УДК 621.7.06

ПРИМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАТОРОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ В МАГНИТОЖИДКОСТНЫХ ГЕРМЕТИЗАТОРАХ

 

APLICATION magnetic field concentrators rectangular shape in a magneto-liquid dock shelter

 

Полетаев В.А., Перминов С.М., Пахолкова Т.А., Власов А.М.  

   (ИГЭУ, г. Иваново, РФ)

Poletaev V.A., Perminov S.M., Paholkova T.A., Vlasov A.M.

(Ivanovo State Power University, Ivanovo, Russia)

 

В настоящее время в магнитожидкостных уплотнениях получили распространение зубцы-концентраторы прямоугольной формы, отличающиеся простотой и технологичностью. Исследования выявили  у зубцов прямоугольной формы недостатки – невысокую удерживающую способность и  повышенный  магнитный поток рабочего зазора. Предложен способ трансформации формы вершины зубца – закругление кромок.

Currently, battlements-concentrators of a rectangular shape  have proliferated   in ferrofluid -based seals, characterized by its simplicity and technological effectiveness. Examination showed that the teeth of rectangular shape have drawbacks - low retention capacity and increased  magnetic flux of the working gap. propose a method transforming forms the top of the prong  - rounding of the edges

 

Ключевые слова: магнитное поле, концентратор, герметизатор, рабочий зазор

Keywords: magnetic field, concentrator, dock shelter, working air gap

 

В рабочих зазорах магнитожидкостных уплотнений   с целью повышения их эффективности формируют  высоко градиентное магнитное поле с помощью концентраторов магнитного поля различной формы [1]. В России широко используются зубцы с трапецеидальной формой сечения .

За рубежом распространена прямоугольная форма зубца. Прямоугольная форма зубца более проста конструктивно и технологична при изготовлении. В тоже время сравнительные испытания уплотнений с  трапецеидальной и прямоугольной формой зубцов показали, что последние обладают более высокими  моментами трения [2], что приводит к дополнительным потерям энергии и разогреву. Зубцы с прямоугольной формой до настоящего времени в России детально  не исследовались, а информация о наиболее рациональных геометрических соотношениях формы зубца в зарубежной научно-технической литературе практически отсутствует. Поэтому вопросы определения удерживающей способности зубца с прямоугольной формой и нахождения наиболее оптимальных его геометрических соотношений представляют как научный, так и практический интерес. Геометрические параметры зубцов принято выражать в относительных единицах. За базовую величину принимается минимальная величина рабочего зазора δ (рисунок 1.). Основными геометрическими параметрами прямоугольного зубца являются: ширина зубца b, толщина – t1, высота – h, ширина канавки t2=b-t1. На рисунке  показана расчетная область, которая состоит из половины симметричного зубца.

Поставленная задача решалась методом математического моделирования магнитного поля в рабочем зазоре МЖУ. Использовался метод конечных элементов. При расчете учитывались нелинейные свойства материала зубца, и принималось допущение, что магнитная жидкость в зазоре отсутствует.

Рисунок  1- Зубец  прямоугольной формы

 

Граничные условия задавались следующим образом: на границе АБ векторный магнитный потенциал А постоянен и равен 0 и на границе ВГ магнитный потенциал А постоянен и определяется исходя из задаваемой средней индукции в зазоре. На границах БВ и АГ касательное поле Нσ=0.Расчетная сетка имела дифференцированный характер распределения элементов, с наименьшими элементами в области минимального зазора и более крупными у границ расчетной области, количество элементов расчетной сетки колебалось в пределах 210 –  840 тысяч.

Высота зубца h определяет глубину канавки между зубцами. Глубина канавки влияет на минимальную напряженность магнитного поля на поверхности вала - Нмин. Минимальная напряженность определяется также разностью магнитных потенциалов между магнитопроводящими поверхностями вала и зубца и удаленностью точки от образующих канавку поверхностей. Чем ближе данная точка расположена к образующим поверхностям зубца, тем выше значение минимальной напряженности, т.е. на Нмин влияет геометрическая характеристика канавки – соотношение высоты и ширины канавки h/t2.     

 Выполнение зубцов малой толщины t1≈(2÷4)δ приводит к значительному изменению индукции по высоте зубца не позволяет достигать высоких значений максимальной напряженности поля в рабочем зазоре, а следовательно, удерживаемых перепадов давлений. Для повышения удерживаемого прямоугольным зубцом перепада давлений необходимо увеличивать толщину зубца и среднюю индукцию в рабочем зазоре. Использование зубцов с увеличенной толщиной повышает перепад напряженности поля в зазоре, но такие зубцы существенно увеличивают рабочий магнитный поток и собственный момент трения уплотнения. Поэтому необходимо найти способ снижения магнитных потоков в рабочем зазоре при сохранении удерживающей способности прямоугольных зубцов.

Снизить кромочные магнитные потоки можно изменив форму вершины зубца. Выполним закругление кромки зубца, как показано на рисунке 2 пунктирной линией, и рассмотрим влияние радиуса закругления на параметры поля в зазоре. Магнитный поток зубца можно разбить на две составляющие: поток, выходящий из горизонтальной образующей поверхности зубца (участок 1-1′ на рисунке 2), и поток, выходящий из вертикальной образующей поверхности зубца (участок 1′-1′′). Магнитный поток,  выходящий из участка 1-1′, пропорционален его ширине -t1 и максимальной индукции в зазоре Магнитный поток на   участке 1′-1′′ выходит из полюса неравномерно. На рис. 2 показано распределение индукции около данной поверхности. Основная часть магнитного потока, выходящего с  боковой поверхности, сосредоточена у вершины зубца. Непосредственно у кромки, образованной пересечением вертикальной и горизонтальной образующими поверхностями зубца, наблюдается всплеск индукции. Кромка на полюсах магнитных систем обладает высокой рассеивающей способностью и выбрасывает через себя магнитный поток, значительно превышающий потоки, с прилегающих поверхностей. Расчеты показали, что с 10% боковой поверхности, примыкающей к вершине зубца, выходит более половины потока.  Такой характер распределения потоков, выходящих с боковой поверхности зубца, приводит к  стремительному уменьшению индукции в зубцах малой толщины в направлении от основания к его вершине[,снижению максимальной напряженности в рабочем зазоре и удерживающей способности зубца.

 

Рисунок 2-Зубец прямоугольной формы c закругленной кромкой

 

Прямоугольный зубец прост и технологичен в изготовлении, но обладает недостатками. Один из них – невысокая удерживающая способность, второй – повышенная средняя индукция рабочего зазора. Последний недостаток  обуславливает увеличение размеров источника магнитного поля и уплотнения в целом, а также повышенные моменты трения. Проведенные исследования показали, что значительная часть магнитного потока проходит через зону кромки на вершине зубца. Закругление кромок позволяет перераспределить магнитный поток в зубце и в рабочем зазоре, что приводит к повышению удерживающей способности зубца и снижению рабочего магнитного потока. Поверхность вершины зубца, имеющая в сечении полукруг, является наиболее эффективной из существующего многообразия закруглений.

 

Список использованной литературы

1. Магнитные жидкости в машиностроении / Д.В. Орлов, Ю.О. Михалев, Н.К. Мышкин и др.: Под общ. Ред. Д.В. Орлова, В.В. Подгоркова.  ̶  М.Машиностроение, 1993. ̶  272 с.

2. Полетаев В.А.,  Перминов С.М., Пахолкова Т.А. Перминова А.С., Исследование магнитного поля рабочего зазора магнитожидкостного герметизатора классической конструкции. Вестник ИГЭУ, Вып.5.  - Иваново,  2011.–  С. 42– 46.