CC BY
14
УДК 621.318
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ МАГНИТОЖИДКОСТНЫХ ГЕРМЕТИЗАТОРОВ НАСОСОВ ПОЖАРНОЙ ТЕХНИКИ И ОЦЕНКА ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
М. С. САЙКИН1, А. В. ТОПОРОВ2, Е. А. ТОПОРОВА3
ФБГОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»
Российская Федерация, г. Иваново 2ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России
Российская Федерация, г. Иваново 3ФБГОУ ВО «Ивановский государственный политехнический университет» Российская Федерация, г. Иваново E-mail: saikinms@mail.ru, ironaxe@mail.ru, evatopor@mail.ru
Одним из направлений повышения надежности и долговечности пожарной техники является создание новых уплотнительных устройств. Для пожарной техники характерным является повторно-непериодический режим работы являющийся одним из наиболее неблагоприятных с точки зрения безотказного функционирования машин и механизмов. В этом режиме на работоспособность уплотнений оказывают влияние высокие значения износа, связанные с выдавливанием смазки из рабочей области контактных уплотнений, стеклование эластомерных материалов при низких температурах и ряд других факторов.
Широкое применение магнитожидкостных герметизаторов в пожарной технике ограничено низким удерживаемым перепадом давлений и интенсивным вымыванием магнитной жидкости из рабочего зазора при разделении жидких сред. Решение проблемы может быть достигнуто применением специальных конструкций герметизаторов, оптимизацией их параметров и рабочих характеристик, выбором новых конструкционных материалов, используемых при их изготовлении.
В работе проведён анализ условий работы магнитожидкостных герметизаторов вращающихся валов пожарных насосов. Предложены критерии оценки работоспособности магнитожидкостных герметизаторов при уплотнении валов для различных скоростей вращения. Разработаны конструкции магнитожидкостных герметизаторов и рекомендации к их применению. Создана методика экспериментальной оценки работоспособности магнитожидкостных герметизаторов при уплотнении воды и других жидких сред.
Ключевые слова: насос; пожарная техника; магнитожидкостный герметизатор; магнитная жидкость; постоянный магнит.
DEVELOPMENT OF THE MAGNETIC FLUID SEALS FOR FIRE EQUIPMENT PUMPS AND EVALUATION OF THEIR PERFORMANCE
M. S. SAYKIN1, A. V. TOPOROV2, E. A. TOPOROVА3
Federal State-Financed Educational of Higher Education «Ivanovo State Power University named after V.I. Lenin», Russian Federation, Ivanovo
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 Federal State-Financed Educational of Higher Education of «Ivanovo state Polytechnic University».
Russian Federation, Ivanovo E-mail: saikinms@mail.ru, ironaxe@mail.ru, evatopor@mail.ru
One of the ways to improve the reliability and durability of fire equipment is to create new sealing devices. For fire - fighting equipment, re-non-periodic operation mode is typical, which is one of the most unfavorable in terms of trouble-free operation of machines and mechanisms. In this mode, the performance of the seals is affected by high wear values associated with the extrusion of lubricant from the working area of
© Сайкин М. С., Топоров А. В., Топорова Е. А., 2020
60
the contact seals, the glass formation of elastomeric materials at low temperatures, and a number of other factors.
The widespread use of magnetic-liquid sealants in fire engineering is limited by the low retained pressure drop and intensive leaching of the magnetic liquid from the working gap when separating liquid media. The solution of the problem can be achieved by using special designs of sealants, optimizing their parameters and performance characteristics, and selecting new construction materials used in their manufacture.
The paper analyzes the operating conditions of magnetic-liquid sealers of rotating shafts of fire pumps. Criteria for evaluating the performance of magnetic-liquid sealers when sealing shafts for different speeds of rotation are developed. Designs of magnetic-liquid sealants and recommendations for their use have been developed. A method of experimental evaluation of the performance of magnetofluidic sealers for compacting water and other liquid media has been developed.
Key words: pump; fire fighting equipment; the magnetic liquid sealer; ferrofluid; a permanent
magnet.
Основной особенностью эксплуатации насосов пожарной техники является повторно-кратковременным режим работы с непериодическим характером.
В нашей стране и за рубежом для герметизации валов пожарных насосов применяют сальниковую набивку или торцевые уплотнения, которые работают с утечкой герметизируемой среды.
Магнитожидкостные герметизаторы (МЖГ) относятся к классу абсолютно герметичных уплотнений и используют новый материал - магнитную жидкость (МЖ), которая удерживается пондеромоторной силой в зазоре между подвижным валом и неподвижной магнитной системой и тем самым обеспечивает его герметизацию [1].
Магнитожидкостные уплотнения характеризуются абсолютной герметичностью, могут работать в контакте с водой при температуре от 0 0С до +500С, перепаде давлений до 7 Атм и окружной скорости вала до 8,5 м/а Диаметры уплотняемых валов находятся в диапазоне от 20 до 55 мм. В настоящее время синтезировано большое количество магнитных жидкостей, способных работать в контакте с водой [2].
Использование МЖГ для герметизации вращающихся валов вакуума и газовых сред нашло широкое применение в технике [3, 4]. Внедрение МЖГ для герметизации валов жидких сред сдерживается рядом причин, к которым относятся:
- механическое взаимодействие МЖ с уплотняемой средой, что вызывает её вымывание из рабочего зазора МЖГ;
- гидродинамическое взаимодействие МЖ, обусловленное переходом в турбулентный режим работы;
Интенсивность влияние этих причин зависит от характера расположения вала МЖГ по отношению к герметизируемому объёму, где находится жидкая среда (горизонтальный
или вертикальный), а также характера самой жидкой среды (брызги, частичное или полное погружение вала в жидкую среду). Снижение влияния этих факторов решается конструктивно. В том случае, когда вал расположен горизонтально для уменьшения действия герметизируемой жидкой среды на МЖ необходимо применять специальные защитные элементы. Их конструктивное исполнение зависит от скорости вращения вала, площади взаимодействия герметизируемой среды с МЖ и её вязкости.
При герметизации вращающегося вала расположенного вертикально, можно полностью исключить контакт герметизируемой среды с МЖ. Это достигается применением специальных газовых демпферов, что позволяет герметизировать вращающийся вал МЖГ при уплотнении газовых сред.
Этап теоретических исследований заключался в моделировании магнитного поля в МЖГ. Результатом моделирования является значение максимальной и минимальной индукции в уплотнителе, что позволяет вычислить критический перепад давлений МЖГ.
Максимальный критический перепад давлений единичного зубца МЖГ в статическом режиме работы определяется из уравнения Бернулли:
НМАХ
¿Рот = А | МёН, (1)
НМ1Ы
где М - намагниченность насыщения МЖ, HMIN и Н^ - напряжённости магнитного поля на поверхностях МЖ, обращённых к областям с меньшим и большим давлениями при критическом положении магнитной жидкости.
Величина критического перепада давлений многозубцового МЖГ в статическом ре-
жиме будет зависеть от числа зубцов на полюсных приставках:
N
AP =YAp
cn / j ± cmi
(2)
i=1
где N - суммарное число зубцов на полюсных приставках магнитожидкостного герметизатора.
Точность определения перепада давлений зависит от точности расчёта магнитного поля с учётом нелинейностей магнитных характеристик МЖ, постоянных магнитов и сталей магнитопровода.
При увеличении скорости вращения уплотняемого вала, критический перепад давлений снижается. Это связано со значительным действием механического и гидродинамического взаимодействия герметизируемой среды на МЖ в рабочем зазоре герметизатора. Поэтому при проектировании МЖГ необходимо учитывать коэффициент запаса по давлению:
АР к =. к
АР
(3)
Для герметизации вакуума и газовых сред его величина составляет Кз = 1,2 - 2,0, а для герметизации жидких сред Кз = 2,0 - 3,0.
Чем выше критический перепад давлений, тем выше коэффициент запаса по давлению и, как следствие, ресурс работы МЖГ.
На основании вышесказанного разработаны новые конструкции МЖГ. Основные направления создания конструкций заключались в следующем:
- применение нескольких последовательно установленных ступеней МЖГ;
- увеличение числа зубцов в осевом или радиальном направлениях;
- создание конструкции магнитожид-костного герметизатора, в которой единичный зубец, находящейся в контакте с жидкой средой работает при отсутствии перепада давлений среды;
- разработка комбинированных магни-тожидкостных герметизаторов.
На рис. 1 представлена конструкция двухступенчатого герметизатора, каждая из ступеней которого имеет восемь единичных уплотнителей.
раб
Рис. 1. Двухступенчатый магнитожидкостный герметизатор: 1 - полюсные приставки, 2 - вал,
3 - магнитная жидкость,
4 - постоянные магниты, 5 - заправочный канал
Ступень герметизатора состоит из полюсных приставок 1, концентрически охватывающих вал 2 и образующих рабочий зазор 8, заполненный магнитной жидкостью 3. К торцевым поверхностям полюсных приставок примыкают постоянные магниты 4. Между внутренними торцевыми поверхностями полюсных приставок 1 предусмотрен заправочный канал 5. Через этот канал осуществляется равномерная заправка всех зубцов герметизатора необходимым объёмом магнитной жидко-
сти. Равномерность рабочего зазора между ступенями МЖГ обеспечивается установкой подшипников качения.
Аналогичный результат достигается при увеличении числа рабочих зазоров в радиальном направлении. Через все рабочие зазоры проходит магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом [5].
Магнитный узел МЖГ (рис. 2) состоит из постоянного магнита 1, к которому примыкают магнитопроводные кольца 2, установленные в немагнитопроводный корпус 3, а полюсные
приставки 4 жёстко соединены немагнитопро-водными втулками 5 в единый блок. На герметизируемый вал 6 установлена составная втулка из немагнитопроводной втулки 7 и магнито-проводных колец 8 и 9. Рабочие зазоры б1, б2, б3 заполнены магнитной жидкостью 10, которая удерживается в них пондеромоторной силой.
Магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом, проходит шесть рабочих зазоров, увеличивая количество барьеров на пути герметизируемой среды. На полюсных приставках, обращённых к валу, и на обеих цилиндрических поверхностях магнитопроводных частей составной втулки выполнены зубцы.
Рис. 2. Магнитожидкостный герметизатор с несколькими рабочими зазорами в радиальном направлении: 1 - постоянный магнит, 2 - магнитопро-водные кольца, 3 - немагнитопроводный
корпус, 4 - полюсные приставки, 5 - немагнитопроводные втулки, 6 - вал, 7 - втулка из немагнитопроводного материала, 8, 9 - магнитопроводные кольца, 10 - магнитная жидкость
Кроме монолитных постоянных магнитов источниками магнитного поля в МЖГ могут являться магнитные эластомерные материалы. Они представляют собой эластомерную основу, содержащую в себе мелкодисперсную фазу магнитного материала. Примером магни-тоэластомеров может послужить РМ-37, изготовленный из резины и содержащий самарий -кобальтовый магнитный наполнитель. В последнее время широко используется магнитный винил с различными магнитными наполнителями. Достоинством магнитоэластомеров является изготовление из них изделий любой конфигурации.
Сохраняя принцип построения магни-тожидкостных герметизаторов, основанный на формировании зубцовой зоны обеспечивающей большую величину перепада давлений материала с использованием магнитного эла-стомерного материала возможно создать герметизатор имеющий меньшие габаритные размеры.
Конструкция такого герметизатора (рис. 3) состоит из корпуса 1, изготовленного из полимерного материала, в который устанавливаются магнитоэластомерные 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 немагнитно-
го материала составляет не менее 50% толщины магнитных эластомерных шайб. Количество шайб может изменяться в зависимости от назначения уплотнения. Шайбы фиксируются в корпусе при помощи крышки 4. Герметизатор в сборе устанавливается на вал 5. Магнитная жидкость 6 помещается в область между магнитными эластомерными шайбами 2 и валом 5 и удерживается в этой области магнитными силами.
4
2
3
Рис. 3. Герметизатор с магнитными эластомерными шайбами: 1 - корпус, 2 - магнитоэластомерные шайбы,
3 - шайбы из немагнитного материала, 4 - крышка; 5 - вал, 6 - магнитная жидкость
6
5
По результатам расчетов магнитных полей такого герметизатора [7] установлено, что величина магнитной индукции в рабочем зазоре составляет порядка 0,12 Тл, что значительно ниже по сравнению с уплотнениями, имеющими постоянные магниты [1]. Это обусловлено более низкими значениями остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы магнитного эластомерного материала. Однако, данный недостаток компенсируется практическим отсутствием зазора между валом и рабочей поверхностью магнитной эластомерной шайбы. За счет этого компенсация перепада давлений обеспечивается так же посредством контакта магнитных эластомерных шайб с валом, как, например, в манжетных уплотнениях. Проблемы, связанные с трением магнитных эластомерных шайб с валом нивелируются за счет использования магнитной жидкости в качестве смазки [8].
Выбор одного из этих вариантов будет зависеть от удобства и возможности их монтажа для герметизации вала пожарного насоса. Преимущество каждой конструкции связано с
рациональным значением осевых или радиальных размеров в каждом конкретном случае.
Одним из конструктивных путей является создание конструкций герметизаторов, в которых уплотнитель, расположенный в непосредственном контакте с герметизируемой водой, работает без перепада давлений и осуществляет только герметизацию жидкой среды. Все остальные уплотнители работают как МЖГ газовой среды.
Это достигается выполнением каналов воздушной связи в межзубцовом пространстве с внешней воздушной средой.
Для экспериментальной оценки гидродинамического взаимодействия МЖ с водой был разработан однозубцовый стенд (рис. 4) с диаметром герметизируемого вала d=20 мм, шагом зубца Ь=3 мм, величиной площадки при основании 1=0,3 мм и углом 450 [6]. Зубец имел форму прямоугольной трапеции. Максимальная магнитная индукция в рабочем зазоре 6=0,15 мм, определена в среде ЕЮит расчётным путём и составила Втах=1,25 Тл. Скорость вращения герметизируемого вала была постоянной и равной 4 м/с, температура воды 293 К.
Рис. 4. Испытательный стенд: 1 - постоянный магнит, 2 - полюсные приставки, 3 - вал, 4 - зубцы, 5 - немагнитный корпус, 6 - подшипник, 7 - электропривод, 8 - крышка, 9 - манометр, 10 - внутренний объем, заполняемый водой, 11 - штуцер, 12 - канал
Стенд включает в себя магнитный узел, состоящий из постоянного магнита 1, к торцевым поверхностям которого примыкают полюсные приставки 2, охватывающие вращающийся вал 3 на котором выполнены зубцы 4. Под одной из полюсных приставок выполнен один зубец, который предназначен для прове-
дения исследований. Под другой полюсной приставкой выполнено несколько зубцов, что позволяет обеспечить большую величину критического перепада давлений.
Вращающийся вал 3 установлен в не-магнитопроводный корпус 5 через подшипник 6. Вал приводится во вращение электроприводом 7, имеющим возможность регулирования
скорости вращения. Для контроля перепада давлений в крышке 8 установлен манометр 9. Объём 10, образованный между крышкой 8 и единичным зубцом заполнен водой. Для заправки воды в этот объём и создания требуемого давления предусмотрен штуцер 11.
Критерием оценки работоспособности герметизатора являлось изменение критического перепада давлений до и после контакта МЖ с водой. Под критическим перепадом давлений понимают перепад давлений, при котором происходит разгерметизация МЖГ. В этом случае вода вытекает из герметичного объёма через канал 12.
Методика испытаний состояла в следующем: после заправки МЖ в рабочий зазор, вал приводился во вращение и определялся критический перепад давлений ЛР1. По истечении 8 часов контакта МЖ с водой определялся критический перепад давлений ЛР2. Затем фиксировалось его изменение. Для каждой МЖ испытания необходимо проводить при равномерном дублировании с числом параллельных опытов п=3.
Первоначально проводятся краткосрочные испытания в течение 8 часов. Затем оценивают работоспособность МЖ в контакте с жидкой средой. После анализа полученных результатов и перезаправки стенда приступают к долгосрочным испытаниям в течение 500 - 1000 часов. Аналогичная оценка работоспособности проводится для магнитных жидкостей, изготовленных на разной основе: крем-
нийорганической, фторорганической, на основе масел с различным значением пластической вязкости и величиной намагниченности насыщения МЖ.
Полученные расчётные и экспериментальные результаты исследований позволили получить рациональные размеры зубцовой зоны магнитожидкостных герметизаторов насосов пожарной техники. Шаг зубца 3-4 мм, величина площадки при основании зубца 0,30,4 мм, максимальное значение магнитной индукции под зубцом 1,2 Тл, при скорости вращения вала до 4 м/с и 1,4-1,5 Тл при скорости вращения вала до 8 м/с. Величина рабочего зазора должна составлять 0,15-0,20 мм, угол при основании зубца 450. Зубец должен иметь форму прямоугольной трапеции. Для уменьшения площади контакта МЖ с герметизируемой средой зубцы полюсной приставки герметизатора должны быть обращены прямым углом к герметизируемой среде.
Таким образом, в ходе выполнения работы предложены конструкции магнитожид-костных герметизаторов, предназначенных для уплотнения вращающихся валов пожарных насосов. Предложен критерий оценки работоспособности магнитожидкостных герметизаторов. Даны рекомендации по размерам зубцо-вой зоны МЖГ и параметрам магнитного поля в рабочем зазоре герметизатора. Предложен способ защиты магнитной жидкости от непосредственного контакта с герметизируемой средой.
Список литературы
1. Сайкин М. С. Разработка и анализ конструкций герметизаторов на основе магнитных наножидкостей для технологического оборудования // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т.12. № 1-2. С.499-503.
2. Курченков А. Г. Магнитные жидкости - новый эффективный материал // Механизация и автоматизация. 1990. № 4. С.21-25.
3. Лебедев В. Д., Сайкин М. С. К вопросу применения магнитожидкостных герметизаторов для электротехнологического оборудования // XII Бенардосовские чтения: материалы Международной научно-технической конференции. Иваново, 2005. С. 112-117.
4. Практическое применение магнито-жидкостных уплотнений, разработанных в СКТБ «Полюс» / Ю. О. Михалёв [и др.] // Сборник научных трудов 8-й международной Плёс-ской конференции по магнитным жидкостям. Плёс, 1998. С.201-203.
5. Патент на полезную модель Ри № 18431 Магнитожидкостное уплотнение / Ба-усов А. М., Сайкин М. С.; №2001100059/20 за-явл. 05.01.2001; опубл. 20.06.2001.
6. Демиденко О. В., Арефьев И. М., Сайкин М. С. Численное и экспериментальное исследование однозубцового магнитожидкост-ного уплотнителя // Сборник научных трудов 17-й международной Плёсской научной конференции по нанодисперсным магнитным жидкостям. Плёс, 2016. С.373-379.
7. Топоров А. В., Палин Д. Ю., Киселев В. В. Расчет магнитной системы комбинированного магнитожидкостного уплотнения // Современные проблемы гражданской защиты. 2019. № 2 (31). С. 83-89.
8. Топоров А. В., Кропотова Н. А., Колобов М. Ю. Исследование влияния магнитной жидкости на трение эластомерного материала по металлу // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. 2017. № 2(50). С. 86-90.
References
1. Sajkin M. S. Razrabotka i analiz kon-strukcij germetizatorov na osnove magnitnyh nanozhidkostej dlya tekhnologicheskogo obo-rudovaniya [Development and analysis of sealer designs based on magnetic nanofluids for process equipment]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk, 2010, vol. 12, issue 1-2, pp. 499-503.
2. Kurchenkov A. G. Magnitnye zhidkosti - novyj effektivnyj material [Magnetic liquids - a new effective material]. Mekhanizaciya i avtoma-tizaciya, 1990, issue 4, pp. 21-25.
3. Lebedev V. D., Sajkin M. S. K voprosu primeneniya magnitozhidkostnyh germetizatorov dlya elektrotekhnologicheskogo oborudovaniya [To the application of the magnetic liquid dock for electrotechnological equipment]. XII Benar-dosovskie chteniya: мaterialy Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. Ivanovo, 2005, pp. 112-117.
4. Prakticheskoe primenenie magnitozhidkostnyh uplotnenij, razrabotannyh v SKTB «Polyus» [The practical application of the magnetic liquid seal developed at the SKTB «Polyus»] / Yu. O. Mihalyov [and etc.]. Sbornik nauchnyh tru-dov 8-j mezhdunarodnoj Plyosskoj konferencii po magnitnym zhidkostyam. Ples, 1998, pp. 201203.
5. Bausov A. M., Sajkin M. S. Magnito-zhidkostnoe uplotnenie [Magnetic fluid seal], Patent Rossiyskaya Federatsiya 18431 №2001100059/20 zayavl. 05.01.2001; opubl. 20.06.2001.
6. Demidenko O. V., Arefev I. M., Sajkin M. S. Chislennoe i eksperimental'noe issledo-vanie odnozubcovogo magnitozhidkostnogo up-lotnitelya [Numerical and experimental study of a single- tooth magnetofluidic sealer]. Sbornik nauchnyh trudov 17-j mezhdunarodnoj Plyosskoj nauchnoj konferencii po nanodispersnym magnitnym zhidkostyam. Ples, 2016, pp. 373-379.
7. Toporov A. V., Palin D. Yu., Kiselev V. V. Raschet magnitnoj sistemy kom-binirovannogo magnitozhidkostnogo uplotneniya [The calculation of the magnetic system of a combined magnetic fluid seal]. Sovremennye prob-lemy grazhdanskoj zashchity, 2019, vol. 2(31), pp. 83-89.
8. Toporov A. V., Kropotova N. A., Kolobov M. Yu. Issledovanie vliyaniya magnitnoj zhidkosti na trenie elastomernogo materiala po metallu [Investigation of the influence of a magnetic fluid on the friction of an elastomeric material on a metal]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii. Regional'noe prilozhenie, 2017, vol. 2(50), pp. 86-90.
Сайкин Михаил Сергеевич
ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: saikinms@mail.ru
Saykin Mikhail Sergeevich
Federal State-Financed Educational of Higher Education «Ivanovo State Power University named after V.I. Lenin».
Russian Federation, Ivanovo
candidate of tech. sciences, assistant professor
E-mail: saikinms@mail.ru
Топоров Алексей Валериевич
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: ironaxe@mail.ru
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: ironaxe@mail.ru
Топорова Ева Александровна
ФГБОУ ВО «Ивановский государственный политехнический университет»
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук
evatopor@mail.ru
Toporovа Eva Aleksandrovna
Federal State-Financed Educational of Higher Education of «Ivanovo state Polytechnic University». Russian Federation, Ivanovo candidate of tech. sciences E-mail: evatopor@mail.ru
