov V.A., Kolbashov M.A., Elovskij V.S., Salihova A.H. Fiziko-tekhnicheskie osnovy primeneniya nanodispersnyh magnitnyh zhidkostej v pozharnoj i avarijno-spasatel'noj tekhnike. Sovremennye pozharobezopasnye materialy i tekhnologii. Sbornik materialov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchennoj Godu grazhdanskoj oborony. - 2017. - S. 342-346.
4. Sizov A.P., Repin D.S., Elovsky V.S., Komelkov V.A., Toporov A.V. Application of magnetic
dispersed systems in electromechanical devices operated at separations of gas and liquid fire extinguishing agents Magnetohydrodynamics. - 2018. - T. 54, № 1-2. - C. 127-129.
nanoscale dispersed systems in electromechanical devices operated at separations of gas and liquid fire extinguishing agents Magnetohydrodynamics. -2018. - T. 54, № 1-2. - S. 127-129.
IMPROVING THE RELIABILITY OF NODES WITH MAGNETIC NANO-MATERIALS, USED IN FIRE AND RESCUE EQUIPMENT
Sealing devices that use the new material as a sealer must be operated for a certain period of time prior to the work associated with their repair. The article deals with the issues of improving the reliability of equipment designed for emergency response. To increase the reliability of such equipment, it is proposed to use magnetic nanomaterial as a sealer. A variant of the developed combined shaft seal of the water pump is presented, in which the use of the gland seal is replaced by the use of a combined magnetic fluid seal.
Keywords: reliability, equipment for fire equipment, sealing devices, magnetic fluid, water pump.
Сизов Александр Павлович,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПСМЧС России, Россия, г. Иваново, e-mail: [email protected], Sizov A.P.,
doctor of technical Sciences, Professor,
Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.
Комельков Вячеслав Алексеевич,
кандидат технических наук,
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Россия, г. Иваново,
e-mail: [email protected],
Komelkov V.A.,
candidate of technical Sciences,
Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.
Гусев Леонид Алексеевич,
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Россия, г. Иваново,
e-mail: [email protected]
Gusev L.A.,
Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.
Винокуров Михаил Владимирович,
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Россия, г. Иваново, e-mail: [email protected] Vinokurov M.V.,
Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.
© Сизов А.П., Комельков В.А., Гусев Л.А., Винокуров М.В., 2018
