Магнитожидкостные уплотнения (МЖУ) относят к бесконтактным щелевым уплотнениям, работающим по принципу гидравлического зазора, в котором магнитная жидкость удерживается магнитным полем в рабочих зазорах между сопрягаемыми деталями.
МЖУ имеет ряд преимуществ по сравнению с применяемыми уплотнениями: обеспечивают практически полную герметичность, выдерживают достаточно высокий перепад давлений, как в статическом, так и в динамическом режимах; просты по конструкции и изготовлению.
Конструкция МЖУ можно классифицировать по характеру герметизируемых соединений, исполнению рабочего зазора, по виду рабочей и окружающей сред, условиям эксплуатации, комбинации с другими механизмами герметизации.
По исполнению рабочего зазора МЖУ разделяют на радиальные и торцовые. В радиальных МЖУ рабочий зазор выполнен в направлении радиуса вала, а торцовые — в направлении оси вала. Основной недостаток радиальных МЖУ — сложность обеспечения равномерности рабочего зазора из-за погрешностей изготовления и сборки деталей, а также люфта подшипникового узла. Эксцентриситет и биение вала приводят к появлению магнитной силы одностороннего притяжения вала, повышению собственных потерь на трение, а также снижению работоспособности МЖУ. Торцовые МЖУ не чувствительны к радиальному биению и эксцентриситету, однако в них сложно обеспечить постоянство рабочего зазора в условиях изменения температуры окружающей среды, когда из-за температурного расширения вала увеличивается рабочий зазор, что в некоторых случаях может привести к его разгерметизации. На величину рабочего зазора влияют величины шероховатости и волнистости сопрягаемых поверхностей.
Конфигурация полюса и соотношения размеров рабочего зазора влияют на рабочие характеристики МЖУ, к основным из которых относятся критический перепад давлений и потери на трение. Выбирая оптимальную конфигурацию полюса и размеры рабочего зазора, необходимо стремиться к повышению критического перепада давлений и снижению потерь на трение в МЖУ [1].
Для определения момента сопротивления вращения вала, обусловленного трением с магнитной жидкостью (момента трения) используется формула
Практическое применение в МЖУ нашли полюсы с треугольным, трапецеидальным и прямоугольным профилями зубцовой зоны. На рис. 1 показаны кривые распределения магнитной индукции на поверхности вала под зубцами различного профиля и показаны основные геометрические размеры: δ — рабочий зазор; b — ширина зубца; t — ширина площадки на кромке зубца; α — угол между поверхности вала и зубца.
Если принять, что весь зазор заполнен магнитной жидкостью, а вязкость ее не зависит от градиента скорости сдвига и магнитной индукции, определим момент трения соответственно для полюсов различной конструкции, проинтегрировав отношение по ширине полюса:
Момент трения зависит от величины рабочего зазора и, следовательно, от шероховатости и волнистости поверхностей полюса (рис. 1. б, в).
С целью исследования влияния размера рабочего зазора на изменение критического перепада давлений и потерь на трение была разработана установка (рис. 2), включающая неподвижный вал 1, сменную втулку 2,. съемные полюсы 3 из разных материалов, постоянную втулку 4 из немагнитного материала.
Сменные втулки изготавливались из сталей ст. 3, 20Х13, Х18Н10Т и при проведении экспериментов приводились во вращение со скоростью 10-5000 об/мин.
Наружная поверхность втулки 2 обрабатывалась точением, шлифованием и алмазным выглаживанием с целью получения разной величины шероховатости поверхности, влияющей на величину рабочего зазора между втулкой и полюсами 3.
Неподвижная втулка 4 соединяется с тензодатчиком, позволяющим измерять величину момента трения.
Установка позволяет проводить исследования с разной скоростью вращения втулок; магнитами из разных материалов; втулками с разной величиной шероховатости поверхности, позволяющей изменять размер рабочего зазора.