CC BY
31
УДК 621.89
РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ КОМБИНИРОВАННОГО МАГНИТОЖИДКОСТНОГО УПЛОТНЕНИЯ
А. В. ТОПОРОВ, Д. Ю. ПАЛИН, В. В. КИСЕЛЕВ
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
В работе приведен анализ конструкции магнитной системы комбинированного магнитожид-костного уплотнения. В предложенной конструкции комбинированного магнитожидкостного уплотнения, используется магнитная система, изготовленная из магнитного эластомерного материала. Магнитную систему уплотнения предложено собирать из отдельных шайб. Теоретическое исследование распределения магнитного поля в уплотнении проводилось с использованием метода конечных элементов. Исследована зависимость величины магнитной индукции в рабочем зазоре уплотнения от вектора намагниченности магнитных эластомерных шайб. Установлено влияние ширины и толщины, магнитных эластомерных шайб на среднюю величину магнитной индукции в рабочем зазоре комбинированного магнитожидкостного уплотнения (КМЖУ). Исследовано влияние материалов вала на среднюю величину магнитной индукции в рабочем зазоре КМЖУ. Согласно результатам проведенного теоретического исследования сделан вывод о том, что магнитную систему, состоящую из магнитных эластомерных шайб целесообразно намагничивать в осевом направлении и устанавливать одноименными полюсами друг к другу. Установлено, что в рассмотренной конструкции магнитная система позволяет формировать в рабочей области уплотнения магнитожидкостные пробки, компенсирующие перепад давлений, а так же удерживать магнитную жидкость в рабочей области уплотнения.
Ключевые слова: комбинированное магнитожидкостное уплотнение, магнитное поле, магнитная система, эластомерный материал, магнитная индукция.
THE MAGNETIC SYSTEM CALCULATION OF A COMBINED MAGNETIC FLUID SEAL
A. V. TOPOROV, D. Yu. PALIN, V. V. KISELEV
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo E-mail: [email protected], [email protected]
The paper presents an analysis of the design of the magnetic system of the combined magnetic-liquid seal. In the proposed construction of a combined magnetic-liquid seal, a magnetic system made of a magnetic elastomeric material is used. The magnetic sealing system is proposed to be assembled from individual washers. A theoretical study of the distribution of the magnetic field in the seal was carried out using the finite element method. The dependence of the magnetic induction in the working gap of the seal on the magnetization vector of magnetic elastomeric washers is investigated. The influence of the width and thickness of magnetic elastomeric washers on the average value of magnetic induction in the working gap of the combined magnetic-liquid seal (KMZHU) has been established. The effect of shaft materials on the average value of magnetic induction in the working gap of the KMHU was investigated. According to the results of the theoretical study, it was concluded that the magnetic system consisting of magnetic elastomeric washers should be magnetized axially and installed with the same poles towards each other. It has been established that in the considered design the magnetic system allows the formation of magnetic-fluid plugs in the sealing work area, compensating for the pressure drop, as well as keeping the magnetic fluid in the sealing work area.
Key words: combined magneto-fluidic seal, magnetic field, magnetic system, elastomeric material, magnetic induction.
© Топоров А. В., Палин Д. Ю., Киселев В. В., 2019
83
В настоящее время магнитожидкост-ные уплотнения (МЖУ) нашли свое применение в различных сферах деятельности. В основном они используются для герметизации подвижных и неподвижных частей машин и аппаратов. Тем не менее, во многих отраслях производства, например в химической промышленности, где изготавливаются, перерабатываются, хранятся или транспортируются опасные химические и биологические вещества применяются традиционные уплотнения, такие как сальниковые, торцевые и лабиринтные [1]. Во время работы оборудования уплотнения эксплуатируются в тяжелых условиях, а также подвергаются воздействиям агрессивных сред, что отрицательным образом сказывается на их долговечности. Основной причиной потери герметичности традиционных уплотнений является воздействие высоких и низких температур, высокий перепад давлений, повышенное трение сопряженных элементов. Отказ традиционных уплотнений может привести к выходу из строя оборудования. Поэтому поиск вариантов решения проблемы герметизации узлов техники и оборудования является актуальной задачей.
Для решения поставленной задачи в качестве альтернативы существующим конструкциям уплотнительных устройств предлагается использовать комбинированные магни-тожидкостные уплотнения (КМЖУ) [2].
В КМЖУ удаётся достичь удачного сочетания достоинств традиционных уплотнительных устройств и магнитожидкостных герметизаторов, взаимно исключив и скомпенсировав их недостатки [3].
Функционирование КМЖУ невозможно без создания магнитного поля, удерживающего в рабочей области уплотнения магнитную жидкость. Как правило, для создания магнитного поля используются постоянные магниты и магнитопроводящая арматура. Такие магнитные системы относительно громоздки, предъявляют высокие требования к точности и технологии изготовления.
Решением проблемы создания простых и технологичных магнитных систем для КМЖУ может стать использование в качестве источника магнитного поля магнитных эластомер-ных материалов.
Магнитные эластомеры представляют собой полимерную матрицу, внутри которой находится наполнитель из магнитных частиц. В качестве магнитного наполнителя могут быть использованы мелкодисперсные частицы маг-нитотвердых материалов, например Ре, Ре1\П, Со, 1\П, РеЫсШ, БтСо, А1тко [4]. Магнитные эластомеры легко поддаются обработке, дешевы и доступны для приобретения. С исполь-
зованием магнитного эластомерного материала предложена новая конструкция уплотнения, представленная на рис. 1.
Рис. 1. Комбинированное магнитожидкостное уплотнение
Предложенная конструкция КМЖУ включает в себя корпус 1, изготовленный из полимерного материала, в который устанавливаются магнитоэластомерные шайбы 2. Количество шайб может изменяться в зависимости от назначения уплотнения.
Магнитная система в КМЖУ обеспечивает герметичность за счёт удержания магнитной жидкости (МЖ) пондеромоторной силой в рабочей области уплотнения, а также служит смазочным материалом трущихся элементов в области контакта магнитных эластомерных шайб с валом. Кроме этого, герметичность обеспечивается за счет механического контакта магнитоэластомерных шайб с валом, как в традиционных манжетных уплотнениях. В случае использования магнитопроводящего вала плотный контакт шайб и вала позволит снизить магнитное сопротивление рабочего зазора уплотнения и тем самым увеличить величину магнитной индукции.
Для определения магнитных характеристик магнитной системы КМЖУ необходимо провести соответствующие расчеты.
Имеется ряд методов расчета магнитных систем, из которых наиболее распространенными являются метод вероятных путей магнитного потока, метод конечных разностей и метод конечных элементов. Метод вероятных путей магнитного потока больше всего полезен для инженерных расчетов. Погрешности, возникающие при применении этого метода, могут достигать 20-30% и в значительной степени зависят от опыта инженера. Наиболее точными расчетами магнитной системы является метод конечных разностей и метод конеч-
ных элементов. Однако, метод конечных элементов (МКЭ) позволяет более корректно описать расчетную область, что приводит к уменьшению погрешности вычислений [5]. Поэтому, применение этого метода при исследовании магнитных полей в магнитных устройствах наиболее целесообразно.
При расчетах магнитных полей использовалась система конечноэлементного моделирования РЕММ 4.2.
Целью исследования являлось качественное определение рациональной конфигурации магнитной системы в КМЖУ на основании магнитных расчетов. Результатами магнитного расчета являлись кривая распределения магнитной индукции в рабочей области и общая картина распределения магнитного поля. Указанные параметры позволяют оценить эффективность удержания магнитной жидкости в рабочей области КМЖУ различными магнитными системами.
Чтобы определить рациональную конфигурацию магнитной системы предложенной конструкции КМЖУ, потребуется разделить магнитный расчет на 4 этапа:
1. определение вектора намагниченности магнитных эластомерных шайб;
2. исследование влияния ширины магнитных эластомерных шайб на среднюю величину магнитной индукции в рабочем зазоре КМЖУ;
3. исследование влияния толщины магнитных эластомерных шайб на среднюю величину магнитной индукции в рабочем зазоре КМЖУ;
4. исследование влияния материала вала на среднюю величину магнитной индукции в рабочем зазоре КМЖУ.
Критериями оценки магнитной системы будут являться:
1. максимальная величина магнитной индукции в рабочей области уплотнения;
2. распределение магнитного поля в рабочей области уплотнения.
Первый показатель предполагает герметичность магнитной системы комбинированного магнитожидкостного уплотнения, потому величиной магнитной индукции определяется пондеромоторные силы, удерживающие магнитную жидкость в рабочей области. Второй показатель образуется из условия присутствия магнитной жидкости в области трения сопрягающихся элементов в уплотнении, поскольку рабочие характеристики трущихся элементов могут быть улучшены за счет использования магнитной жидкости в качестве смазки [6].
При расчетах принималось, что источниками магнитного поля являются магнитные эластомерные шайбы в количестве 10 штук, состоящие из резины марки СКН-26 с магнитным наполнителем из феррита бария, материал вала - сталь Ст 3, корпус уплотнения из немагнитного полимерного материала. Остаточная намагниченность магнитоэластомерно-го материала принималась 190 кА/м [7].
На первом этапе определялся вектор намагниченности магнитоэластомерных шайб, который будет влиять на величину и распределение магнитной индукции в рабочей области уплотнения.
Для конструкции, представленной на рис. 1, расчет проводился при радиальном и осевом направлении намагниченности магнитных эластомерных шайб. Для осевой намагниченности магнитных эластомерных шайб рассматривались варианты их расположения одноименными и разноименными полюсами друг к другу.
На рис. 2, 3 представлена картина магнитного поля и кривая распределения магнитной индукции эластомерных шайб намагниченных в радиальном направлении.
Анализируя картину магнитного поля, можно прийти к выводу, что магнитный поток протекает через магнитные эластомерные шайбы и замыкается через немагнитное пространство вокруг них, при этом лишь на относительно небольшом участке магнитный поток протекает через магнитопроводный вал (рис. 2). Величина магнитной индукции в рабочей области (рис. 3) составляет порядка 0.17 Тл. Несмотря на достаточную величину магнитной индукции, как видно из кривой на Рис. 3, ее распределение не имеет градиентов, что приведет к формированию единой магни-тожидкостной пробки в рабочей области уплотнения. Однако, как показывают исследования, именно количество магнитожидкостных пробок имеет решающее влияние на величину удерживаемого перепада давлений [8].
Аналогичные результаты были получены при расчете магнитных полей при осевом направлении вектора намагниченности магнитных эластомерный шайб при расположении разноименными полюсами друг к другу. В этом случае формируются две области с высоким значением магнитной индукции (порядка 0.22 Тл) в районе контакта крайних шайб с валом.
Результаты расчета магнитной системы уплотнения при осевом направлении намагниченности и расположению одноименными полюсами друг к другу представлены на рис. 4, 5.
Рис. 2. Распределение магнитного поля в рабочей зоне уплотнения намагниченного в радиальном направлении
Рис. 3. Распределение магнитной индукции в рабочей области уплотнения намагниченного в радиальном направлении
Рис. 4. Распределение магнитного поля намагниченных эластомерных шайб в осевом направлении одноименными полюсами друг к другу
Рис. 5. Распределение магнитной индукции намагниченных эластомерных шайб в осевом направлении одноименными полюсами друг к другу
На рис. 4 показано, что основная часть линий магнитного потока пересекает рабочий зазор. Магнитная индукция в рабочем зазоре на границе сопряженных элементов уплотнения достигает пиковых значений 0.62 Тл (рис. 5). Следовательно, магнитная жидкость будет надежно удерживаться в области трения между валом и кромкой эластомерных шайб. Среднее значение индукции для этой конструкции составляет 0.22 Тл. Наличие перепадов величин магнитной индукции соответствует краям шайб. Именно в этих областях будут формироваться магнитожид костные пробки, которые удерживают действующий перепад давлений. Как видим из (Рис. 5), формируется не менее 6 областей с высоким градиентом магнитного поля.
Анализируя результаты магнитных расчетов магнитной системы, можно сделать вывод, что КМЖУ с осевым направлением намагниченности магнитных эластомерных шайб, расположенных одноименными полюсами друг к другу, будет иметь лучшую (до 6 раз) герметичность вследствие наличия большего количества магнитожидкостных пробок. При этом в обеих конструкциях величина магнитной индукции в рабочей области уплотнения достаточна для удержание магнитной жидкости (МЖ) в зоне трения. Поэтому конструкция с намагниченными в осевом направлении шайбами является предпочтительной и дальнейшие расчеты проводятся на ее основе.
Второй этап включал в себя оценку влияния диаметра магнитных эластомерных шайб на расчетный показатель магнитной индукции. Расчет магнитной индукции проводился при разных диаметрах магнитных эластомерных шайб с шагом 0,5мм. Основным критерием оценки являлась средняя величина магнитной индукции в области рабочего зазора между эластомерными шайбами и магнито-проводным валом. Используемые параметры и результаты, полученные в ходе расчета МКЭ, представлены в табл.1.
Как видим из табл. 1, ширина шайб практически не оказывает влияния на среднюю величину магнитной индукции, которая составляет порядка 0.22 Тл. Однако, при ширине шайб менее 1.5 мм наблюдается некоторое увеличение магнитной индукции до величины порядка 0.24 Тл. Это может быть вызвано тем, что магнитный поток на внешнем диаметре шайб не рассеивается через воздух, а замыкается через магнитопроводный вал. Тем не менее, использование на практике шайб такой ширины не представляется возможным вследствие недостаточной прочности магнитоэ-ластмерного материала.
Таблица 1. Данные исследований влияния ширины магнитных эластомерных шайб на среднюю величину магнитной индукции в рабочем зазоре КМЖУ
Третьим этапом являлся выбор оптимальной конфигурации магнитной системы в зависимости от толщины магнитных эластомерных шайб. Расчет магнитной индукции проводился при разной ширине шайб с шагом 0,5мм. Основным критерием оценки являлась средняя величина магнитной индукции в области рабочего зазора между эластомерными шайбами и магнитопроводным валом. Используемые параметры и результаты, полученные в ходе расчета МКЭ, представлены в (табл. 2).
Таблица 2. Данные исследований влияния толщины магнитных эластомерных шайб на среднюю величину магнитной индукции в рабочем зазоре КМЖУ
Ширина эласто- Единица измерения
мерных шайб, мм магнитной индукции, Тл
0,5 0,22
1 0,22
1,5 0,22
2 0,22
2,5 0,22
3 0,22
3,5 0,22
На основании табличных данных можно сделать вывод, что магнитная индукция в рабочем зазоре КМЖУ составляет 0,22 Тл.
Диаметр эластомерных шайб, мм Единица измерения магнитной индукции, Тл
0,5 0.24
1 0,23
1,5 0,22
2 0,22
2,5 0,22
3 0,22
3,5 0,22
4 0,22
4,5 0,22
5 0,22
5,5 0,22
6 0,22
6,5 0,22
7 0,22
7,5 0,22
8 0,22
8,5 0,22
9 0,22
9,5 0,22
10 0,22
Следовательно, толщина магнитных эласто-мерных шайб не оказывает влияния на среднюю величину магнитной индукции.
Заключительный этап включал в себя исследование влияния материала вала на среднюю величину магнитной индукции в рабочей области КМЖУ. В табл. 3 представлены наименования материалов вала и результаты расчетов средней величины магнитной индукции в рабочей области КМЖУ.
Таблица 3. Данные исследований влияния материала вала на среднюю величину магнитной индукции в рабочем зазоре КМЖУ
Материал вала Единица измерения магнитной индукции, Тл
СтЗ 0,22
Сталь 10Х18Н9 0,13
Чугун СЧ18-36 0,16
Полимерный материал (пластмасса) 0,12
Список литературы
1. Уплотнения и уплотнительная техника / А. А. Кондаков [и др.]. М.: Машиностроение, 1994. 448 с.
2. Патент 148871 Российская федерация МПК F 16 J 15/43. Комбинированное маг-нитожидкостное уплотнение / A.B. Топоров, И.А. Малый, О.В. Потёмкина, С.А. Никитина, П.В. Пучков, Е.А. Топорова, В.В. Киселев, В.П. Зарубин; опубл. 20.12.2014, Бюл. № 35.
3. Покровский А. А., Пучков П. В., Лег-кова И. А. Использование расчета магнитных полей методом конечных элементов при создании конструкций комбинированных магни-тожидкостных уплотнений // Науковедение: Интернет-журнал. 2016. Т. 8. № 5. С. 1-9. URL: https://naukovedenie.ru/PDF/41TVN516.pdf.
4. Копылов А. А, Товмаченко Д. К, Ян-челикА. Э. Платформа активной виброизоляции на основе демпферов с магнитореологи-ческими эластомерами // Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. С. 1-9.
5. Зинкевич О. С. Метод конечных элементов в технике. М.: МИР, 1975. 543 с.
6. ТопоровА. В. Разработка комбинированных магнитожидкостных уплотнений и исследование их трибологических характеристик: дис. ...канд. тех. наук: Иваново, 2000. 173 с.
Согласно приведенным данным в табл. 3, магнитопроводный вал из углеродистой стали обеспечивает наивысшую магнитную индукцию, для валов с меньшей магнитной проницаемостью величина индукции практически одинакова и составляет порядка 0.12-0,16 Тл. Поэтому в КМЖУ, представленном на рис. 1, предпочтительно использовать магнитный вал. В случае применения валов из немагнитных материалов рабочие характеристики ухудшаются.
Таким образом, в результате проведенных расчётов установлено, что для КМЖУ целесообразно использовать магнитную систему, состоящую из магнитных эластомерных шайб, намагниченных в осевом направлении и установленных одноименными полюсами друг к другу, при этом ширина и толщина шайб не оказывают влияния на величину магнитной индукции в рабочем зазоре уплотнения. При изготовлении вала уплотнения из немагнитных материалов величина магнитной индукции уменьшается на 54%.
7. Магнитный винил. URL: https://cheyal.ru/katalog/magnitnyj-vinil/(flaTa обращения 22.04.19, свободный доступ).
8. Патент 2353840 Российская федерация МПК F 16 J 15/43. Магнитожидкостное уплотнение вала / С. М. Перминов; опубл. 27.04.2009, Бюл. № 12.
References
1. Uplotnenlya i uplotnitel'naya tekhnika / A. A. Kondakov [et al.]. Moscow: Mashinostroyeniye, 1994. 448 p.
2. Patent 148871 Rossiyskaya federatsi-ya MPK F 16 J 15/43. Kombinirovannoye mag-nitozhidkostnoye uplotneniye / A. V. Toporov, I. A. Malyy, О. V. Potomkina, S. A. Nikitina, P. V. Puchkov, Ye. A. Toporova, V. V. Kiselev, V. P. Zarubin; opubl. 20.12.2014, Byul. № 35.
3. Pokrovskiy A. A., Puchkov P. V., Legkova I. A. Naukovedeniye, 2016, vol. 8, issue 5, pp. 1-9. URL: https://naukovedenie.ru/ PDF/41 TVN516.pdf.
4. KopylovA. A. Tovmachenko D. K, Yanchelik A. E. Platforma aktivnoy vibroizolyatsii na osnove dempferov s magnitoreologicheskimi elastomerami [Active vibration isolation platform based on dampers with magnetorheological elastomers], Studencheskaya nauchnaya vesna: Mashinostroitel'nyye tekhnologii. Moscow: Gosu-
darstvennyy Tekhnicheskiy Universitet im. N.E.Baumana, 2016, pp. 1-9.
5. Zinkevich O. S. Metod konechnykh elementov v tekhnike [Finite element method in engineering], Moscow: MIR, 1975. 543 p.
6. ToporovA. V. Razrabotka kom-binirovannykh magnitozhidkostnykh uplotneniy i issledovaniye ikh tribologicheskikh kharakteristik: Diss. kand. tekhn. nauk [Development of combined magnetic fluid seals and the study of their
tribological characteristics. Cand. tech. sci. diss.]. Ivanovo, 2000. 173 p.
7. Magnitnyy vinil [Magnetic vinyl] URL: https://cheyal.ru/katalog/magnitnyj-vinil/ (data obrashcheniya 22.04.19, svobodnyy dostup)
8. Patent 2353840 Rossiyskaya feder-atsiya MPK F 16 J 15/43. Magnitozhidkostnoye uplotneniye vala / S. M. Perminov; opubl. 27.04.2009, Byul. № 12.
Топоров Алексей Валериевич
ФГБОУ ВО 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
Fire Service of the Ministry of the 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
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
адъюнкт
E-mail: [email protected] Palin Denis Yurievich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State
Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of
Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
Graduate student
E-mail: [email protected]
Киселев Вячеслав Валериевич
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: [email protected]
Kiselev Vyacheslav Valerievich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State
Fire Service of the Ministry of the 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]
