ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В РАБОЧЕМ ЗАЗОРЕ МАГНИТОЖИДКОСТНОГО ГЕРМЕТИЗАТОРА

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В РАБОЧЕМ ЗАЗОРЕ МАГНИТОЖИДКОСТНОГО ГЕРМЕТИЗАТОРА

Научная статья

Полетаев В.А.^1, *, Власов А.М.², Пахолкова Т.А.³

^{1, 2, 3} ФГБОУ ВО Ивановский государственный энергетический университет, Иваново, Россия

* Корреспондирующий автор (Poletaev[at]tam.ispu.ru)

Аннотация

С помощью метода конечных элементов исследуется магнитное поле рабочего зазора магнитожидкостного герметизатора. Показано распределение напряженности поля вдоль поверхности магнитопроводящего вала, отвечающего за  максимальную удерживающую способность рабочего зазора магнитожидкостного герметизатора. Получена  подробная информация о характере распределения  параметров поля в зазоре в пределах зубцового деления, выявлены зоны повышенной напряженности магнитного поля около кромок зубца, определены форма и размеры их границ, показан характер распределения напряженности в этих зонах.

Ключевые слова: магнитожидкостный герметизатор, магнитное поле, распределение напряженности в рабочем зазоре, напряженность.

STUDY OF THE MAGNETIC FIELD IN THE FRONT GAP OF MAGNETIC FLUIDAL SEALER

Research article

Poletaev V.A.^1, *, Vlasov A.M.², Pakholkova T.A.³

^{1, 2, 3} FSBEI HE Ivanovo State Energy University, Ivanovo, Russia

* Corresponding author (Poletaev[at]tam.ispu.ru)

Abstract

The article studies the magnetic field of the front gap of the magnetic fluidal sealer using the finite element method. The distribution of the field strength along the surface of the embankment conducting magnet responsible for the maximum holding capacity of the front gap of the magnetic fluidal sealer is shown. Detailed information was obtained on the nature of the distribution of the field parameters in the gap within the slot pitch, areas of increased magnetic field stress near the slot edges were identified, the shape and size of their boundaries were determined, and the nature of the distribution of stress in these zones was shown.

Keywords: magnetic fluidal sealer, magnetic field, distribution of tension in the front gap, potential stress.

Введение

Герметизаторы– это устройства, обеспечивающие герметичность при передаче вращающего момента из одной среды в другую. Большое распространение в технике получили магнитожидкостные герметизаторы для герметизации валов при передаче вращения в вакууме, в газовых, парогазовых и жидких средах [1], [2].

Наиболее распространена цилиндрическая конструкция МЖГ (рис. 1), в которых роль уплотнителя зазора между вращающимся валом и неподвижными деталями играет магнитная жидкость.

 

Рис. 1 – Цилиндрическая конструкция МЖГ: 1–вал; 2 – полюсный наконечник; 3– постоянный магнит; 4–магнитная жидкость

 

Для увеличения удерживаемого перепада давлений и уменьшения осевого размера МЖГ на его полюсах выполняются концентраторы магнитного поля (зубцы) различной формы [3]. Предлагаются различные формы зубцов, обладающие своими достоинствами и недостатками. Обычно применяемые в МЖГ зубцы и распределение магнитного поля под ними представлены на рис. 2.

Рис. 2 – Различные формы зубцов, применяемые в МЖГ

 

Основные характеристики магнитожидкостного герметизатора (МЖГ) определяются параметрами магнитного поля в рабочем зазоре.  В МЖГ традиционной конструкции рабочий зазор образован обращенными друг к другу поверхностями полюсной приставки и вала (рис. 3).

Рис. 3 – Распределение напряженности в зазоре

 

Полюсная приставка и вал выполнены из магнитомягкого материала, что позволяет, меняя форму их поверхности,  влиять на магнитное поле в зазоре. Обычно на поверхности полюсных приставок или вала выполняют последовательно расположенные зубцы одинаковой формы (рис.1.а, б, в), которые создают в зазоре резко неоднородное поле с волнообразной формой распределением напряженности поля [4], [5], [6].

Как правило, рабочие зазоры МЖГ лежат в пределах 0.05÷0.1 мм. Чем ниже величина зазора, тем меньше габариты герметизатора, спроектированного на заданные параметры. Уменьшение зазора, ниже указанного в диапазоне, затруднено по технологическим причинам.

Точность существующего на сегодняшний день технологического оборудования не позволяет обеспечить приемлемый эксцентриситет вала относительно полюсных приставок. Малая величина зазора долгое время была камнем преткновения на пути исследования магнитного поля рабочего зазора МЖГ. Существующее приборное оборудование не позволяет экспериментально исследовать магнитное поле непосредственно в зазоре герметизатора . Исследование закономерностей распределения поля на физических моделях увеличенного зазора по времени и финансово очень затратно, если учесть, что геометрия рабочей зоны определяется 5÷6 геометрическими параметрами и магнитными свойствами материалов деталей, образующих зазор [7]. Единственно реальным способом исследования магнитного поля в зазоре МЖГ является способ математического моделирования.. Это позволяет провести исследование МЖГ на качественно новом уровне.

Рассмотрим более подробно магнитное поле в зазоре, в котором поверхность вала выполнена гладкой, а на поверхности полюсной приставки расположен ряд симметричных   трапецеидальных зубцов с размерами: δ=0,1 мм, b/δ=30, t₁/δ=3, t₂/δ=6, α=β=60º (рис.4).

Рис. 4 – Расчетная область

 

Так как все зубцы на полюсной приставке имеют одну и ту же геометрию, то и распределение магнитного поля в зазоре под ними будет одинаковым. Поэтому достаточно рассмотреть магнитное поле под одним из них. Выбираем средний зубец б .

Расчетная область справа и слева ограничивается границами зубцового деления, нижняя граница проводится на расстоянии 10δ от поверхности вала, а верхняя на расстоянии  5 δ от основания зубца.

Магнитное поле рассчитывалось методом конечных элементов, который позволяет учесть нелинейность магнитных свойств используемых сред и достаточно точно воспроизвести границы раздела сред. Использовалась мелкая расчетная сетка, состоящая из 350000 элементов.

На рис. 5 представлен фрагмент расчетной сетки в зазоре. Площадка зубца длиной 0.3 мм  разбивалась на 100 делений, соответствующих сторонам  элементов сетки.

Рис. 5 – Элемент расчетной сетки

Рис. 6 – Распределение индукции в зазоре:

а –  на расстоянии 0.01δ от поверхности вала,

б –  на расстоянии 0.9δ от поверхности вала

 

На рис.6, а  показано распределение индукции вдоль зазора на расстоянии 0.001мм (0,01δ) от поверхности вала.

Средняя индукция в зазоре задавалась равной 0,1 Тл. Можно видеть, что по сравнению с равномерным зазором (когда поверхности полюсной приставки и вала гладкие)  зубцы позволили значительным образом перераспределить индукцию в зазоре. Индукция плавно возрастает от В_min=0.03 Тл на границе зубцовых делений до максимального значения под кромкой зубца В_max=0,39 Тл. и плавно убывает при движении к следующей границе.

Максимальное значение индукции превышает  минимальное в 13 раз. Если посмотреть на распределение индукции в сечении, проходящем вблизи поверхности зубца, то можно обнаружить, что оно практически совпадает с предыдущим в областях расположения межзубцовых границ, и существенным образом отличается по форме в зоне минимального зазора.

Заключение

Кривая распределения индукции меняет свой плавный закругленный вид на седлообразныйс двумя острыми пиками. Пики расположены напротив кромок зубца, а низшая точка седлообразной кривой -  напротив середины площадки t₁ на зубце. Под кромкой зубца понимается пересечение площадки t₁ и боковой образующей зубца.  Для более детального изучения магнитного поля в области минимального зазора, зазор был просканирован параллельными сечениями, расположенными на различном удалении от поверхности вала. Было обнаружено, что характер распределения индукции в различных сечениях (рис. 7) меняется постепенно от вала к зубцу.

Рис. 7 – Геометрия расчетной области и линии магнитного потока

Первое, что можно отметить, индукция на линии симметрии зубца при перемещении от вала к зубцу возрастает. Для рассматриваемой геометрии зубца и заданной средней индукции изменение составляет около 4,5 %. Эта особенность объясняется тем, что линии поля, сконцентрированные зубцом, в зазоре при удалении от зубца, рассредотачиваются, что можно наблюдать на (рис. 8).

Рис. 8 – Распределение индукции в сечениях

 

Второе, характер распределения индукции вдоль зазора меняется. В сечениях близких к поверхности зубца на пике кривой распределения индукции начинают формироваться  две локальные выпуклости, расположенные напротив кромок зубца, которые при приближении к зубцу, приобретают ярко выраженный характер (рис. 7). Так если рассматривать поле в сечении на расстоянии 0.1δ от поверхности полюса, то экстремальное значение индукции на горбе отличается от значения индукции центре в 1,27 раза. В непосредственной близости к кромке зубца (0.01δ) индукция в зазоре может отличаться от индукции напротив центра зубца в разы. Так в нашем примере  на расстоянии одного микрона от кромки разница индукций составляет 2,2 раза.

На рис. 8 пунктирной линией показаны найденные границы зоны. Размер зон соответствует принятым исходным параметрам рассматриваемого случая. Очевидно, что эти границы будут меняться в зависимости от геометрии зубца, магнитных свойств стали полюса и вала, величины проходящего через зубец магнитного потока [8].

Таким образом, исследование магнитного поля в рабочем зазоре МЖГ позволило получить подробную информацию о характере распределения  параметров поля в зазоре в пределах зубцового деления, выявить зоны повышенной напряженности магнитного поля около кромок зубца, определить форму и размеры их границ, показать характер распределения напряженности в этих зонах  и использовать полученную информацию при проектировании  и изготовлении  магнитожидкостных  герметизаторов [9], [10].

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Страдомский Ю.И. Магнитная проводимость зазора магнитожидкостного уплотнителя и ее влияние на удерживаемый перепад давлений. /Магнитные жидкости в электрических аппаратах с магнитожидкостным рабочим телом./ Ю.И. Страдомский, С.М. Перминов. //Межвузовский сборник научных трудов. – Иваново, – ИЭИ, – 1982, – С. 47-57.
2. Страдомский Ю.И. Исследование рабочей зоны магнитожидкостного уплотнения./ Ю.И. Страдомский, С.М. Перминов, С.С. Борисов. //Материалы 3 Всесоюзной школы-семинара по магнитным жидкостям. – М. МГУ, –1983, – С. 239–240.
3. Полетаев В.А. Применение концентраторов магнитного поля прямоугольной формы в магнитожидкостных герметизаторах / В.А. Полетаев, С.М. Перминов, А.М. Власов, Т.А. Пахолкова, //Новые материалы и технологии в машиностроении: сборник научных трудов. –Брянск: ФГБОУ ВПО "Брянская государственная инженерно-технологическая академия".– 2014. – №20. – С. 59 – 62
4. Перминов С.М. Исследование магнитного поля рабочего зазора магнитожидкостного герметизатора./ С.М. Перминов // Сборник научных трудов 14 международной Плесской конференции по нанодисперсным магнитным жидкостям, Россия, Плес, –2010. – С. 385 – 394.
5. Перминов С.М. Исследование магнитного поля рабочего зазора магнитожидкостного герметизатора классической конструкции./ С.М. Перминов, В.А. Полетаев, Т.А.  Пахолкова, А.С. Перминова. // Вестник ИГЭУ, Вып.5 – Иваново, –2011. – С.49-51.
6. Полетаев В.А. Роль площадки на острие зубца в формировании магнитного поля и удерживающей способности рабочего зазора иагнитожидкостного уплотнения./ В.А. Полетаев, С.М. Перминов, Т.А.  Пахолкова, //Вестник ИГЭУ, –Вып .5, –2011, –С. 32–34.
7. Перминов С.М. Исследование магнитного поля рабочего зазора магнитожидкостного герметизатора./ С.М. Перминов // Сборник научных трудов 14 международной Плесской конференции по нанодисперсным магнитным жидкостям, Россия, Плес, – 2010. – С.385 – 394.
8. Полетаев В.А. Распределение магнитного поля в рабочем зазоре и окружающем магнитную систему пространстве магнитожидкостных герметизаторов./ В.А. Полетаев, С.М. Перминов, Т.А. Пахолкова, А.М. Власов, //16-я Международная Плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям, сентябрь 2014, Плес: сборник научных трудов. – Иваново. –2014. – С. 401 – 410
9. Полетаев В.А. Установка для исследования влияния величины рабочего зазора на момент трения магнитожидкостных устройств./ В.А. Полетаев, Т.А. Пахолкова, А.М. Власов, //Трение и смазка в машинах и механизмах, – № 9, – 2013, – С. 29– 31
10. Полетаев В.А. Разработка новых конструкций комбинированных магнитожидкостных уплотнений. / В.А.. Полетаев, А.В. Топоров, А.А. Покровский, В.П. Зарубин // Сборка в машиностроении, приборостроении, – Москва.–2017. – №1. – Т.18. – С. 30 – 33

Список литературы на английском языке / References in English

1. Stradomskij YU.I. Magnitnaya provodimost' za-zora magnitozhidkostnogo uplotnitelya i ee vliyanie na uderzhivaemyj pe-repad davlenij /Magnitnye zhidkosti v ehlektricheskih apparatah s magni-tozhidkostnym rabochim telom [Magnetic conductivity of the gap between the magnetic-liquid seal and its effect on the pressure differential retained / Magnetic fluids in electrical apparatus with a magnesium-liquid working fluid]. / YU.I. Stradomskij, S.M. Perminov. //Mezhvuzovskij sbornik nauchnyh trudov [Interuniversity collection of scientific papers]. – Ivanovo, – IEHI, – 1982, – P. 47-57. [in Russian]
2. Stradomskij YU.I. Issledovanie rabochej zony magnitozhidkostnogo uplotneniya [Study of the working area of the magnetic-liquid seal]. / YU.I. Stradomskij, S.M. Perminov, S.S. Borisov. //Materialy 3 Vsesoyuznoj shkoly-seminara po magnitnym zhidkostyam [Materials of the 3rd All-Union Workshop on Magnetic Fluids]. – M. MGU, –1983, – P. 239–240. [in Russian]
3. Poletaev V.A. Primenenie koncentratorov magnitnogo polya pryamougol'noj formy v magnitozhidkostnyh germetizatorah [The use of rectangular magnetic field concentrators in magnetic liquid sealers] / V.A. Poletaev, S.M. Perminov, A.M. Vlasov, T.A. Paholkova, //Novye materialy i tekhnologii v mashino-stroenii: sbornik nauchnyh trudov. –Bryansk: FGBOU VPO "Bryanskaya gos-udarstvennaya inzhenerno-tekhnologicheskaya akademiya" [New materials and technologies in engineering: a collection of scientific papers. –Bryansk: FGBOU VPO “Bryansk State Impact Engineering and Technological Academy”].– 2014. – №20. – P. 59 – 62. [in Russian]
4. Perminov S.M. Issledovanie magnitnogo polya rabochego zazora magnitozhidkostnogo germetizatora [Investigation of the magnetic field of the working gap of the magneto-liquid sealer]. / S.M. Perminov // Sbornik nauchnyh trudov 14 mezhdunarodnoj Plesskoj konferencii po nanodispersnym magnitnym zhidkostyam [Proceedings of the 14th International Ples World Conference on Nanodispersed Magnetic Fluids], Rossiya, Ples,–2010. – P.385 – 394. [in Russian]
5. Perminov S.M. Issledovanie magnitnogo polya rabochego zazora magnitozhidkostnogo ger-metizatora klassicheskoj konstrukcii [Study of the magnetic field of the working gap of a magneto-magnetic germetizer with a classical construction]. / S.M. Perminov, V.A. Poletaev, T.A. Paholkova, A.S. Perminova. // Vestnik IGEHU [Vestnik of ISPU], Vyp.5 – Ivanovo, –2011. – P. 49-51. [in Russian]
6. Poletaev V.A. Rol' ploshchadki na ostrie zubca v formirovanii magnitnogo polya i uderzhivayushchej sposob-nosti rabochego zazora iagnitozhidkostnogo uplotneniya [The role of the platform on the tip of the tooth in the formation of a magnetic field and the holding capacity of the working gap of the magnetic liquid-liquid compaction]./ V.A. Poletaev, S.M. Perminov, T.A. Paholkova, //Vestnik IGEHU [Vestnik IPEU], –Vyp .5, –2011, –P. 32–34. [in Russian]
7. Perminov S.M. Issledovanie magnitnogo polya rabochego zazora magnitozhidkostnogo germetizatora [Investigation of the magnetic field of the working gap of the magneto-liquid sealer]./ S.M. Perminov // Sbornik nauchnyh trudov 14 mezhdunarodnoj Plesskoj konferencii po nanodispersnym magnitnym zhidkostyam [Collection of scientific papers of the 14th International Ples Conference on Nanodispersed Magnetic Fluids], Rossiya, Ples, – 2010. – P.385 – 394. [in Russian]
8. Poletaev V.A. Ras-predelenie magnitnogo polya v rabochem zazore i okruzhayushchem magnitnuyu sistemu prostranstve magnitozhidkostnyh germetizatorov [Distribution of the magnetic field in the working gap and the space of magnetic-fluid seals surrounding the magnetic system]./ V.A. Poleta-ev, S.M. Perminov, T.A. Paholkova, A.M. Vlasov, //16-ya Mezhdunarodnaya Plesskaya nauchnaya konferenciya po nanodispersnym magnitnym zhidkostyam, sentyabr' 2014, Ples: sbornik nauchnyh trudov [16th International Ples Scientific Conference on Nanodispersed Magnetic Fluids, September 2014, Ples: a collection of scientific papers.]. – Ivanovo. –2014. – S.401 – 410/ . [in Russian]
9. Poletaev V.A. Ustanovka dlya issle-dovaniya vliyaniya velichiny rabochego zazora na moment treniya magnito-zhidkostnyh ustrojstv [Installation for the study of the influence of the size of the working gap at the time of friction of magnetic-liquid devices]./ V.A. Poletaev, T.A. Paholkova, A.M. Vlasov, //Trenie i smazka v mashinah i mekhanizmah [Friction and lubrication in machines and mechanisms], – № 9, – 2013, – P. 29– 31/. [in Russian]
10. Poletaev V.A. Razrabotka novyh konstrukcij kombinirovannyh magnitozhidkostnyh uplotnenij [Development of new designs of combined magnetic-fluid seals..] / V.A.. Poletaev, A.V. Toporov, A.A. Pokrovskij, V.P. Zaru-bin // Sborka v mashinostroenii, priborostroenii [Assembly in mechanical engineering, instrument-making], – Moskva.–2017. – №1. – T.18. – P. 30 – 33. [in Russian]