Материал: Магнитожидкостные уплотнения

Недостаток щелевого уплотнения - высокая стоимость изготовления сопрягаемых деталей и возможность облитерации щели.

Канавочные уплотнения (рисунок 1.9). Щели концентрических проточек заполняют пластичной смазкой. Образуемый затвор препятствует вытеканию масла и ограничивает проникновение посторонних веществ извне. Применять канавочные уплотнения рекомендуется для узлов, работающих сравнительно чистой среде. Канавки очень полезны в комбинации с уплотнениями другого типа.

Рисунок 1.9 - Конструкции канавочных уплотнений

Уплотнения отгонной резьбой применяют для герметизации полостей, содержащих жидкости. На валу или во втулке (или одновременно) выполняют резьбу (многозаходную). Направление резьбы согласовывается с направлением вращения вала так, чтобы витки отгоняли уплотняемую жидкость в корпус. Уплотнение - нереверсивное; при перемене направления вращения витки гонят жидкость в обратном направлении - из корпуса.

Уплотняющая способность отгонной резьбы пропорциональна длине резьбового пояса, скорости вращения вала, вязкости жидкости, обратно пропорциональна высоте резьбы и очень зависит от зазора между гребешками витков и стенками отверстия. Уплотнение работает удовлетворительно, если радиальный зазор не превышает 0,05-0,06 мм. При зазоре свыше 0,1 мм уплотнение становится бесполезным.

Гребешковые уплотнения. Цель установки гребешковых уплотнений - разбить масляную плёнку, ползущую по валу, и отбросить масло действием центробежных сил в кольцевую полость, откуда оно стекает в корпус по дренажным отверстиям. Маслосбрасывающие гребешки выполняют непосредственно на валу или на съёмных деталях. При невысоких частотах вращения гребешок заменяют разрезным пружинным кольцом.

Уплотнение отражательными дисками. Отражательные диски устанавливают перед щелевыми уплотнениями с целью преградить доступ масла в щель и отогнать действием центробежной силы частицы масла.

Уплотнение защитной шайбы незначительно. Шайбу применяют в узлах, работающих на пластичных смазках при окружной скорости не более 5м/с. На рисунке 1.10 приведена вращающаяся шайба; она под влиянием возникающих центробежных сил отбрасывает попадающие на нее масло или посторонние вещества. Действие этой шайбы более эффективно по сравнению с неподвижной и тем сильнее, чем выше окружная скорость шайбы.

Рисунок 1.10 - Конструкция подвижной защитной шайбы

Лабиринтные уплотнения (рисунок 1.11) применяют для уплотнения полостей, заполненных газом или паром. Действие их основано на торможении (завихрении) газа в узкой кольцевой щели с последующим расширением в смежной кольцевой камере большого объёма. В кольцевой щели давление преобразуется в скоростной напор; на выходе газа из щели давление восстанавливается, но только частично; часть давления расходуется на необратимые потери при завихрении-расширении. Чем больше эти потери (чем меньше сечение щели и острее образующие её кромки), тем меньшая доля давления восстанавливается в камере, тем эффективнее работает уплотнение.

Рисунок 1.11 - Общий вид и основные размеры лабиринтных уплотнений

Последовательной установкой ряда камер, разделённых узкими щелями, достигают существенного уменьшения перетекания. Лабиринтные уплотнения применяют при высоких окружных скоростях и температурах, когда исключена возможность установки контактных уплотнений.

Лабиринтное уплотнение не может полностью исключить истечение газа. Непрерывное движение газа вдоль лабиринта лежит в основе принципа действия лабиринта и является непременным условием функционирования. Лабиринт может только ослабить поток газа через уплотнение.

Уплотняющее действие лабиринтного устройства основано на создании малого зазора сложной формы между вращающимися и неподвижными деталями узла. Зазор заполняют пластичной или жидкой смазкой.

Лабиринтные уплотнения имеют различные преимущества перед фетровыми и манжетными:

малое внутреннее трение смазки;

неизнашиваемость деталей;

простота в эксплуатации;

неограниченность окружных скоростей вала.

Лабиринтные уплотнения применяют для защиты от вытекания смазки и попадания в неё влаги и грязи из внешней среды, чаще в комбинации с уплотнениями других типов.

Гидравлические центробежные уплотнения состоят из крыльчатки, вращающейся в замкнутой кольцевой полости, в которую залита уплотняющая жидкость (масло, вода). Центробежной силой жидкость прижимается к периферии полости. Разность центробежных сил, действующих на жидкость со сторон крыльчатки, определяет давление, которое держит уплотнение.

Уплотнение сегментными кольцами. Сегментные металлические кольца - это кольца, разделённые в радиальном направлении на несколько частей (обычно на три). Такое уплотнение сложно в изготовлении и требует тщательного монтажа, но оно надёжно и способно выдерживать весьма высокие давления и работать при высоких температурах.

Комбинированные уплотнения (рисунок 1.12). Для повышения надёжности устанавливают последовательно два (и более) уплотнения разного вида. Некоторые виды уплотнений хорошо взаимосвязываются друг с другом и встраиваются в один узел без значительного увеличения габаритов.

Комбинированные уплотнения представляют собой комбинацию уплотнения различных типов. Их часто применяют в ответственных конструкциях и при особо тяжелых условиях эксплуатации. Ниже приведены примеры таких уплотнений:

фетровое кольцо и отражающий фланец, отбрасывающий масло в полость крышки;

лабиринтно-канавочно-войлочное уплотнение;

жировое и канавочно-войлочное уплотнение;

уплотнение крышкой, поверхность которой одновременно работает как центробежное кольцо.

Рисунок 1.12 - Конструкции комбинированных уплотнений

1.2 Магнитожидкостные уплотнения

Магнитожидкостное уплотнение (МЖУ) - это механическое уплотнение, в котором магнитная жидкость играет роль уплотняющего элемента. Магнитожидкостные уплотнения применяются в технологическом оборудовании для реализации вращательного движения при обеспечении герметизации с помощью физического барьера, в виде магнитной жидкости. Магнитная жидкость удерживается в рабочем зазоремагнитным полем, которое создаётся постоянным магнитом.

Магнитожидкостные уплотнения не требуют постоянного обслуживания и контроля. МЖУ для промышленности и науки чаще всего устанавливают во вводы вращения, которые состоят из наружного корпуса, шариковых подшипников и центрального вала. Шарикоподшипники выполняют две важные функции: держат внешние нагрузки и центрируют вал в зазоре уплотнения. Подшипники являются единственными механическими деталями ввода вращения которые подвергаются износу. Так как уплотняющая среда - это жидкость, трения между вращающимися и стационарными деталями практически нет, поэтому уплотнение не подвергается износу. Следовательно срок службы и межремонтные циклы МЖУ очень длительны, а момент трения очень низок. МЖУ стабильно работают в таких условиях как: сверхвысокий вакуум, очень высокие температуры, десятки тысяч об/мин, давление до нескольких атмосфер.

МЖУ, изначально разрабатывалось для применения в космических проектах, но позже нашли своё применение в промышленности. Наиболее распространенным является уплотнение вводов вращения вакуумного технологического оборудования. Также МЖУ нашло свое применение в фармацевтике, биотехнологии, косметологии. При производстве вакцин, медицинских препаратов, препаратов крови предъявляются высокие требования к стерильности технологических условий. А МЖУ с их надежностью и высоким уровнем герметичности легко удовлетворяют эти требования.

В сравнении с другими широко распространенными типами уплотнений МЖУ обладают практически полной герметичностью и при этом эффективно работают в условиях влажных сред любой степени дисперсности капель, условиях сильной запыленности (в том числе и абразивными частицами), при уплотнении сыпучих материалов.

В общем, конструкция МЖУ достаточно проста. Магнитожидкостный герметизатор состоит из кольцевых магнитопроводов (полюсных наконечников) 2, охватывающих вал 7, постоянных магнитов 4, расположенных между магнитопроводами, и корпуса 1, объединяющего части в цельную конструкцию, закрепляемую на корпусе герметизируемого механизма крепежными винтами.

Магнитное поле замыкается через вал и зазоры между полюсными наконечниками и валом, удерживая в них втягивающуюся туда магнитную жидкость. Этот слой магнитной жидкости, являясь своеобразным жидким сальником, полностью заполняет зазоры, оказывая герметизирующее действие и удерживая перепад давлений по разные стороны МЖГ.

Особенностью уплотнения является наличие запирающего слоя, удерживаемого в зазоре магнитным полем. Радиальные зазоры в магнитожидкостных уплотнениях составляют 0,05-0,15 (до 0,5 мм). Преимущества этих уплотнений: отсутствие протечек, механического трения, износа; применяются при любых окружных скоростях и перепадах давления (в том числе при вакууме), а также в качестве стояночных уплотнений.

Так как любые жидкости испаряются (магнитная жидкость испаряется значительно медленнее жидкой основы, на которой она сделана), нужно иногда дополнять магнитную жидкость, в зазор. В зависимости от строения узла, условий эксплуатации имарки магнитной жидкости срок между дозаправками обычно составляет 0,5 - 2 года.

В целом предельные рабочие параметры МЖУ ниже, чем параметры отдельных типов традиционных уплотнений, например торцовых.

Однако в диапазоне невысоких давлений (до нескольких сотен килопаскалей), температур (до 100 °С), линейных скоростей (до 30 м/с) в большинстве случаев МЖГ по эффективности значительно превосходит традиционные уплотнения.

Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферримагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующим их слипанию из-за Вандер-Ваальсовых или магнитных сил.

Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, так как остаточная намагниченность после того как внешнее магнитное поле исчезает не сохраняется. На самом делеферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «суперпарамагнетиками» из-за сильной магнитной восприимчивости. По настоящему ферромагнитные жидкости в настоящее время создать сложно.

Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычно они составляют 10 нм или меньше) магнетита, гематита или другого материала, в котором содержится железо, взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они делали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле. Аналогичным образом ионы в водных растворах парамагнитных солей (например, водный раствор сульфата меди(II) или хлорида марганца(II)) придают раствору парамагнитные свойства.

Ферромагнитные жидкости это коллоидные растворы - вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах.

Ферромагнитные жидкости устойчивы: их твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле. Тем не менее, ПАВ в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (около двух лет), в итоге частицы слипнутся, выделятся из жидкости и не смогут оказывать влияние на реакцию жидкости от магнитного поля. Также свойства ферромагнитных жидкостей теряются при своей температуре Кюри, которая меняется в зависимости от ПАВ, несущей жидкости и конкретного материала ферромагнитных частиц.

Термин «магнитореологическая жидкость» относится к жидкостям, которые подобно ферромагнитным жидкостям затвердевают в присутствии магнитного поля. Отличием этих жидкостей друг от друга являетсяразмер частиц. Частицы в ферромагнитной жидкости это в основном частицы нанометровых размеров, находящиеся во взвешенном состоянии из-за броуновского движения и не оседающие в нормальных условиях. Частицы в магнитореологической жидкости в основном микрометрового размера (на 1-3 порядка больше); они слишком тяжелы, чтобы броуновское движение поддерживало их во взвешенном состоянии, и поэтому со временем оседают из-за естественной разности в плотности частиц и несущей жидкости. Как следствие, у этих двух типов жидкостей разные области применения.

Под воздействием довольно сильного вертикально направленного магнитного поля поверхность жидкости с парамагнитными свойствами самопроизвольно формирует регулярную структуру из складок. Этот эффект известен как «нестабильность в нормально направленном поле». Формирование складок увеличивает свободную энергию поверхности и гравитационную энергию жидкости, но уменьшает энергию магнитного поля. Такая конфигурация возникает только при превышении критического значения магнитного поля, когда уменьшение его энергии превосходит вклад от увеличения свободной энергии поверхности и гравитационной энергии жидкости. У ферромагнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость, и для критического магнитного поля, чтобы возникли складки на поверхности, может быть достаточно маленького стержневого магнита.

Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются, в частности, следующие ПАВ:

1) олеиновая кислота;

2)      гидроксид тетраметиламмония;

)        полиакриловая кислота;

)        полиакрилат натрия;

)        лимонная кислота;

ПАВ не позволяют частицам слипаться, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры, которые не смогут удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения. В идеальной ферромагнитной жидкости магнитные частицы не оседают даже в очень сильном магнитном или гравитационном поле. Молекулы ПАВ имеют полярную «головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу вокруг частицы. В результате пространственные эффекты препятствуют слипанию частиц. Полиакриловая, лимонная кислоты и их соли формируют на поверхности частиц двойной электрический слой в результате адсорбции полианионов, что приводит к возникновению кулоновских сил отталкивания между частицами, повышающей стабильность жидкости на водной основе.

Хотя ПАВ полезны для того, чтобы продлить время осаждения частиц в ферромагнитной жидкости, они оказываются вредны для её магнитных свойств (в особенности, для магнитного насыщения жидкости). Добавление ПАВ (или других посторонних веществ) уменьшает плотность упаковки ферромагнитных частиц в активированном состоянии жидкости, тем самым уменьшая её вязкость в этом состоянии, давая более «мягкую» активированную жидкость. И хотя для некоторых применений вязкость ферромагнитной жидкости в активированном состоянии (так сказать, её «твердость») не очень важна, для большинства коммерческих и промышленных форм применения это самое главное свойство жидкости, поэтому необходим определённый компромисс между вязкостью в активированном состоянии и скоростью осаждения частиц. Исключение составляют ПАВ на основе полиэлектролитов, позволяющие получить высококонцентрированные жидкости с малой вязкостью.