Uszczelnienia z cieczą magnetyczną należą do klasy uszczelnień bezstykowych. Szczelność zapewnia płynny pierścień cieczy magnetycznej w regionie występu uszczelniającego. Charakteryzują się one małym momentem oporu i wysoką trwałością.
Praktycznie nie występuje zużycie elementów uszczelnienia. Mogą one pracować w szerokim zakresie parametrów pracy w statycznych oraz dynamicznych warunkach. Według producentów uszczelnień, jak Eagle Burgmann czy Htc Highlight Tech Corp., w testach helem uzyskiwano nieszczelność tego rodzaju uszczelnień na poziomie 5·10-10 Pa·m3/s.

Dwa rodzaje cieczy

Ciecze magnetyczne należą do grupy materiałów o sterowalnych właściwościach fizycznych, które mogą być zmieniane w wyniku działania pola magnetycznego. Sposób ich wytwarzania i potencjalne możliwości zastosowania opisał Jacob Rabinow, uzyskując stosowny patent. Szybki rozwój technologii związanych z zastosowaniem tych cieczy nastąpił, gdy NASA udostępniła na zasadach handlowych licencje na ich produkcję. Można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje cieczy magnetycznych: ciecz magnetoreologiczną (MRF) oraz ferrociecz (FF). Ciecze te różnią się przede wszystkim wielkością cząstek, przy czym ciecze FF wytwarzane są na bazie cząstek o średnicy rzędu kilku nanometrów, a ciecze MRF zawierają cząstki o rozmiarach rzędu kilku mikrometrów. Dodatkowo cząstki w tych cieczach pokrywane są czynnikiem powierzchniowo aktywnym (surfaktantem) w celu zapobiegania ich agregacji i sedymentacji.
Ze względu na istotne różnice w zachowaniu obydwu substancji, znajdują one zastosowanie w różnych aplikacjach technicznych. W uszczelnieniach wykorzystywana jest przede wszystkim ciecz FF. Pozostaje ona bowiem stabilna w warunkach oddziaływania 0,05÷0,1 ml zaaplikowana na jeden występ przy szczelinie „z”= 0,1 mm i nominalnej średnicy uszczelnienia Dn = 50 mm jest w stanie zapewnić szczelność w środowisku powietrza i próżni. W praktyce stosowane są różne kształty występu uszczelniającego (7) – rys. 1. Najczęściej jest to: trapez niesymetryczny i prostokąt. Większe wartości ciśnienia krytycznego otrzymywane są w przypadku trapezu niesymetrycznego, ze względu na wyższą wartość pola magnetycznego w regionie występu. Z kolei kształt prostokąta zajmuje mniej miejsca (wymiar w kierunku osiowym wału). Jest to też z technologicznego punktu widzenia łatwiejszy kształt do wytworzenia. Ma to szczególne znaczenie, gdy występy mają być wykonane na nabiegunniku, a nie na wale. Uszczelnienia z cieczą magnetyczną cechuje pozornie prosta
konstrukcja. W przypadku ich projektowania potrzebna jest jednak obszerna wiedza z zakresu konstrukcji, technologii, magnetyzmu, właściwości cieczy magnetycznych.

Uszczelnienia z cieczą magnetyczną mogą pracować w przypadku ciśnień nieprzekraczających 3,5 MPa. Konstrukcja w tym przypadku jest jednak bardzo skomplikowana i zajmuje dużo miejsca. Najczęściej ciśnienie robocze uszczelnianego czynnika
wynosi nie więcej niż kilka barów. W sprzyjających warunkach mogą pracować przez ponad 10 lat bez potrzeby
wykonywania przeglądów i bieżących napraw. Małe tarcie umożliwia osiąganie wysokich prędkości obrotowych do 10000 obr/min. Temperatura pracy uszczelnienia w zależności od rodzaju ferrocieczy, zastosowanego systemu chłodzenia może wahać się w zakresie od -100 do 200oC.

Budowa uszczelnienia z cieczą magnetyczną

Budowa oraz zasada działania typowego obrotowego uszczelnienia z cieczą magnetyczną przedstawiona jest na rys. 1a. Na rys. 1b przedstawiono konturowy rozkład indukcji magnetycznej w uszczelnieniu. Źródłem pola magnetycznego najczęściej jest magnes trwały (3) spolaryzowany w kierunku osiowym. Wał obrotowy (1) i nabiegunniki (4) są wykonane z materiału o właściwościach ferromagnetycznych. Elementy te stanowią główną część obwodu magnetycznego (2). Całość umieszczona jest w obudowie wykonanej z materiału o właściwościach paramagnetycznych. Ciecz magnetyczna (6) utrzymywana jest przez pole
magnetyczne na występach uszczelniających (7) i stanowi barierę dla uszczelnianego medium (5).

W uszczelnieniach z cieczą ferromagnetyczną możemy wyróżnić pięć parametrów decydujących o klasyfikacji i rodzaju konstrukcji. Są to parametry: geometryczne, konstrukcyjne, magnetyczne, warunki pracy i właściwości samej cieczy magnetycznej. Wielkości te są wzajemnie powiązane i sprzężone ze sobą. O wielkości uszczelnienia decyduje jego średnica nominalna Dn. Można wyróżnić trzy podstawowe wielkości: uszczelnienia małe (0÷50 mm), średnie (50÷100 mm), duże (powyżej 100 mm). Istotnym parametrem geometrycznym uszczelnienia jest wysokość szczeliny „z”. Decyduje ona o wartości i rozkładzie pola magnetycznego. W praktyce jej wartość mieści się w przedziale 0,05÷0,5 mm. Szczegółowa wartość uzależniona jest w znacznym stopniu od wymiarów uszczelnienia. O wyborze wysokości szczeliny decydują również możliwe niedokładności wymiarowe, kształtowe i położenia elementów konstrukcji. W przypadku niezachowania odpowiednich tolerancji może dochodzić do bicia osiowego i niekołowości występów, co może powodować zatarcie, szybkie zużycie i zniszczenie uszczelnienia. Duża wysokość szczeliny zwiększa ilość aplikowanej cieczy oraz obniża możliwy zakres ciśnień pracy. Należy zaznaczyć, że w celu zapewnienia poprawnej pracy uszczelnienia wystarczy tylko niewielka ilość cieczy magnetycznej. Objętość rzędu 0,05÷0,1 ml zaaplikowana na jeden występ przy szczelinie „z”= 0,1 mm i nominalnej średnicy uszczelnienia Dn = 50 mm jest w stanie zapewnić szczelność w środowisku powietrza i próżni. W praktyce stosowane są różne kształty występu uszczelniającego (7) – rys. 1. Najczęściej jest to: trapez niesymetryczny i prostokąt. Większe wartości ciśnienia krytycznego otrzymywane są w przypadku trapezu niesymetrycznego, ze względu na wyższą wartość pola magnetycznego w regionie występu. Z kolei kształt prostokąta zajmuje mniej miejsca (wymiar w kierunku osiowym wału). Jest to też z technologicznego punktu widzenia łatwiejszy kształt do wytworzenia. Ma to szczególne znaczenie, gdy występy mają być wykonane na nabiegunniku, a nie na wale. Uszczelnienia z cieczą magnetyczną cechuje pozornie prosta konstrukcja. W przypadku ich projektowania potrzebna jest jednak obszerna wiedza z zakresu konstrukcji, technologii, magnetyzmu, właściwości cieczy magnetycznych.

Cały artykuł czytaj w czasopiśmie "Pompy Pompownie" nr 1/2018.