Патент Украины № 56723. Модульный магнитожидкостный герметизатор. На русском языке

(11)

Номер документа: 56723                               

(13)

Вид документа: А                                           

(19)

Страна: UA

(21)

Номер заявки: 2002086942

(22)

Дата подачи заявки: 23.08.2002

(41)

Дата официальной публикации: 15.05.2003 Бюл. № 5/2003

(51)

Индексы МПК: 7 F16J15/40

(54)

Название: МОДУЛЬНЫЙ МАГНИТОЖИДКОСТНЫЙ ГЕРМЕТИЗАТОР

(71)

Заявитель: Украинский Государственный морской технический университет имени адмирала С.О. Макарова   

(72)

Автор: Кирей П.С.

ОПИСАНИЕ

       Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации вращающихся валов машин и оборудования.

       Известны регулируемые магнитожидкостные герметизаторы (а.с. СССР № 773350, МПК F16J15/40, 1979; а.с. СССР № 1278531, МПК F16J15/40, 1985; а.с. СССР № 1343157, МПК F16J15/40, 1986), содержащие корпус, постоянный магнит с полюсными наконечниками и магнитную жидкость в рабочем зазоре между полюсными наконечниками и охваченным ими валом, в которых регулирование магнитной индукции в рабочем зазоре обеспечивается с помощью подвижного в осевом направлении относительно постоянных магнитов полюсного наконечника, связанного упругим  элементом с неподвижным полюсным наконечником или с корпусом. Однако данным герметизаторам присущи следующие негативные свойства:

-         недостаточная надёжность, обусловленная прерывистостью движения, перекосом и заклиниванием подвижного полюсного наконечника при его осевом перемещении относительно направляющей; наличием дополнительных конструкционных деталей (упругих элементов) между подвижными и неподвижными элементами магнитной системы; значительной величиной эксцентриситета (ε ≈ 1);

-         повышенные массо-габаритные характеристики, обусловленные наличием немагнитного корпуса и значительной осевой длиной подвижного полюсного наконечника и/или его направляющей;

-         повышенные требования к точности изготовления подвижного элемента и его направляющей. 

        Известен регулируемый магнитожидкостный герметизатор (а.с. СССР № 1168759, МПК F16J15/40, 1984), содержащий постоянный магнит с полюсными наконечниками, охваченными шунтирующим магнитопроводом, подвижным в радиальном направлении. Регулирование магнитной индукции в рабочем зазоре обеспечивается путём смещения шунтирующего магнитопровода в радиальном направлении, при этом в отличие от рассмотренных выше герметизаторов с осевым смещением исключаются прерывистость движения, перекос и заклинивание подвижного магнитопровода. Однако данному герметизатору также присущи негативные свойства:

-         сложность конструкции, обусловленная наличием составного шунтирующего магнитопровода сложной геометрической формы, а также регулируемого зазора сложной геометрической формы и элементов  его регулирования;

-         повышенные требования к точности изготовления и подгонки составного шунтирующего магнитопровода и сопряжённых с ним элементов магнитной системы; 

-         недостаточная надёжность, обусловленная значительной величиной механического усилия для отрыва шунтирующего магнитопровода от полюсных наконечников при его смещении в радиальном направлении.

         Известны регулируемые магнитожидкостные герметизаторы (а.с. СССР № 1537941, МПК F16J15/40, 1988; а.с. СССР № 1622687, МПК F16J15/40, 1990; пат. РФ № 2027929, МПК F16J15/00, F16J15/40, 1991), содержащие корпус и магнитный узел в виде постоянного магнита с полюсными наконечниками, охваченный шунтирующим его магнитопроводом, в которых регулирование магнитной индукции в рабочем зазоре обеспечивается с помощью шунтирующего магнитопровода, подвижного в осевом направлении относительно полюсных наконечников. В отличие от герметизаторов с подвижным полюсным наконечником в данных герметизаторах отсутствует упругий элемент между подвижными и неподвижными элементами магнитной системы, а также снижена величина эксцентриситета (она составляет обычную для магнитожидкостных герметизаторов величину ε = 0,1…0,3), что повышает их надёжность в работе. В отличие от герметизатора по а.с. СССР № 1168759 упрощается конструкция, так как в данных герметизаторах отсутствует регулируемый зазор сложной геометрической формы и элементы его регулирования, а шунтирующий магнитопровод состоит из одной детали. Однако данным герметизаторам также присущи негативные свойства:

-         недостаточная надёжность, обусловленная прерывистостью движения, перекосом и заклиниванием подвижного шунтирующего магнитопровода при его осевом перемещении относительно полюсных наконечников;

-         повышенные массо-габаритные характеристики, обусловленные наличием немагнитного корпуса и значительной осевой длиной подвижного шунтирующего магнитопровода;

-         повышенные требования к точности изготовления и подгонки подвижного шунтирующего магнитопровода и сопряжённых с ним элементов магнитной системы.

       Известен регулируемый магнитожидкостный герметизатор (пат. Украины № 38664 А, F16J15/40, 2000), содержащий корпус, два радиально-намагниченных пояса, набранных из отдельных призматических постоянных магнитов, внешние полюса которых соединены между собой с помощью магнитопроводного элемента; полюсные наконечники, которые примыкают к внутренним полюсам постоянных магнитов, и магнитную жидкость в рабочих зазорах. Магнитопроводный элемент, соединяющий внешние полюса постоянных магнитов, выполнен в виде отдельных магнитопроводных пластин, подвижных в осевом направлении относительно постоянных магнитов, причем каждая пластина соединяет постоянный магнит из одного магнитного пояса с противоположным постоянным магнитом другого магнитного пояса. По сравнению с рассмотренными выше герметизаторами данный герметизатор отличается простотой конструкции, не требует повышенной точности изготовления подвижного магнитопроводного элемента, который составлен из магнитопроводных пластин простой геометрической формы, отсутствуют прерывистость движения, перекос и заклинивание подвижного элемента, так как поверхность трения является плоской, а механическое усилие, необходимое для смещения магнитопроводного элемента, распределено между многими пластинами. Однако и данному герметизатору присущи некоторые отрицательные свойства:

-         повышенные массо-габаритные характеристики, обусловленные наличием немагнитного корпуса и значительной осевой длиной подвижного замыкающего магнитопровода (приблизительно равной осевой длине корпуса);

-         повышенные требования к точности изготовления внешней боковой поверхности полюсных наконечников, имеющей форму правильного многогранника, и к точности установки полюсных наконечников один относительно другого.

         В качестве прототипа выбран модульный магнитожидкостный герметизатор (см. Кирей П.С., Кельина С.Ю., Шевченко Н.Д. «Анализ путей усовершенствования магнитожидкостных герметизаторов для вакуумной техники». – Сборник докладов 5-й Международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование». – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2002. – С. 311, рис. 10), содержащий неподвижный относительно корпуса привода магнитный модуль, состоящий из кольцевого постоянного магнита, полюсных наконечников, внутреннего и внешнего немагнитных колец, и подвижный в осевом и угловом направлениях относительно магнитного модуля магнитоуправляющий модуль, выполненный в виде кольцевого шунтирующего магнитопровода, причём магнитный модуль охвачен магнитоуправляющим модулем. На внутренней боковой поверхности магнитоуправляющего модуля (кольцевого шунтирующего магнитопровода) выполнена винтовая резьба, а на внешней боковой поверхности магнитного модуля, составленной из внешних боковых поверхностей полюсных наконечников и внешней боковой поверхности внешнего немагнитного кольца выполнена ответная винтовая резьба, что обеспечивает плавность регулирования магнитной индукции и снижение величины необходимого для сдвига механического усилия по сравнению с рассмотренными выше герметизаторами. Кроме того, обеспечивается снижение массо-габаритных характеристик за счёт реализации бескорпусного варианта выполнения герметизатора. Однако прототип также имеет некоторые негативные свойства:

-         повышенные массо-габаритные характеристики вследствие значительной осевой длины подвижного шунтирующего магнитопровода (равной осевой длине магнитного модуля) и радиальной компоновкой магнитного и магнитоуправляющего модулей;

-         повышенное значение площади контакта магнитного и магнитоуправляющего модулей, что обуславливает повышенные значения величины механического усилия, необходимого для сдвига подвижного модуля, и величины механического момента, необходимого для вращения подвижного модуля;

-         широкий диапазон изменения площади контакта магнитного и магнитоуправляющего модулей в процессе работы, что обуславливает широкий диапазон изменения величины механического усилия, необходимого для сдвига подвижного модуля, и величины механического момента, необходимого для вращения подвижного модуля.

      В основу изобретения поставлена задача усовершенствования модульного магнитожидкостного герметизатора, изменение конструкции которого обеспечивает снижение его массо-габаритных характеристик и величины механического усилия и механического момента, необходимых для сдвига и вращения подвижного модуля.

       Поставленная задача решается тем, что в магнитожидкостном герметизаторе, содержащем неподвижный относительно корпуса привода магнитный модуль, состоящий из кольцевого постоянного магнита, полюсных наконечников, внутреннего и внешнего немагнитных колец; подвижный в осевом и угловом направлениях относительно магнитного модуля магнитоуправляющий модуль, выполненный в виде кольцевого шунтирующего магнитопровода, на внутренней боковой поверхности которого выполнена винтовая резьба, и магнитную жидкость в рабочем зазоре между полюсными наконечниками и охваченным ими валом, согласно изобретению магнитоуправляющий модуль установлен относительно магнитного модуля с образованием торцевого регулируемого зазора между, по меньшей мере, одним из полюсных наконечников и кольцевым шунтирующим магнитопроводом, причём один из полюсных наконечников выполнен в виде обечайки с внутренним кольцевым выступом, на внутренней торцевой поверхности которого с зазором относительно внутренней поверхности обечайки установлен кольцевой постоянный магнит, на внешней торцевой поверхности второго полюсного наконечника выполнен кольцевой бурт, а на внешней цилиндрической поверхности последнего выполнена винтовая резьба, ответная винтовой резьбе, имеющейся на внутренней боковой поверхности кольцевого шунтирующего магнитопровода.

       Установка подвижного магнитоуправляющего модуля относительно неподвижного магнитного модуля с образованием торцевого регулируемого зазора между, по меньшей мере, одним из полюсных наконечников и кольцевым шунтирующим магнитопроводом обеспечивает возможность регулирования магнитной индукции за счёт осевого перемещения подвижного магнитоуправляющего модуля. При этом обеспечивается снижение массо-габаритных характеристик герметизатора по сравнению с герметизаторами, имеющими радиальную компоновку магнитного и магнитоуправляющего модулей, так как значительно уменьшаются осевая длина подвижного модуля и осевая длина направляющей подвижного модуля. Уменьшение осевой длины подвижного модуля приводит к уменьшению площади контакта магнитного и магнитоуправляющего модулей, что обуславливает снижение величины механического усилия, необходимого для сдвига подвижного модуля, и величины механического момента, необходимого для вращения подвижного модуля. При этом площадь контакта магнитного и магнитоуправляющего модулей остаётся постоянной, что обуславливает стабилизацию величины механического усилия, необходимого для сдвига подвижного модуля, и величины механического момента, необходимого для вращения подвижного модуля. Выполнение одного из полюсных наконечников в виде обечайки с внутренним кольцевым выступом, на внутренней торцевой поверхности которого с зазором относительно внутренней поверхности обечайки установлен кольцевой постоянный магнит, обеспечивает возможность осевой компоновки  магнитного и магнитоуправляющего модулей и возможность формирования торцевого регулируемого зазора между, по меньшей мере, одним из полюсных наконечников и кольцевым шунтирующим магнитопроводом. Выполнение кольцевого бурта на внешней торцевой поверхности второго полюсного наконечника обеспечивает возможность присоединения магнитоуправляющего модуля к магнитному модулю. Выполнение винтовой резьбы на внешней цилиндрической поверхности кольцевого бурта, ответной винтовой резьбе, имеющейся на внутренней боковой поверхности кольцевого шунтирующего магнитопровода, обеспечивает плавность перемещения магнитоуправляющего модуля в осевом и угловом направлениях относительно магнитного модуля и, как следствие, плавность регулирования магнитной индукции в рабочем зазоре.  

       Таким образом, изменение конструкции модульного магнитожидкостного герметизатора обеспечивает:

-         снижение массо-габаритных характеристик герметизатора за счёт снижения в 5…10 раз осевой длины кольцевого шунтирующего магнитопровода и его направляющей, а также за счёт осевой компоновки магнитного и магнитоуправляющего модулей;

-         снижение величины механического усилия, необходимого для сдвига подвижного модуля, и величины механического момента, необходимого для вращения подвижного модуля, за счёт снижения в 5…10 раз площади контакта магнитного и магнитоуправляющего модулей;

-         стабилизацию величины механического усилия, необходимого для сдвига подвижного модуля, и величины механического момента, необходимого для вращения подвижного модуля, за счёт стабилизации величины площади контакта магнитного и магнитоуправляющего модулей.

       На фиг. 1 схематически изображён модульный магнитожидкостный герметизатор с торцевым регулируемым зазором между каждым из полюсных наконечников и кольцевым шунтирующим магнитопроводом, продольный разрез, на фиг. 2 - модульный магнитожидкостный герметизатор с торцевым регулируемым зазором между одним из полюсных наконечников и кольцевым шунтирующим магнитопроводом, продольный разрез.

       Модульный магнитожидкостный герметизатор содержит неподвижный относительно корпуса привода магнитный модуль, состоящий из полюсного наконечника 1-2, выполненного в виде обечайки 1 с внутренним кольцевым выступом 2, на внутренней торцевой поверхности которого с зазором относительно внутренней поверхности обечайки 1 установлен кольцевой постоянный магнит 3, полюсного наконечника 4, на внешней торцевой поверхности которого выполнен кольцевой бурт 5, внутреннего 6 и внешнего 7 немагнитных колец; и подвижный в осевом и угловом направлениях относительно магнитного модуля магнитоуправляющий модуль, выполненный в виде кольцевого шунтирующего магнитопровода 8. Магнитная жидкость 9 размещена в рабочем зазоре δ0 между полюсными наконечниками 2, 4 и охваченным ими валом 10. Между полюсными наконечниками 1-2, 4 и кольцевым шунтирующим магнитопроводом 8 образован торцевой регулируемый зазор δ1. На внешней цилиндрической поверхности кольцевого бурта 5 выполнена винтовая резьба, ответная винтовой резьбе, имеющейся на внутренней боковой поверхности кольцевого шунтирующего магнитопровода 8. При совпадении величины внешнего диаметра кольцевого бурта 5 с величиной внешнего диаметра полюсного наконечника 4 (см. фиг. 2) торцевой регулируемый зазор δ1 формируется между полюсным наконечником 1-2 и кольцевым шунтирующим магнитопроводом 8.

       Устройство работает следующим образом.

       Магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом 3, замыкается через полюсные наконечники 2, 4 и вал 10, удерживая магнитную жидкость 9 в рабочем зазоре δ0 и обеспечивая герметизацию вала 10 как в динамическом, так и в стояночном режимах. Регулирование магнитной индукции в рабочем зазоре δ0 осуществляется путём осевого сдвига магнитоуправляющего модуля 8 относительно магнитного модуля, состоящего из кольцевого постоянного магнита 3, полюсных наконечников 1-2 и 4, внутреннего 6 и внешнего 7 немагнитных колец, при навинчивании (вывинчивании) кольцевого шунтирующего магнитопровода 8 на кольцевой бурт 5. Нулевому значению величины торцевого регулируемого зазора δ1 соответствует минимальное значение основного магнитного потока, при увеличении δ1 происходит увеличение основного магнитного потока, и, соответственно, магнитной индукции и градиента напряжённости магнитного поля в рабочем зазоре δ0. 

       Использование изобретения по сравнению с прототипом и другими известными устройствами позволяет:

-         снизить массо-габаритные характеристики герметизатора за счёт снижения в 5…10 раз осевой длины кольцевого шунтирующего магнитопровода и его направляющей, а также за счёт осевой компоновки магнитного и магнитоуправляющего модулей;

-         снизить величину механического усилия, необходимого для сдвига подвижного модуля, и величину механического момента, необходимого для вращения подвижного модуля, за счёт снижения в 5…10 раз площади контакта магнитного и магнитоуправляющего модулей;

-         стабилизировать величину механического усилия, необходимого для сдвига подвижного модуля, и величину механического момента, необходимого для вращения подвижного модуля, за счёт стабилизации величины площади контакта магнитного и магнитоуправляющего модулей.

ФОРМУЛА  ИЗОБРЕТЕНИЯ

       МОДУЛЬНЫЙ МАГНИТОЖИДКОСТНЫЙ ГЕРМЕТИЗАТОР, содержащий неподвижный относительно корпуса привода магнитный модуль, состоящий из кольцевого постоянного магнита, полюсных наконечников, внутреннего и внешнего немагнитных колец; подвижный в осевом и угловом направлениях относительно магнитного модуля магнитоуправляющий модуль, выполненный в виде кольцевого шунтирующего магнитопровода, на внутренней боковой поверхности которого выполнена винтовая резьба, и магнитную жидкость в рабочем зазоре между полюсными наконечниками и охваченным ими валом, отличающийся тем, что магнитоуправляющий модуль установлен относительно магнитного модуля с образованием торцевого регулируемого зазора между, по меньшей мере, одним из полюсных наконечников и кольцевым шунтирующим магнитопроводом, причём один из полюсных наконечников выполнен в виде обечайки с внутренним кольцевым выступом, на внутренней торцевой поверхности которого с зазором относительно внутренней поверхности обечайки установлен кольцевой постоянный магнит, на внешней торцевой поверхности второго полюсного наконечника выполнен кольцевой бурт, а на внешней цилиндрической поверхности последнего выполнена винтовая резьба, ответная винтовой резьбе, имеющейся на внутренней боковой поверхности кольцевого шунтирующего магнитопровода.

Р Е Ф Е Р А Т

МОДУЛЬНЫЙ  МАГНИТОЖИДКОСТНЫЙ  ГЕРМЕТИЗАТОР

       Использование: в уплотнительной технике. Сущность изобретения:        модульный магнитожидкостный герметизатор содержит неподвижный относительно корпуса привода магнитный модуль, состоящий из полюсного наконечника 1-2, выполненного в виде обечайки 1 с внутренним кольцевым выступом 2, на внутренней торцевой поверхности которого с зазором относительно внутренней поверхности обечайки 1 установлен кольцевой постоянный магнит 3, полюсного наконечника 4, на внешней торцевой поверхности которого выполнен кольцевой бурт 5, внутреннего 6 и внешнего 7 немагнитных колец; и подвижный в осевом и угловом направлениях магнитоуправляющий модуль, выполненный в виде кольцевого шунтирующего магнитопровода 8. Магнитная жидкость 9 размещена в рабочем зазоре δ0 между полюсными наконечниками 2, 4 и охваченным ими валом 10. Между полюсными наконечниками 1-2, 4 и кольцевым шунтирующим магнитопроводом 8 образован торцевой регулируемый зазор δ1. На внешней цилиндрической поверхности кольцевого бурта 5 выполнена винтовая резьба, ответная винтовой резьбе, имеющейся на внутренней боковой поверхности кольцевого шунтирующего магнитопровода 8. При совпадении величины внешнего диаметра кольцевого бурта 5 с величиной внешнего диаметра полюсного наконечника 4 торцевой регулируемый зазор δ1 формируется между полюсным наконечником 1-2 и кольцевым шунтирующим магнитопроводом 8.