лотнений, применяемых при возвратно-поступательном движении [25].

Элементы конструкции и расчет маг-нитожидкостных уплотнений. Существуют два типа конструкций магнито-жидкостных уплотнений валов - с маг-нитопроницаемым валом (рис. 11.27, а) и немагнитным валом (рис. 11.27, 6) [17].

При радиальном смещении магнито-проницаемого вала возникает сила магнитного притяжения в сторону смещения, поэтому в таких конструкциях вал должен быть строго центрирован, чтобы исключить его касание с полюсными наконечниками. Перепад давлений среды, который может выдержать уплотнение, в сильной степени зависит от формы поверхности полюсного наконечника, обращенной к валу, и зазора между ними. Некоторые формы поверхностей применяемых наконечников показаны на рис. 11.28. Каждый такой элемент, называемый ступенью уплотнения, может выдерживать перепад давлений 0,03 - 0,035 МПа. С превышением этих значений происходит пробой уплотнения, однако при последующем уменьшении

Рис. 11.27. Типы магнитожидкостных уплотнений :

а - с магнитопроницаемым валом; б - с немагнитным валом (/ - полюсная проставка; 2 - вал; i - кольцеобразный магнит)

Рис. 11.28. Сечения полюсных наконечников (А - высота гребня ступени; 5 - зазор)

перепада давлений герметичность уплотнения восстанавливается, так как магнитная жидкость не теряется при пробое уплотнения. Последовательные стадии потери герметичности - пробоя ступени уплотнения при повышении перепада давлений показаны на рис. 11.29 [34]. На рис. 11.29,6 магнитная жидкость находится под нулевым перепадом давлений. С его увеличением появляется щель между валом и жидкостью, сокращающая протяженность контактной зоны. При дальнейшем повышении перепада давлений происходит пробой уплотнения (рис. 11.29, д).

При малом числе ступеней предельный перепад мал вследствие насыщения железа магнитным полем, при чрезмерном увеличении числа ступеней напряженность магнитного поля, приходящаяся на одну ступень, уменьшается и удерживаемый уплотнением перепад давлений уменьшается, поэтому зависимость Артах (О имеет максимум (рис. 11.30) [17]. Перепад давлений, приходящийся

а) г)

Рис. 11.29. Схема потери герметичности ступенью магнитожидкостного уплотнения: а - зазор между валом и корпусом в ступени (показаны магнитные силовые линии); 6 - ступень, заполненная магнитной жидкостью; в - магнитная жидкость, деформированная перепадом давлений; г - возникновение щели между валом и магнитной жидкостью под действием повышенного перепада давлений; д - пробой ступени и возникновение утечки уплотняемой среды; е - восстановление герметизирующей способности ступени при снижении перепада давлений

0,18

а 16 6)

Рис. 11.30. Зависимость (б) перепада давлений пробоя от числа ступеней уплотнения (а): I - вал; 2 - немагнитная жидкость; i - магнитная жидкость; 4 - корпус

на одну ступень, пропорционален напряженности магнитного поля и индукции магнитного насыщения магнитной жидкости [34]. В большинстве практических случаев на каждую ступень приходится около 0,01 МПа. При этом устанавливают около 20 ступеней. Из них десять воспринимают весь перепад давлений, а десять находятся в резерве. Общая осевая длина такого уплотнения вместе с магнитом составляет около 25 мм. Полный перепад давлений газа между ступенями распределяется неравномерно. Чтобы повысить перепад давлений пробоя путем более равно-

1 Ртах. МПа

0,0700

Рис. 11.31. Зависимость перепада давлений пробоя от зазора и - размеров магнита (стрелкой показано направление увеличения размеров магнита)

14 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова

мерного распределения давления, пространство между ступенями иногда заполняют нейтральной немагнитной жидкостью- [17].

С увеличением размеров магнита и уменьшением зазора 6 (см. рис. 11.28) перепад давлений пробоя уплотнения увеличивается (рис. 11.31). Аналогичные результаты приведены на рис. 11.32 и 11.33 [17].

Из конструктивных соображений радиальный зазор обычно выбирают в пределах 0,05-0,25 мм.

Экспериментально установлено, что при определенном зазоре 8 существует оптимальное соотношение /i/S (см. рис. 11.28), при котором давление пробоя максимально. При 5 = 0,15 мм оптимальное соотношение /i/6 = 26...29. Наличие оптимума можно объяснить следующим образом: при малых h осевая неравномерность магнитного поля мала и, следовательно, мало давление пробоя; с увеличением h неравномерность магнитного поля in перепад давлений пробоя увеличиваются, однако при очень большом h магнитное сопротивление гребня настолько велико, что ослабляет напряженность магнитного поля и перепад давлений пробоя уменьшается. С увеличением частоты вращения вала перепад давлений пробоя уплотнения убывает (рис. 11.34). Влияние

Ар, МПа

0,05 0,1 0,15 6, мм

Рис. 11.32. Зависимость перепада давлений пробоя от зазора для одной ступени при частоте вращения п = О, магнитной ин,1укции насыщения Bg = 0,0080 (сплошные ;шнии) и Bs = 0,0036 (штрихпунктирные) и различной силе тока в электромагните

йр, МПа

О, г

20 1,А

Рис. 11.33. Зависимость перепада давлений пробоя уплотнения (см. рис. 11.38) от силы тока в электромагните при ft/5 = 20; для различных магнитных жидкостей (А - на основе керосина; □ - на основе бутилсило-ксана; х - на основе веретенного масла) при разных частотах вращения (- п = 0; ---п = 3000 мин;----(1 = 0, одна ступень):

; - Bs = 0,0036 Тл; 2, 4, 8 - Bj = 0,0060 Тл; 3 -Bs = 0,0080 Тл;

частоты вращения на перепад давлений пробоя объясняется тем, что при больших частотах вращения увеличиваются силы инерции вращения, действующие на жидкость, повышается температура магнитной жидкости, вследствие чего снижается ее вязкость. Для магнитных жидкостей установлена предельная температура (105 °С) [34], при превышении которой жидкость теряет

Лр, МПа

9 п-101ман-

Рис. 11.34. Зависимость перепада давлений пробоя уплотнения с d = 24,8 мм от частоты вращения вала для магнитных жидкостей на основе:

) - керосина; 2 - веретенного масла; 3 - бутил-силоксаиа

способность герметизировать зазор уплотнения вследствие химических реакций в магнитной жидкости. Установлен также предел применимости уплотнений по окружной скорости вращения валов 60 - 80 м/с, который обусловлен повышением температуры в слое жидкости вследствие трения (нижний температурный предел -40°С). В табл. 11.1 приведены некоторые физические характеристики магнитных жидкостей фирмы «Мацумото юси сэйяку КО» (Япония).

Экспериментальное исследование уплотнений с применением магнитной жидкости FW-40 и жидкостей на основе керосина с = 0,0080 Тл и на основе трансформаторного масла с В = = 0,0037 Тл показало, что по давлению

Таблица 11.1

Физические характеристики магнит ных жидкостей фирмы «Мацюмото юси сэйяку КО» (Япония)

пробоя последние жидкости лишь немного уступают жидкости FW-40.

При оценке магнитной жидкости важным фактором является испаряемость несущей жидкости. Чем ниже давление паров несущей жидкости, тем она долговечнее. Так, в вакууме с площади 1 см при 90 °С испаряется 0,035 см диэфира за год [34]. Давление паров диэфира при нормальной температуре составляет 0,133 Па. Фтор-органические жидкости, характеризующиеся высокой стойкостью к радиации, имеют низкое давление паров. Давление паров полифенилэфира при нормальной температуре составляет 1,33-10" Па, однако из-за дефицитности его применение в качестве несущей жидкости ограничено.

В настоящее время не существует единой методики расчета магнитожидкостных уплотнений. Имеются лишь различные подходы к расчету. Наиболее простая зависимость выражает прямую пропорциональность максимального перепада давлений ступени индукции насыщения магнитной жидкости и напряженности магнитного поля [17]:

= 0,25ВЯ/я,

где Bj - магнитная индукция насыщения, Тл; Я - напряженность магнитного поля, А/м.

Эта зависимость справедлива при Я > 250 А/м.

Если магнитная жидкость намагничена до полного насыщения по всему объему, максимальный перепад давлений ступени [3]

Ар~В,{В2-В,),

где Bi, В2 - индукции магнитного поля в зазорах h к Ъ.

Зависимость, полученная из условия равенства работы, совершаемой магнитным полем, работе вытеснения магнитной жидкости при увеличении перепада давлений, имеет вид [1]

Др ~ \ioBHllh,

где Хо - магнитная проницаемость в вакууме; В - индукция жидкости; Я - напряженность магнитного поля; I-осевая длина слоя жидкости; h - половина высоты слоя жидкости.

В последней зависимости В обычно соответствует В, а отношение НЦ мало.

В работе [7] предложена магнитно-капиллярная модель слоя жидкости, которая состоит из решетки, образованной магнитными частицами, заполненной вязкой жидкостью. В полученной зависимости для максимального перепада давлений учтены силы поверхностного натяжения жидкости и силы взаимодействия с магнитным полем.

Магнитные жидкости по реологи- ческим свойствам близки к ньютоновским жидкостям. Под воздействием магнитного поля их вязкость несколько увеличивается и появляется статическая сила трения. С учетом незначительности этих эффектов потери энергии N, Вт, на трение в уплотнении вращающегося вала вычисляют по обычной формуле для трения вязкой несжимаемой жидкости [34]

N = 3,4510-щn<

где р - вязкость жидкости. Па-с; i - число ступеней уплотнения; п - частота вращения, мин"; d - диаметр вала, мм.

Потери энергии не зависят от перепада давлений в уплотнении. После стоянки момент трения увеличивается, но при пуске через несколько секунд принимает установившееся значение.

Наибольшее применение магнитожидкостные уплотнения нашли в вакуум}юй технике при давлении до 1,33-10" Па. Налажен серийный выпуск уплотнений для подшипников качения [34]. Срок службы (2 года) одной ступени такого уплотнения определяется испарением магнитной жидкости. По истечении этого срока автоматически включается следующая ступень уплотнения. Общий срок службы уплотнения составляет 5 лет.

На рис. 11.35 показано уплотнение, разработанное в Ивановском энергети-

Щелевые уплотнения

Механизм герметизациц

Рис. 11.35. Магнитожидкостное уплотнение для вакуумных систем (межполюсное пространство полностью заполнено магнитной жидкостью)

ческом институте им. В. И. Ленина для вакуумных систем [17].

На рис. 11.36 показано уплотнение фирмы «Феррофлюидекс» (США). При испытаниях этого уплотнения с частотой вращения вала 3450 мин" в течение 13 000 ч никаких повреждений обнаружено не было. Другое уплотнение проработало при 75 ООО мин вала при перепаде давлений 4,2 МПа. Фирма серийно выпускает уплотнения для валов с частотой вращения до 10000 мин~\ перепадов давлений 0,14 - 0,42 МПа, температур 65 и 100 °С (допускаемое биение вала не более 0,025 мм) [17].

Магнитожидкостные уплотнения эффективны, когда недопустимо попадание твердых частиц из внещней среды в механизм и само уплотнение не должно выделять продуктов изнашивания. Типичным примером таких уплотнений являются уплотнения магнитных записывающих дисков ЭВМ. Весьма перспективно применение магнитожидкостных уплотнений в вентиляторах и центрифугах.

При повышенном содержании в окружающей среде твердых частиц.

В заключение можно отметить следую- высокая долговечность, незначительные щие преимущества магнитожидкостных утечки; высокая частота вращения, уплотнений: минимальное обслуживание, отсутствие износа.

Рис, 11.37. Магнитожидкостное уплотнение с торцовым расположением щелей [17]: / - немагнитная шайба; 2 - немагнитный вал

обладающих магнитными свойствами, они могут попадать в магнитную жидкость, ухудшать ее герметизирующие свойства и в конечном счете выводить из строя уплотнение. Сильные растворители (ацетон) разрушают магнитную жидкость.

Уплотнения со щелью, расположенной вдоль поверхности вала (см. рис. 11.35), чувствительны к радиальным биениям. В этих случаях рекомендуются уплотнения с торцовым расположением щелей (рис. 11.37).

Чтобы повысить выдерживаемый перепад давлений жидкой среды, предлагается конструкция комбинированного уплотнения - винтового с магнитожид-костным (рис. 11.38). Винтовое уплотнение воспринимает основную часть перепада давлений, магнитожидкостное не допускает выхода наружу паров жидкости и ее утечек на стоянке.

Значительное число различных конструкций уплотнений и их классификация даны в работе [25].

Глава

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИМПЕЛЛЕРНЫЕ И СТОЯНОЧНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ

Рис. 11.36. Магнитожидкостное уплотнение Рис. 11.38. Комбинированное уплотнение: со ступенями, выполненными на втулке ; - винтовое; 2 - магнитожидкостное

12.1. Механизм герметизации

Бесконтактные уплотнения динамического типа, к которым относят гидродинамические импеллерные и винтовые уплотнения, динамические гидрозатворы и стояночные уплотнения, характеризуются тем, что их работа непосредственно зависит от частоты вращения вала.

К динамическим уплотнениям можно отнести также уплотнения эжекторного-типа [12], которые в настоящее время не получили широкого распространения (поэтому здесь не рассмотрены).

Гидродинамические уплотнения выполняют функцию герметизации при вращении вала - создаваемое ими противодавление препятствует вытеканию жидкости или газа из машин наружу. При остановках машины функции герметизации выполняют стояночные уплотнения. В связи с этим на практике применяют динамические уплотнения, состоящие из гидродинамического и стояночного уплотнений, действующих в различные моменты времени и практически независимо одно от другого.

Существуют конструкции насосов, в которых гидродинамические импеллерные уплотнения применяют для разгрузки от давления обычных торцовых или сальниковых уплотнений (рис. 12.1). Некоторые гидрозатворы используют без стояночных уплотнений. Иногда стояночные уплотнения устанавливают в качестве аварийных или вспомогательных уплотнений.

Благодаря ртсутствию механического трения в динамических уплотнениях

(за исключением кратковременных пусков и остановок машины, когда работают стояночные уплотнения) их успешно применяют при больших частотах вращения валов. При этом эффективность их действия увеличивается с увеличением частоты вращения валов.

Как и торцовые уплотнения, динамические уплотнения не требуют обслуживания в период работы, отличаются достаточно высокой герметичностью и износостойкостью.

В зависимости от принципа действия и соответствующих конструктивных особенностей гидродинамические уплотнения подразделяюссла винтовые, лаби-ринтно-винтовые, импеллерные и динамические гидрозатворы.

Винтовые уплотнения состоят из гладкой втулки / и вращающегося винта 2

Рис. 12.1. Центробежный насос с импеллером для разгрузки сальника от давления: / - рабочее колесо насоса; 2 - импеллер; 3 - сальниковое уплотнение