Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ГЕРМЕТИЧНОГО НЕПОДВИЖНОГО РАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации неподвижных разъемных соединений, в частности, эксплуатируемых в средах с переменной магнитной проницаемостью. Существуют уплотнительные устройства, в которых для герметизации соединений используются средства намагничивания соединений или герметизирующих сред.

Известно уплотнение разъемного соединения (SU 815382) (1). Уплотнение состоит из магнитопроводов, закрепленных в кольцевой полости в месте соединения уплотняемых деталей. Магнитопроводы охватывают магнитное эластичное кольцо, полость которого заполнена магнитной жидкостью и соединена каналами с зазорами между магнитопроводами. При сборке соединения магнитное эластичное кольцо сжимается, магнитная жидкость вытесняется в зазоры между магнитопроводами и удерживается в них магнитным полем, создавая тем самым герметизацию стыка. Уплотняющая магнитная жидкость заполняет лишь зазоры между магнитопроводами, что действительно обеспечивает быструю сборку и разборку соединения.

Однако данная конструкция не может обеспечить герметичности при высоких значениях перепадов давлений, т.к. под воздействием высокого внешнего давления стенки кольцевого магнитопровода деформируются из-за уменьшения в объеме эластичного кольца и внешняя среда (жидкость) попадает во внутренний объем устройства. Таким образом, рассмотренный аналог не обеспечивает надлежащей герметичности при высоком внешнем давлении или при его резких перепадах.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является известная из уровня техники конструкция уплотнения неподвижного соединения (RU 2175416) (2), в которой на обращенных друг к другу поверхностях фланцев выполнены взаимно сопрягаемые канавки, образующие полость, в которой установлено упругое уплотнительное кольцо; причем полость заполнена ферромагнитной жидкостью и в ней размещена кольцевая электромагнитная система со схемой управления.

Однако применение такого устройства возможно лишь в условиях жидких герметизируемых сред без учета изменения их физико-механических (магнитных) свойств при эксплуатации. Известная конструкция соединения отличается сложностью из-за необходимости размещения электромагнитной системы внутри соединения.

В основу изобретения поставлена задача повышения надежности соединения, а именно повышение герметичности и ее сохранение в процессе эксплуатации во внешних средах, в том числе характеризующихся различной магнитной проницаемостью.

Дополнительной задачей является обеспечение возможности регулирования степени герметичности в зависимости от изменения свойств и параметров внешней среды.

Поставленная задача решается тем, что в способе герметичного неподвижного разъемного соединения, включающего индуцирование области соединения деталей, производят электризацию внешней среды (жидкости или газа), а соединение помещают в однородное магнитное поле, вектор магнитной индукции которого устанавливают перпендикулярно продольной оси соединения, или в неоднородное магнитное поле, напряженность которого уменьшается к торцам соединения; причем напряженность магнитного поля регулируется по величине магнитной проницаемости внешней среды на стыке деталей.

Дополнительная задача решается тем, что степень герметизации соединения определяется напряженностью внешнего магнитного поля, регулируемой по величине магнитной проницаемости среды на стыке соединения деталей.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлено:

фиг.1 - соединение в однородном магнитном поле торообразного индуктора;

фиг.2 - соединение в неоднородном поле соленоида.

Реализация изобретения рассматривается на примере обеспечения герметичности соединения типа «вал-втулка».

На торце неподвижного разъемного соединения вала 1 с втулкой 2 крепится источник электрического тока или ионизатор 5 (в случае эксплуатации соединения в среде газа). Соединение помещается в горообразный или соленоидальный индуктор 3, создающий однородное или неоднородное магнитное поле, причем в однородном поле вектор магнитной индукции изначально ориентируется перпендикулярно продольной оси соединения, а в неоднородном - напряженность уменьшается к торцам соединения. Индуктор подключен к генератору напряжения, входящему в состав блока автоматического управления 6 индуктором 3.

Блоком автоматического управления 6 индуктором 3 регулируется напряженность магнитного поля, индукция которого изменяется с потерей герметичности на стыке деталей вследствие проникновения внешней среды, характеризующейся магнитной проницаемостью, отличной от магнитной проницаемости материалов деталей соединения.

Действительно, при работе соединения деталей в условиях гидростатического давления жидкости или газа (среды) потеря герметичности обусловливает проникновение (перемещение) молекул в контактную зону стыкуемых поверхностей по диффузионному или дислокационному механизмам. При полной потере герметичности вследствие трибологических или иных процессов поверхностного разрушения происходит свободное перемещение молекул среды через поверхность стыка.

Однако при прохождении среды через источник электрического тока 5 или ионизатор молекулы (частицы) получают заряд величины q.

Из уровня техники известно, что если заряженная частица (имеющая начальную скорость), попадая в однородное магнитное поле движется со скоростью v вдоль линий магнитной индукции, то угол а между векторами v и магнитной индукции B равен 0 или π. Тогда сила Лоренца равна нулю, т.е. магнитное поле на частицу не действует и она движется равномерно и прямолинейно.

Однако в случае движения заряженной частицы со скоростью v в магнитном поле, перпендикулярно вектору B, сила Лоренца F=q[vB] оказывается постоянной по модулю и перпендикулярной к траектории частицы, что исключает ее перемещение (Фиг.1).

Таким образом, зная направление движения среды и учитывая возможность устанавливать изначально положение вектора магнитной индукции (например в горообразных магнитах), а также электрический потенциал среды, ее вязкость (плотность), проникающую способность и напряженность магнитного поля (магнитную индукцию), представляется возможным обеспечить силу Лоренца в величинах, достаточных для полного подавления движения заряженных частиц среды - реактивный эффект гидростатическому давлению внешней среды.

Аналогично в неоднородном магнитном поле (например, соленоида) составляющая магнитной индукции В' создает силу F', выталкивающую частицу в область слабого поля (фиг.2). Изначально движение частицы происходит по радиусу постоянной величины со скоростью v. Однако вследствие противодействия собственного магнитного поля частицы внешне наведенному магнитному полю, такое состояние оказывается неустойчивым. Вследствие этого частица выталкивается в область поля с пониженной напряженностью.

Кроме того, с учетом электромагнитных свойств среды, влияющих на силу тока в электромагнитной системе (индукторе и материалах деталей соединения), величина индукции оказывается корректируемой.

В собранном состоянии магнитное поле внутри соединения характеризуется постоянством градиента напряженности от торца втулки, что соответствует герметичному состоянию соединения.

Действительно, магнитная индукция поля внутри соленоида пропорциональна силе тока I и числу витков, приходящихся на единицу длины соленоида, т.е. величине n=N/l, где N - полное число витков соленоида, l - его длина.

Таким образом:

dB=µ₀d(nI)/Δ,

где Δ - форм-фактор заполнения соленоида.

В случае, когда соленоид находится в вакууме (состояние полной герметичности соединения), напряженность магнитного поля:

H=nI,

Однако в случае потери герметичности и проникновения внешней среды в пределы стыка связь B с H имеет вид:

B=µµ₀H,

где µ - относительная магнитная проницаемость среды.

В предложенном способе герметичного неподвижного разъемного соединения герметизация основана на создании реактивного эффекта отталкивания предварительно заряженных молекул внешней среды (жидкости или газа), проникающих на стык поверхностей сопрягаемых деталей, внешне индуцированным магнитным полем. Причем степень герметизации зависит от магнитной индукции, величина которой регулируется в зависимости от относительной магнитной проницаемости среды и от форм-фактора заполнения соленоида посредством ее прямого влияния на силу тока в электромагнитной системе.

Следует подчеркнуть, что при формировании неподвижных разъемных соединений (например, соединений с натягом) условия контактного взаимодействия поверхностей деталей обусловливают вакуумизацию стыка. При этом магнитная проницаемость деталей соединения может быть охарактеризована отношением магнитных потоков в конструкционных материалах Ф и в вакууме Ф₀ (µ=Ф/Ф₀).

Таким образом при допущении Ф=Ф₀ за единицу может быть принята магнитная проницаемость вакуума (µ=1).

Известно, что в среде с неизменной магнитной проницаемостью индукция магнитного поля пропорциональна его напряженности. Следовательно, магнитный поток от внешнего магнитного поля, изначально определенный для вакуума, зависит от магнитной проницаемости среды, присутствие которой на стыке соединения вследствие собственной магнитной проницаемости либо увеличивает магнитный поток, либо уменьшает его.

Известно, что для парамагнитных и диамагнитных сред магнитная проницаемость µ не зависит от магнитной индукции внешнего намагничивающего поля, т.е. представляет собой постоянную величину, характеризующую данную среду. Причем парамагнитные среды увеличивают магнитный поток соленоида, а диамагнитные - наоборот, ослабляют его.

Таким образом, присутствие внешней среды на поверхности стыка соединения обусловливает изменение магнитного потока и, соответственно магнитной индукции соленоида.

Устройство работает следующим образом.

Пример 1. Вначале во втулку 2 (фиг.1) запрессовывают вал 1 с заданными условиями соединения. На вал устанавливают источник электрического тока 5, один из полюсов которого крепят к торцам втулки 2. При этом второй полюс источника электрического тока имеет минимальный зазор по отношению к образующей вала 1. Соединение помещают в тороидальный электромагнит 3, подключенный к блоку автоматического управления с генератором напряжения, вольтметром и миллиамперметром (не показаны) 6 и устанавливают вектор магнитной индукции перпендикулярно продольной оси соединения.

Соединение помещают в камеру (не показана) под давлением 30-35 кПа, заполненную диамагнитным бензолом, магнитная проницаемость (1-µ) которого составляет 7,5 10^-6. Втулку 2 жестко фиксируют, включают источник электрического тока 5 и индуктор 3, а вал 1 нагружают известным способом механически в радиальном и осевом направлении относительно втулки 2 по симметричному знакопеременному циклу при величине нагрузки 1,5 H и частотой ее приложения 50 Гц до начала снижения силы тока, регистрируемого по показаниям миллиамперметра. Этот момент характеризует состояние работы соединения, при котором имеет место нарушение его герметичности и проникновение бензола на поверхности стыка. При этом блоком автоматического управления 6 индуктором 3 обеспечивается увеличение напряжения в обмотке тороида 3, изначально обеспечивающего напряженность магнитного поля в пределах 60 кА/м, в связи с чем напряженность магнитного поля также повышается до указанного значения.

Установлено падение величины силы тока при работе соединения в течение 268 часов. Общая наработка соединения составила 342 часа, которая лимитировалась необходимостью повышения напряженности магнитного поля более 60 кА/м.

Пример 2. Производят сборку соединения «вал-втулка» аналогичным образом. На вал 1 устанавливают ионизатор 5, который крепят к торцам втулки 2. Соединение помещают в соленоидальный индуктор 3 (фиг.2), плотность витков которого увеличивается с увеличением расстояния от торца втулки 2. Благодаря этому по длине втулки формируется неоднородное магнитное поле, напряженность которого уменьшается к ее торцу. Подключают индуктор к блоку автоматического управления 6 с генератором напряжения, вольтметром и миллиамперметром (не показаны).

Соединение помещают камеру под давлением 30-35 кПа с парамагнитным азотом, магнитная проницаемость (1-µ) которого составляет 0,013 10^-6. Включают ионизатор 5 и индуктор 3. Затем производят нагружение соединения по указанным в примере 1 режимам и регистрируют повышение силы тока по показаниям миллиамперметра. Этот момент характеризует состояние работы соединения, при котором имеет место нарушение его герметичности и проникновение азота на поверхности стыка. При этом блоком автоматического управления 6 индуктором 3 обеспечивается уменьшение напряжения в обмотке соленоида 3, изначально обеспечивающего напряженность магнитного поля в пределах 60 кА/м, в связи с чем напряженность магнитного поля также уменьшается до указанного значения.

Установлено увеличение величины силы тока при работе соединения в течение 187 часов. Общая наработка соединения составила 248 часов, которая лимитировалась необходимостью уменьшения напряженности магнитного поля до 60 кА/м.

Таким образом, в заявляемом способе герметичного неподвижного разъемного соединения степень герметичности основана на реактивном эффекте отталкивания предварительно заряженных молекул внешней среды магнитным полем, напряженность которого оказывается адаптируемой к магнитной проницаемости внешней среды.

Использованные источники

1. Авторское свидетельство СССР №815382, МКИ F16J 15/02, опубл. 25.03.81.

2. Патент РФ №2175416. Уплотнение неподвижного соединения, F16J 15/14, опубл. 27.10.2001.