Материал: Магнитожидкостные уплотнения

Величина максимальной напряженности более чем в 6 раз превышает напряженность поля в равномерном зазоре. Но надо отметить, что такая высокая напряженность существует в непосредственной близости у поверхности полюса, практически на границе раздела сред, и стремительно снижается при удалении от границы.

Рисунок 4.3 - Распределение относительной напряженности поля в зазоре на линии кромки

Поэтому при анализе параметров поля в околокромочной зоне необходимо фиксировать расстояние от поверхности полюса, на котором рассматривается напряженность или индукция. Обозначим это расстояние как А.

На рисунке 4.3 в зазоре δ пунктирной линией обозначена граница зоны повышенной напряженности поля около кромки. Зона имеет вытянутую форму от кромки к середине полюса. Глубина распространения зоны в направлении вала составляет около 30 % от величины зазора δ. Градиенты напряженности поля в околокромочных зонах на порядок выше, чем градиенты поля, создаваемые зубцами в зазоре магнитожидкостного уплотнения, которые, в свою очередь, считаются очень высокими. Если рассматривать поле вблизи кромки полюса, то наибольший градиент напряженности поля наблюдается вдоль поверхности ЕК при стремлении к точке К. Учитывая такую особенность поля у кромки, кромочный эффект может использоваться как способ создания высокоградиентных магнитных полей.

На величину кромочного эффекта влияет геометрическая характеристика и магнитные свойства используемых материалов.

На рисунке 4.4 показано влияние угла между образующими кромку плоскостями на коэффициент неоднородности поля. Чем острее кромка, тем выше неоднородность поля в прилегающей зоне. Зависимость коэффициента неоднородности от угла имеет характер, близкий к линейному.

Рисунок 4.4-Влияние угла на коэффициент неоднородности поля(Δ= 0,05δ).

Индукция в сечении полюса распределяется неравномерно. Индукция в кромке полюса значительно выше индукции в средней части полюса. При малом магнитном потоке и отсутствии насыщения стали индукция на острие кромки почти на порядок превышает индукцию в средней части полюса. При росте потока, проходящего через полюс, сталь кромки полюса начинает входить в состояние насыщения при В5 = 0,2 Тл. Чем выше средняя индукция в зазоре, тем больший участок кромки входит в насыщение. Насыщение стали снижает неоднородность напряженности поля у кромки полюса.

На рисунке 4.5 показана зависимость коэффициента неоднородности поля от индукции в средней части зазора.

Рисунок 4.5- Зависимость коэффициента неоднородности поля от индукции в зазоре (Δ= 0,05δ)

Значение коэффициента неоднородности при высоком насыщении стали уменьшается, напряженность поля в зазоре выравнивается.

В магнитных системах различных электромеханических устройств зоны повышенной напряженности у кромок могут играть как положительную, так и отрицательную роль. В случаях, когда высокая напряженность поля у кромок магнитных систем в устройстве нежелательна, кромки можно закруглять. Это приводит к снижению неоднородности поля. Способ закругления кромок как мера борьбы с высокими градиентами электростатического поля на кромках был использован немецким ученым В. Роговским еще в 20-х годах прошлого века. Расчеты магнитного поля у кромки полюса показали, что чем больше радиус закругления кромки, тем равномернее индукция в зазоре (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6- Влияние радиуса закругления кромки на коэффициент неоднородности поля

Полностью устранить кромочные эффекты закруглением кромок невозможно. Даже при радиусе закругления, равном величине зазораδи более, неоднородность поля не исчезает.

Таким образом, моделирование магнитного поля на кромках полюсов магнитных систем с учетом нелинейных свойств магнитных материалов на основе метода конечных элементов показало:

- около кромок полюсов магнитных систем существует высокоградиентное магнитное поле, напряженность которого может значительно превышать напряженность поля в равномерном зазоре:

- на величину неоднородности поля влияет геометрическая характеристика рассматриваемой магнитной системы и уровень насыщения используемых материалов:

-           закругление кромок полюсов существенно снижает неоднородность поля, но полностью кромочный эффект не устраняет.

5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МЖУ

Основные технические и иные требования к научно-технической продукции: должна быть разработана конструкция магнитожидкостного уплотнения для поворотного вращающегося контактного устройства.

Требования по назначению:

МЖУ предназначен для обеспечения герметичности в соединениях вал-корпус (обеспечивая защиту от пыли, влаги и осадков) при разности давлений 70 кПа.

Основные технические характеристики МЖУ:

частота вращения вала не более 8 об/мин.

уплотнение должно обладать минимально возможным моментом трения в диапазоне температур от -50°С до +55°С.

Должны быть обеспечены следующие требования:

остальные требования по механическим и климатическим воздействиям по группе 1.5.1 общеклиматического воздействия ГОСТ РВ20.39.304, группы 1.3 ГОСТ РВ20.39.305.

В соответствии с техническим заданием магнитожидкостное уплотнение должно надежно работать в следующих условиях:

при скорости вращения вала не более 8 об/мин;

при разности давлений на уплотнении 70 КПа;

при циклическом изменении температуры от -50 до +55°С.

Из анализа условий эксплуатации следует, что МЖУ призвано разделять воздушно-газовые среды с перепадом давлений не менее 70 КПа. Это достижимо в современных конструкциях МЖУ.

Температурный диапазон работы МЖУ достаточно широк: от -50 °С до +55°С. Это требует применения магнитных жидкостей работоспособных в таком температурном диапазоне, как, например, магнитная жидкость МК009-40 с намагниченностью при напряженности магнитного поля в интервале 500…+700 кА/м не ниже 40 кА/м, диапазоном рабочих температур -60 °С… +80 °С.

Частота вращения вала для этого изделия, точнее угловые перемещения, небольшие и это не требует применения специальных мер.

Таким образом, условия работы МЖУ изделия позволяют разработать эффективные конструкции уплотнения.

Выбор схемы МЖУ. В разрабатываемом МЖУ диаметр вала составляет 345 мм, что для МЖУ считается большим и требует применения конструкций, обеспечивающих возможность выполнения рабочего зазора с повышенной точностью. Из существующего многообразия конструкций МЖУ, наиболее перспективной является система с коаксиально разъемными полюсными приставками, ряд составных частей которых жестко соединен с корпусом подшипникового узла. Это позволяет максимально сократить число посадочных поверхностей, обеспечивающих рабочий зазор. Кроме этого при реализации данной конструкции желательно обеспечить обработку посадочной поверхности под опорные подшипники и рабочую поверхность зазора за одну установку детали.

Возможно применение различных технологических приемов изготовления узла МЖУ, повышающих точность рабочего зазора, допустим, обработка поверхностей, образующих зазор, после сборки магнитной системы и подшипникового узла. При больших диаметрах уплотняемого вала - это наиболее перспективный путь. Номинальный рабочий зазор МЖУ составляет δ=0,1 мм, а максимальный, с учетом допусков на размеры - δмах=0,15 мм, поэтому расчет магнитной системы будет выполняться исходя из данных значений рабочего зазора.

В конструкции МЖУ поворотного вращающегося контактного устройства должны быть предусмотрены отверстия для заправки магнитной жидкости.

Заправочные отверстия позволяют заправлять МЖУ после его окончательной сборки, что наиболее технологично и обеспечивает минимальный расход магнитной жидкости. Заправочные отверстия позволяют также заправлять МЖУ непосредственно перед вводом его в эксплуатацию, что сокращает период нахождения магнитной жидкости в магнитном поле в статическом режиме. Наличие заправочных отверстий позволяет дозаправлять МЖУ во время регламентных работ при длительном режиме эксплуатации, а также восстанавливать удерживающую способность уплотнения без его разборки после аварийных пробоев. Отверстия выводятся в канавки между зубцами, что не сказывается удерживающей способности узла от деформации магнитного поля в районе его выхода.

Количество зубцов. Форма и геометрические параметры зубцов.

Количество зубцовопределяется из заданного максимального удерживаемого перепада давления с учетом технологии изготовления узла. Заданный перепад давления на МЖУ составляет 70 КПа. Максимальный удерживаемый перепад давления одним зубцом обычно не превышает 30 КПа, поэтому в уплотнении необходимо выполнить не менее 3 зубцов. Учитывая, что в уплотнении два полюса и требуется иметь запас по давлению, то в конструкцию магнитной системы закладывается 4 зубца, по 2 зубца на полюсную приставку. При технологических требованиях выполнения минимального зубцового деления 1,5-2 мм это потребует ширины одной полюсной приставки 3-4 мм.

Форма зубца. Наиболее оптимальной для МЖУ является форма зубца, приведенная на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Форма зубцов в МЖУ

Расположенные на поверхности полюсных приставок или вала зубцы имеют боковые образующие в виде дуг, причем, рядом расположенные зубцы образуют между собой канавку, в аксиальном сечении имеющую форму полукруга радиусом Rс центром, лежащим на поверхности уплотняемого вала, а на острие зубца выполнена площадка, параллельная оси вала шириной t. Такая форма зубца с переменным сечением, во-первых, не позволяет зубцу входить в состояние насыщения по всей высоте зубца при уменьшении ширины площадки t. Поэтому не происходит существенного падения магнитодвижущей силы в зубце, а следовательно, и снижения Нмах. Во-вторых, форма боковых образующих зубцов в виде дуг, образующих между собой канавку, в аксиальном сечении имеющую форму полукруга радиусом Rс центром, лежащем на поверхности уплотняемого вала, позволяет достичь максимального снижения Hmin по сравнению с известными формами канавок. Упрощенно это можно объяснить следующим образом. На величину Hmin на поверхности вала влияет разность скалярного магнитного потенциала между поверхностью вала и полюсной приставки и удаленность точки минимальной напряженности на валу от поверхности канавки полюсной приставки. Форма полукруга канавки, образующейся дугами соседних зубцов, обеспечивает максимальную равно удаленность точки Hmin в зазоре на валу от любой точки поверхности канавки полюсной приставки. Поэтому при одной и той же ширине канавки предлагаемая форма обеспечивает наиболее низкие значения Н по сравнению с другими известными формами. Данная форма зубца сложнее в изготовлении по сравнению с трапецеидальной формой, поэтому ее можно рекомендовать при серийном производстве МЖУ, когда изготовление резцов специальной формы оправдано. Закругление кромок зубцов и полюсных приставок. Для каждой магнитной жидкости существует критическое значение максимальной напряженности магнитного поля Нкр, до которого магнитная жидкость сохраняет свою устойчивость продолжительное время. Все магнитожидкостные уплотнения создаются исходя из параметров используемой жидкости. Поэтому при разработке уплотнений контролируют, чтобы максимальная напряженность поля в зазоре Нмах не превышала Нкр, что обеспечивает устойчивость магнитной жидкости в уплотнении и его работоспособность в течение продолжительного промежутка времени.

Исследования магнитных полей у кромок полюсов, проведенные в работах, показали наличие всплеска напряженности магнитного поля около кромок зубцов, Здесь существуют зоны с напряженностью магнитного поля, существенно превышающей Нмах на поверхности вала в зазоре. Повышенная напряженность поля в локальных зонах рабочего зазора отрицательно сказывается на устойчивости и ресурсе магнитной жидкости, приводит к увеличению моментов трения и страгивания уплотнения. Отрицательных эффектов можно избежать, закруглив кромки зубцов (рисунок 5.2). При изготовлении узла на закругления кромок в рабочей зоне необходимо обратить особое внимание. В МЖУ для поворотного вращающегося контактного устройства рекомендуется закругление кромок зубцов.

Выбор постоянных магнитов МЖУ.

Постоянные магниты. В качестве источника магнитного поля рекомендуется постоянный магнит из магнитотвердого материала КС-37, отличающийся временной стабильностью магнитных свойств. Учитывая большой диаметр МЖУ (>300 мм), малую толщину постоянного магнита (~4 мм), высокую энергию используемого магнитотвердого материала, постоянный магнит в виде сплошного кольца использовать не рационально. Велика вероятность его разрушения в процессе изготовления, перевозки, хранения и сборки МЖУ. Постоянный магнит такого диаметра можно выполнить из секций (фрагментов кольца), вклеенных в оправку. Для изготовления секций требуются пресс формы, что связано с дополнительными финансовыми и временными затратами. В опытных узлах рационально использовать стандартные магниты серийного производства, при этом несколько увеличатся габариты магнитной системы МЖУ.

Рисунок 5.2 - Закругление кромок зубцов: а - распределение напряженности магнитного поля на поверхности полюсных приставок с зубцами с незакругленными кромками; б - распределение напряженности магнитного поля на поверхности полюсных приставок с зубцами с закругленными кромками

В уплотнении предлагается использовать постоянный магнит, выполненный из набора цилиндров, равномерно размещенных по окружности кольцевого немагнитного сепаратора. Проведенные исследования показали, что магнит может быть выполнен в виде набора из цилиндрических магнитов КС-37 диаметром 10 мм и высотой 4 мм, равномерно размещенных по окружности в немагнитном сепараторе.

Заправочные отверстия в МЖУ.

В разработанной конструкции МЖУ для поворотного вращающегося контактного устройства предусмотрены отверстия для заправки магнитной жидкости. Известны различные способы, устройства и методики заправки магнитных жидкостей. Исследования магнитных полей в рабочей зоне уплотнения показали, что выходы заправочных отверстий должны располагаться в основаниях канавок между зубцами, при этом удерживающая способность узла не снизится из-за локальной деформации магнитного поля. В разрабатываемом МЖУ поворотного вращающегося контактного устройства зубцы расположены на внутренней поверхности магнитопроводящего кольца платформы. Это позволяет разместить выходы заправочных отверстий в основаниях канавок между зубцами и в тоже время обеспечить свободный доступ к заправочным отверстиям МЖУ без предварительной частичной разборки узла платформы и создает удобство и технологичность обслуживания узла при его эксплуатации.

Конструкция МЖУ и размеры основных элементов Численное исследование эффективности приведенных соотношений с учетом ограничений на линейные размеры уплотнения, заданного рабочего зазора, максимально возможного эксцентриситета вала, позволило найти наиболее оптимальные параметры зубцов и МЖУ в целом (рисунки 5.3, 5.4).

Рисунок 5.3 - Конструкция магнитожидкостного уплотнения поворотного вращающегося контактного устройства

Рисунок5.4 -Конструкция и размеры рабочей зоны МЖУ поворотного вращающегося контактного устройства

В результате анализа условий эксплуатации МЖУ были определены основные конструктивные параметры элементов уплотнения. В соответствии с ними была разработана конструкция для конкретного изделия, эскиз которой представлен на рисунке 5.5. Очевидно, основную трудность представляет обеспечение гарантированного зазора 0,1 мм между деталями на Ø342 мм. Зазор данной конструкции направлен по радиусу, поэтому эксцентриситет определяется в основном радиальными зазорами в посадках и радиальными биениями а также зазорами в подшипниках.

Рисунок 5.5 - Эскиз изделия с МЖУ

Путем затяжки внутренних колец пары подшипников уменьшается влияние на радиальное биение допускаемых зазоров и люфтов подшипников.

Совместная обработка нескольких деталей в сборе исключает влияние некоторых допусков и посадок, размерная цепь для расчета погрешности величины рабочего зазора сокращается.

Сначала обтачиваются канавки после сборки стального кольца и фланца, соединенных в натяг, как наиболее сложный элемент конструкции уплотнения. Чертеж сборки на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 - Платформа в сборе

Обработка производится на токарном обрабатывающем центре BIGLIA B658Y. Затем производится измерение полученного размера вершин зубцов и его погрешность. Результаты измерений заносятся в паспорт на сборку.

По действительному размеру вершин зубцов обрабатывается цилиндрическая поверхность полюсных приставок с обеспечением гарантированного зазора в сборке 0,1 мм на сторону рис. 5.7.

Рисунок 5.7 - Корпус в сборе

Из-за высоких требований к точности сборка изделия сложная и не возможна без специальных приспособлений.

По техническим требованиям во время заведения сб. ед. 1 Ротор в сборе в сб. ед. 2 Корпус в сборе необходимо исключить касание ротора двигателя и сердечника статора. Максимальный зазор между деталями равен 0,63 мм на сторону. Разработанное приспособление (рисунок 5.8) позволяет легко заводить ротор в корпус, не допуская касание деталей двигателя.