в сфере
промышленной
безопасности
+375 (17) 328 48 76
Заявка
Введите код
Прикрепить файл
Прикрепить файл

Повышение промышленной безопасности технологического оборудования путем применения магнитожидкостных герметизаторов

А.В. Радионов ( ООО «НПВП «Феррогидродинамика», г. Николаев, Украина).

А.В.Курок (ООО «ИНТЕРЮНИС и К», г.Минск,  Республика Беларусь)

Экономический кризис, высокая степень изношенности технологического оборудования, расположение потенциальных объектов в густонаселенных районах, стремительный рост числа и масштабов техногенных катастроф не могут не создавать проблем в сфере промышленной и экологической безопасности.

Многие машины и конструкции следует рассматривать как источник повышенной опасности для людей и окружающей среды. Это неизбежный побочный результат научно-технического прогресса.

Значительное место в проблеме промышленной безопасности занимает безопасность при нормальной эксплуатации, которая в значительной степени определяется надежностью составляющих элементов оборудования или систем.

Разумеется, далеко не каждый отказ того или иного элемента технологического оборудования развивается в крупную системную аварию.

Однако анализ причин и хода развития произошедших крупных аварий показывает, что независимо от времени, типа производства и региона они оказываются поразительно совпадающими, если отвлечься от конкретных технических деталей.

Обычно аварии предшествуют фаза накопления каких-либо дефектов в оборудовании или отклонений от нормальных процедур ведения процесса.

Изучение обстоятельств аварийности и травматизма в отраслях показало, что наибольший вклад приносят такие источники опасности, как электросиловое оборудование, средства хранения токсичных и легковоспламеняющихся жидкостей, подвижное технологическое оборудование.

В этой связи актуальным является рассмотреть эксплуатационную надежность электрических машин переменного тока. Они массово используются на всех опасных производствах и  в значительной мере определяют эффективность применения всех технических средств. Недостаточная надежность электромашин приводит как к большим сверхнормативным расходам на преждевременные ремонты и внеплановые простои оборудования, так и к риску возникновения крупных техногенных и экологических катастроф.

Основные причины, определяющие работоспособность асинхронных и синхронных двигателей, делятся на две большие группы – связанные с обмоткой и подшипниками.

Подробнее остановимся на рассмотрении работы подшипников, т.к. согласно литературных данных, до 90% случаев аварийных разрушений подшипниковых узлов вызвано неудовлетворительной работой уплотнений. Потенциальные возможности традиционных уплотнений (манжетных, сальниковых, торцевых, лабиринтных и других типов) в значительной степени исчерпали себя, и обеспечить полную герметичность они не в состоянии.

Одним из возможных путей решения данной проблемы является применение нового типа уплотнений – магнитожидкостных герметизаторов (МЖГ).

 В упрощенном виде МЖГ можно представить как наборную магнитную систему, зажатую между двумя стальными кольцами – полюсными наконечниками, охватывающими вал снаружи и заключенными в немагнитную обойму.

Магнитное поле создается постоянными магнитами и замыкается через зазор между полюсными наконечниками и валом, который заполняется магнитной жидкостью, удерживаемой магнитным полем. Допустимая величина зазора составляет 0,2-0,25мм.

Магнитная жидкость представляет собой устойчивую взвесь магнитных наночастиц (характерный размер частиц – 5-50 нм) в какой-либо жидкой среде в присутствии поверхностно-активного вещества.

МЖГ имеет ряд преимуществ перед традиционными уплотнениями:

  • практически нулевые утечки герметизируемой среды;
  • минимальный износ вследствие чисто жидкостного трения;
  • низкие энергетические потери;
  • высокую ремонтопригодность;
  • работоспособность в статике и динамике.

Преимуществом МЖГ является также простота техобслуживания, фактически полное отсутствие влияния человеческого фактора. Это важно, т.к. проведенный в [6] обстоятельный анализ статистических данных по возникновению аварийных ситуаций свидетельствует, что свыше 60% аварий происходило из-за ошибок персонала, в то время как на отказ технических систем приходится 15…25%.

К недостаткам МЖГ следует отнести проблему совместимости магнитной жидкости и уплотняемой среды.

В качестве примера остановимся на конструкции МЖГ для синхронного электродвигателя типа СДН 2 – 17 – 44 мощностью 1600 кВт, выпускаемого АО «Завод крупных электрических машин» (г. Новая Каховка). Чаще всего он применяется для привода компрессоров, насосов, мешалок и т.д.

Подшипниковые узлы в месте выхода вала закрыты разъемными лабиринтными уплотнениями. Опора подшипника со снятой верхней крышкой показана на рис. 1. Конструкция штатного лабиринтного уплотнения  показана на рис. 2.

Подшипниковая опора со снятой верхней крышкой

Рис. 1. Подшипниковая опора со снятой верхней крышкой

Штатное лабиринтное уплотнение изготовлено из алюминия и состоит из двух частей – верхней и нижней. Со стороны вала на уплотнении расположены три кольцевых канавки. В нижней части центральной канавки выполнено сверление для стока масла в полость подшипника, в боковых канавках такие сверления отсутствуют.

Конструкция штатного лабиринтного уплотнения

Рис. 2. Конструкция лабиринтного уплотнения

Подобная конструкция уплотнений является весьма распространенной, но недостаточно эффективной и часто не учитывающей особенности работы конкретного подшипникового узла.

Проблема при эксплуатации электродвигателя состоит в выбрасывании масляного тумана и мелкодисперсного масла из подшипников, попадании его на обмотку электродвигателя и щеточное устройство, а также ухудшении условий работы обслуживающего персонала и потерях масла.

Жидкое масло, подаваемое в полость подшипника, образует на поверхности вала масляную пленку, которая, перемещаясь вдоль вала, часто проникает через бесконтактные уплотнительные устройства.

Конструкция  герметизатора, установленного на валу вышеуказанного двигателя, показана на рис. 3. Такой МЖГ выполнен по аксиальной схеме расположения постоянных магнитов, размеры штатного уплотнения позволили создать конструкцию без применения немагнитного корпуса. В данной конструкции использованы высокоэнергетические магниты из сплава неодим-железо-бор размером 20´10´6 мм, которые позволили создать достаточно мощную магнитную систему при небольших ее габаритах.

Данный герметизатор состоит из корпуса 1 с фланцем и кольцевой частью, выполняющей роль одного полюсного наконечника, второго полюсного наконечника с магнитной системой 2 между ними, разделяющего полюсные наконечники немагнитного кольца, крышки и отбойника 3, выполняющего функции лабиринтного уплотнения. Между отбойником и полюсным наконечником расположена разгрузочная полость.

Слив удерживаемого масла осуществляется по сверлениям, выполненным в ее нижней части и каждой полости отбойника. Для заправки магнитной жидкости в МЖГ имеется заправочный канал (на рисунке не показан). Такие герметизаторы хорошо зарекомендовали себя во время эксплуатации.

Распределение магнитной  индукции

Рис. 4. Общий вид типовой конструкции МЖГ а) распределение магнитной  индукции (показано в цвете и стрелками) в его активной зоне б)

Для проектирования МЖГ для каждого типоразмера вала и при различных значениях зазора между валом и герметизатором  разработана компьютерная методика расчета магнитного поля, удельных магнитных сил и гидродинамических процессов в его активной зоне. Пример распределения магнитной индукции в зазоре герметизатора показан на рис. 4, из которого видно, что величина магнитной индукции на поверхности зубцов достигает максимального значения, равного около 3 Тл. Разработанная методика используется для определения  оптимальной  структуры зубцовой зоны проектируемого МЖГ, ее использование особо важно при необходимости герметизации больших зазоров до 1 мм и более.

В заключение отметим, что магнитожидкостные герметизаторы вращающегося вала являются перспективным видом оборудования, обеспечивающим более надежную работу электрических двигателей и генераторов. В Украине благодаря усилиям таких организаций, как НПВП «Феррогидродинамика» и Институт электродинамики НАН Украины, разработана база для разработки, изготовления и внедрения традиционных конструкций МЖГ, а также созданы научные основы для проектирования новых видов герметизаторов и исследования физических процессов в магнитных жидкостях применяемых в таких герметизаторах.

Литература

  • Ветошкин А.Г., Таранцева К.Р. Техногенный риск и безопасность. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001. – 171с.
  • Шевчук В.П. Обеспечение работоспособности электрических машин переменного тока в горнодобывающей промышленности/Автореф. диссерт. канд. техн. наук. – Томск: Томский политехнический университет, 2005. – 24 с.
  • Шец С.П. Повышение износостойкости подшипниковых узлов трения машин и механизмов / Автореф. дис. докт. техн. наук. – Брянск, 2011. – 36 с.
  • Скаскевич А.А., Струк В.А. Основы герметологии. – Гродно: ГрГУ, 2010. – 140 с.
  • Берковский Б.М., Медведев В.Ф., Краков М.С. Магнитные жидкости. – М.: Химия, 1989. – 240 с.
  • Быков А.А. О проблемах техногенного риска и безопасности техносферы // Проблемы анализа риска. – 2012, Т. 9, №3 – С. 4-8.
  • Радионов А.В., Подольцев А.Д., Загорулько А.В. Конечно-элементный анализ магнитного поля и течения магнитной жидкости в активной зоне магнитожидкостного герметизатора вращающегося вала. Сб. Вибронадежность и герметичность центробежных машин. Сумы, 2011, с. 77-87.