Механизм работы комбинированного магнитожидкостного уплотнения

Размещено на http://www.allbest.ru

Механизм работы комбинированного магнитожидкостного уплотнения

Топоров Алексей Валериевич,

преподаватель

Ивановская пожарно-спасательная

академия ГПС МЧС России

Топорова Ева Александровна,

кандидат наук, доцент

Ивановский государственный

политехнический университет

Герметичность уплотнения является одним из основных показателей его работоспособности. Характеристикой герметичности уплотнения является отсутствие утечек при определенной разности давлений окружающей и уплотняемой сред. Чтобы дать оценку герметичности манжетного магнитожидкостного уплотнения необходимо изучить механизм его работы.

Известно, что в манжетных уплотнениях для увеличения их герметичности и срока службы используются смазочные масла. Их подача в область трения может осуществляться например за счет гидродинамических сил, как в манжетах активного типа [1]. В случае применения в качестве смазки магнитной жидкости ее подача в область трения кромки манжеты и вала осуществляется за счет магнитных сил, действующих на МЖ.

На рис. 1а представлено уплотнение состоящее из манжеты и магнитной системы, создающей магнитное поле с наибольшей напряженностью в области кромки манжеты. Такое уплотнение можно условно разделить на две части -- магнитное уплотнение и манжетное уплотнение.

В статическом режиме при отсутствии внешнего перепада давлений МЖ занимает симметричное положение относительно кромки манжеты, как показано на рис. 1б, так, что значения магнитной энергии на ее свободных поверхностях одинаковы. При наложении внешнего перепада давлений МЖ смещается в направлении его действия до критического положения рис. 1 в, при котором дальнейшее увеличение перепада давлений приведет к пробою магнитожидкостной пробки.

герметичность уплотнение работоспособность магнитожидкостный

Рисунок 1. Работа магнитожидкостного уплотнения -- а -- комбинированное манжетное -- магнитожидкостное уплотнение, б -- положение МЖ в рабочей области при DР=0, в -- положение МЖ в рабочей области при DР>0, в -- распределение магнитной индукции в рабочей области уплотнения

МЖ имеет насыщение при достаточно низкой напряженности магнитного поля, поэтому можно считать, что М=Мs, где Мs -- намагниченность насыщения магнитной жидкости, тогда получим

 (1)

Обычно в уплотнениях Hmax >>Hmin поэтому критический перепад давлений определяется как

 (2)

Напряженность в КМЖУ несколько ниже чем в МЖУ и составляет порядка 0.3 мА/м, намагниченность насыщения МЖ обычно находится в пределах 20 -- 60КА/м, при этих условиях DР составляет порядка 0.01МПа. Однако, как показывают исследования [1,3] удерживаемый МЖУ критический перепад давлений в динамическом режиме, в зависимости от скорости вращения, снижается по сравнению со статическим режимом в 2 -3 раза. Поскольку в отличие от МЖУ комбинированное уплотнение имеет лишь одну область концентрации МЖ, удерживаемый магнитной ступенью перепад давлений будет составлять порядка 0.003 -- 0.005Мпа. Такое снижение удерживаемого перепада давлений в динамическом режиме происходит вследствие влияния на положение МЖ ряда факторов, таких как центробежные силы, эксцентриситет вала и других [1, 4].

Механизм герметизации манжетного уплотнения в статическом режиме заключается в заполнении под действием контактного давления микронеровностей вала материалом рабочего элемента уплотнения.

Основываясь на теории трения эластомера по металлу [2] можно представить механизм работы манжетного уплотнения в динамическом режиме.

В момент страгивания смазочный материал в области трения отсутствует. Кромка манжеты отрывается от вала и происходит утечка уплотняемой среды через образовавшиеся между валом и кромкой манжеты микрощели. В момент пуска происходит разгерметизация уплотнения, характеризуемая 2-3 классом негерметичности [1].

При страгивании сила трения и интенсивность изнашивания имеют максимальное значения [2]. Поэтому, в момент страгивания крайне необходимо обеспечить наличие смазочного материала в области контакта рабочего элемента уплотнения с валом.

При вращении вала под действием сил трения участки кромки манжеты увлекаются в направлении его движения. Помимо этого каждая

точка кромки манжеты совершает радиальные перемещения для восстановления контакта с валом, совершающим радиальные перемещения вследствие биения. Под влиянием этих факторов точки кромки манжеты совершают движения, траектории которых похожи на элипсы рис. 1 [1]. Движение от центра происходит вследствие возмущающего воздействия поверхности твердого тела со скоростью набегания неровности поверхности. Движение к центру и против скольжения происходит под действием упругих и высокоэластичных напряжений со скоростью восстановления формы материала. На каждый элемент эластомера также действуют силы инерции, возникающие при рассматриваемых движениях. При низкой частоте вращения вала амплитуда колебаний точек кромки равна величине эксцентриситета, т.е. каждая кромка манжеты повторяет радиальные перемещения вала. С увеличением частоты вращения амплитуда колебаний точек кромки манжеты уменьшается, т.е. контакт между кромкой и валом восстанавливается с некоторым запаздыванием. За время запаздывания вал поворачивается на определенный угол. При повороте вала вследствие эксцентриситета возникает зазор между валом и кромкой. Величина зазора определяется разностью эксцентриситета вала и амплитуды колебания точек кромки. Величина зазора зависит от ряда параметров, основными из которых являются: частота вращения вала, эксцентриситет вала, жесткость эластомерного материала, конфигурация кромки манжеты, сила трения.

Нужно отметить, что радиальные колебания совершает каждая точка кромки манжеты. При этом появившийся при определенной частоте вращения вала зазор перемещается по окружности кромки манжеты со скоростью вращения вала.

Определение величины зазора связано с решением сложной задачи упругоэластичной деформации эластомера.

Проведенные исследования [1, 5, 6, 7] показали, что зазоры между кромкой и валом возникают уже при частотах вращения порядка 600 -- 800об/мин. С ростом частоты вращения амплитуда колебаний кромки манжеты достигает определенного значения и практически не изменяется. Величина зазора, по данным этих же исследований составляет 20 -50% от величины эксцентриситета вала.

Возникающие зазоры могут являться причиной гарантированной утечки уплотняемой среды через уплотнение. Для традиционных манжетных уплотнений согласно действующим нормативам [1] допускаются утечки, составляющие 3 -5 капель в час (класс негерметичности 2-2).

Удерживаемый манжетным уплотнением перепад давление определяется уравнением [1, 7]:

 (3)

где Рк -- контактное давление

Контактное давление в манжете создается за счет растяжения губки манжеты, изгиба губки манжеты, от растяжения пружины, от давлений уплотняемой и окружающей сред на профиль губки манжеты. В манжетах с нажимной пружиной контактное давление может в определенных пределах регулироваться за счет изменения усилия пружины. Зависимость контактного давления от перепада давлений может быть выражена очень сильно, так как давления с различных сторон действуют на всю поверхность губки манжеты, а контактное давление лишь на узкую кромку шириной 0.2 -- 0.8 мм. Увеличение перепада давлений на 0.5 МПа вызывает увеличение контактного давления, что приводит к значительному возрастанию момента трения, повышению износа кромки манжеты и может стать причиной разрушения кромки манжеты от скручивания [1]. В этом случае работоспособность манжеты в значительной мере определяется наличием в области трения и качеством смазочного материала, применяемого для смазывания кромки манжеты. Чем лучше смазочные свойства смазки, тем выше допустимое контактное давление, тем больше удерживаемый перепад давлений.

Представим механизм работы комбинированного уплотнения. В статическом режиме герметизация обеспечивается за счет плотно прилегающей к валу кромки манжеты. Магнитное уплотнение в этом случае практически не играет никакой роли.

В динамическом режиме в зависимости от скорости вращения между кромкой манжеты и валом образуются и исчезают капилляры и микрощели. В зависимости от перепада давлений возможно несколько режимов работы уплотнения:

DР < DРм Так как кромка манжеты находится в слое МЖ а величины магнитной энергии достаточно для компенсирования перепада давлений, уплотнение осуществляется за счет магнитной ступени. При этом исключаются какие -- либо утечки рис. 1 а,б.

DР > DРм В этом случае возможен пробой магнитожидкостного уплотнения через возникающий между кромкой манжеты и валом зазор и возникновение утечек через уплотнение рис. 2в.

Независимо от режима работы комбинированного уплотнения через образовавшиеся капилляры происходит проникновение под трущуюся кромку манжеты магнитной жидкости. В этом случае МЖ выполняет функции смазочного материала и осуществляет процесс смазки.

Поэтому, применение МЖ может значительно снизить износ трущихся частей и увеличить ресурс уплотнения.

При этом в области трения магнитными силами удерживается значительное количество МЖ, достаточное для удовлетворительной смазки тел трения. Магитные силы так же препятствуют исчезновению смази из области трения в следствии разбрызгивания.

Список литературы

1. Уплотнения и уплотнительная техника : Справочник / А.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.Б. Овандер и др.; Под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986- 464 с., ил.

2. Мур Д. Трение и смазка эластомеров. США, 1972. Пер. с англ. к.т.н. Г.И. Бродского. М.: Химия, 1977. - 262 с.

3. Киселев, В.В. Перспективы применения магнитожидкостных устройств в пожарной и аварийно-спасательной технике / В.В. Киселев, А.В. Топоров, П.В. Пучков Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. Химки, 2010. № 2. С. 63-64.

4. Киселев, В.В. Повышение надёжности пожарной техники применением модернизированных смазочных материалов / В.В. Киселев, А.В. Топоров, П.В.Пучков Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. Химки, 2010. № 3. С. 24-28.

5. Топоров, А.В. Анализ конструкций контактных уплотнений NovaInfo.Ru. 2016. Т. 2. № 54. С. 55-57.

6. Топоров, А.В. Применение метода конечных элементов для расчета магнитных систем магнитожидкостных устройств / А.В. Топоров, Н.А. Кропотова, А.Н. Мальцев, Е.А. Топорова, К.М. Волкова В сборнике: Фундаментальные и прикладные вопросы науки и образования сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции: в 2-х частях. 2016. С. 54-56.

7. Русанов М.А. Разработка торцового комбинированного магнитожидкостного уплотнения пожарного насоса / М.А. Русанов, А.В. Топоров, Е.А. Топорова В сборнике: Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций сборник статей по материалам Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. 2013. С. 103-105.

Размещено на Allbest.ru