Исследование влияния магнитной жидкости на трение эластомерного материала по металлу

УДК 621.891

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ НА ТРЕНИЕ ЭЛАСТОМЕРНОГО МАТЕРИАЛА ПО МЕТАЛЛУ

А.В. Топоров, Н.А. Кропотова

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

М.Ю. Колобов

Ивановский государственный химико-технологический университет

В комбинированных магнитожидкостных уплотнениях магнитная жидкость может быть использована не только для герметизации рабочего зазора, но и как смазочный материал. Существует множество конструкций комбинированных уплотнений, в которых трущиеся части изготовлены из эластомерных материалов. Исследования, результаты которых отражены в статье, проводились на разработанной экспериментальной установке. Использовались магнитные жидкости, приготовленные на базовом индустриальном масле И-12А. Магнитной фазой в этих жидкостях являлось карбонильное железо, магнетит и их смесь. Получены зависимости момента трения от величины магнитной индукции для исследуемых магнитных жидкостей при различной чистоте обработки металлической поверхности трения. Момент трения для жидкостей на карбонильном железе меньше, чем для жидкостей на магнетите. С повышением чистоты обработки происходит уменьшение различий момента трения для магнитных жидкостей на магнетите и карбонильном железе. Исследования показали, что использование магнитной жидкости в качестве смазки в паре трения эластомер - металл позволяет снизить момент трения и износ контактирующих поверхностей.

Ключевые слова: трение, магнитная жидкость, эластомер, магнитожидкостные уплотнения, технология применения, экспериментальное приборостроение,

Применение традиционных смазочных материалов не всегда приводит к улучшению условий работы контактных уплотнений с эластомерным рабочим элементом. В комбинированных магнитожидкостных уплотнениях магнитная жидкость может выполнять функции уплотняющей среды и смазки контактирующих поверхностей [1-3]. При использовании магнитной жидкости, в качестве смазки, на процесс трения в паре эластомер - металл [4] оказывают влияние следующие факторы: состав и свойства магнитной жидкости; шероховатость поверхности металлического элемента, входящего в пару трения; скорость скольжения; контактное усилие в паре трения; смазочный материал.

В работе исследовано влияние магнитной жидкости на момент трения в контактирующей паре эластомер - металл. Исследования проводились на разработанной экспериментальной установ-

ке (рис. 1). Рабочий вал присоединен к приводному электродвигателю постоянного тока 2 посредством муфты с упругим элементом 3, на котором установлен металлический элемент трения 4. Частота вращения электродвигателя постоянного тока 2 регулируется при помощи комплектного электропривода 6 типа БУ3509-322У4. Частота вращения измеряется, при помощи установленного на валу оптического датчика 7, подключенного к измерительному прибору МОРИОН 8. Соединение вала и металлического элемента трения выполнено таким образом, что обеспечивается передача момента от вала на металлический элемент трения и допускает его осевое перемещение вдоль оси вала. Контактное усилие в узле трения создается при помощи пружины 9. Путем изменения усилия пружины, при помощи регулировочной гайки 10, можно регулировать контактное усилие в паре трения. Эластомерный элемент трения 11

закрепляется в проточке корпуса 12. В качестве эластомерного элемента трения используется резиновое кольцо круглого сечения по ГОСТ 9833 - 73, удовлетворяющее техническим требованиям (включая группу резины, ее физико-механические показатели) ГОСТ 18829 -80. Диаметр сечения кольца - 5мм. Корпус может вращаться независимо от вала. Такая конструкция корпуса позволяет производить измерение момента трения, возникающего в паре трения. Для измерения момента трения используются два тензодатчика 13 наклеенных на балку, конец которой жестко закреплен на неподвижной платформе. Выступ корпуса 12, воздействуя на тензобалку, приводит

к ее деформации, результатом чего является изменение сопротивления тензодат-чиков. Поступающий с тензодатчиков сигнал усиливается при помощи усилителя 14 и регистрируется милливольтметром 15. Питание усилителя осуществляется при помощи блока питания АГАТ 16. Изменение величины магнитной индукции осуществляется путем изменения величины постоянного тока в катушке 17, установленной в корпусе 12. Магнитная система сконструирована таким образом, что бы обеспечить наибольшее значение индукции в области трения образцов. Катушка через диодный мост 5 соединена со вторичной обмоткой ЛАТРа 18.

14 16 18

Рис. 1. Экспериментальная установка

Напряжение и ток в цепи электромагнитной катушки регистрируются

при помощи амперметра и вольтметра. Чтобы исключить влияние температуры

окружающей среды на процессы трения, необходимо обеспечить ее постоянное значение в течение эксперимента. С этой целью в корпусе 12 выполнена рубашка охлаждения 19, заполненная охлаждающей жидкостью. Рубашка охлаждения присоединена к термостату 20, который поддерживает постоянную температуру охлаждающей жидкости и обеспечивает ее циркуляцию в гидросистеме.

Конструктивно экспериментальная установка выполнена на раме, электрооборудование для защиты от вибраций, возникающих при работе установки, размещено на отдельной стойке 21,

являющейся также рабочим местом экспериментатора. Термостат для удобства пользования размещен на собственной подставке. Водопроводные соединительные шланги 22, имеют минимально возможную длину.

Исследования проводились с магнитными жидкостями, приготовленными на базовом индустриальном масле И-12А (ГОСТ 20799-88). Магнитной фазой в этих жидкостях являлось карбонильное железо, магнетит, и их смесь. Характеристики магнитных жидкостей представлены в таблице 1 .

Таблица 1

Характеристики магнитных жидкостей

№ Состав магнитной фазы Жидкость - Намагничен- Вяз- Плот-

% носитель ность насыще- кость ность

ния Па с г/см3

кА/м

Магнетит Карбонильное железо

1 25 Масло И-12А не ниже 26 0.03 -0.04 0.89

2 8 17 Масло И-12А не ниже 25 0.03 -0.04 0.89

3 25 Масло И-12А не ниже 21 0.04 -0.05 0.89

На рис. 2 представлены зависимости момента трения от величины магнитной индукции для исследуемых магнитных жидкостей, при различной чистоте обработки металлической поверхности трения.

Для всех случаев трения характерно незначительное уменьшение момента трения при увеличении магнитной индукции от 0 до 0.6Тл. Для всех испытываемых магнитных жидкостей уменьшение момента при В=0.6Тл не превышает 10% от величины момента при В=0Тл, причем наиболее заметное уменьшение момента трения происходит при возрастании индукции от 0 до

0.2 - 0.25Тл. Во всех случаях момент трения для жидкостей на карбонильном железе меньше, чем для жидкостей на магнетите. Характеристики жидкостей на смеси магнетита и карбонильного железа занимают промежуточное положение. С повышением чистоты обработки происходит уменьшение различий момента трения для магнитных жидкостей на магнетите и карбонильном железе. Так, для Я7=2.6мкм при В=0.2Тл момент трения уменьшается на 12%, а при Я^=0.6мкм снижение момента трения составляет 7%.

Рис. 2. Зависимость момента трения от величины магнитной индукции при У=2.04 м/с, Рк=2.203 Н/см:

1 - МЖ на магнетите (МЖ - 1), Яг=8.5; 2 - МЖ на магнетите и железе (МЖ - 2),

Кг=8.5;

3 - МЖ на железе (МЖ - 3), Кг=8.5; 4 - МЖ на магнетите (МЖ - 1), Кг=2.5; 5 - МЖ на магнетите и железе (МЖ - 2), Кг=2.5; 6 - МЖ на железе (МЖ - 3), Кг=2.5; 7 - МЖ на железе (МЖ - 1), Кг=0.6; 8 - МЖ на магнетите и железе(МЖ - 2), Кг=0.6 9 - МЖ на железе (МЖ - 3), Яг=0.6; 10 - И-12А без магнитного наполнителя, Яг=8.5; 11- И-12А без магнитного наполнителя, Яг=2.6; 12- И-12А без магнитного наполнителя, Яг=0.6

Таким образом, использование магнитной жидкости в качестве смазки в паре трения эластомер - металл позволяет снизить момент трения и тем самым износ контактирующих поверхностей.

В настоящее время из всего спектра устройств с магнитной нано-жидкостью наибольшее распространение получили магнитожидкостные уплотнения. Широкий круг применения магнитожидкостных уплотнений обу-

словлен рядом преимуществ по сравнению с традиционно используемыми видами уплотнений (сальниками, манжетами, торцовыми уплотнениями): высокой степенью герметичности, малыми потерями на трение, сравнимыми с потерями на трение в подшипниках качения, длительным сроком службы конструктивных элементов.

С целью расширения применения магнитожидкостных уплотнений их комбинируют с манжетами, торцо-

выми уплотнениями. При комбинировании с манжетами уменьшаются потери на трение, возрастает герметичность и долговечность работы манжеты, расширяется температурный диапазон при эксплуатации герметизирующего узла, что особенно важно для работы подшипниковых узлов при смазке их консистентными смазками. В случае работы магнитожидкостных уплотнений-совместно с торцовыми уплотнениями уменьшаются потери на трение в уплотняющей паре и ее работа без смазки, функции которой выполняет магнитная жидкость. Разработан ряд конструкций комбинированных магнито-жидкостных уплотнений. В результате модернизации можно значительно снизить количество отказов пожарных насосов за счет повышения надежности уплотнительных узлов.

Существуют статические магни-тожидкостные уплотнения для соединений требующих быстрого разъема конструкционных элементов, таких как фланцевых соединений. При использовании таких магнитожидкостных уп-лотненийв трубопроводах позволит предотвратить их механическое разрушение в случае повышения давления в системе.

С использованием магнитной жидкости разработаны различные типы

датчиков положения и давления, в которых магнитная жидкость используется в виде подвижного ферромагнитного сердечника, перемещающегося в электромагнитной системе и изменяющего параметры магнитной системы. Такие датчики могут использоваться в системах автоматического управления для регистрации изменения и регулирования давления. Датчики положения могут применяться для определения угла подъема автолестниц или коленчатых подъемников.

ЛИТЕРАТУРА

1. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Перспективы применения магнитожидкостных устройств в пожарной и аварийно-спасательной технике. // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2010. № 2. С. 63-64.

2. Сайкин М.С., Топоров А.В., Топорова Е.А. Повышение пожарной безопасности химических производств применением магни-тожидкостных герметизаторов валов мешалок. // Пожаровзрывобезопасность. 2015. Т. 24. № 1. С. 55-60.

3. Полетаев В.А., Топоров А.В., Покровский А.А., Зарубин В.П. Разработка новых конструкций комбинированных магнитожидко-стных уплотнений. // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2017. № 1. С. 30-33.

4. Мур, Д. Трение и смазка эластомеров. М.: Химия, 1977. 262с.

Рукопись поступила в редакцию 2.03.2017

RESEARCH OF THE INFLUENCE OF MAGNETIC FLUID ON THE FRICTION OF THE ELASTOMERIC MATERIAL ON THE METAL

A. Toporov, N. Kropotova, M. Kolobov

In combined magnetic fluid seals, the magnetic liquid can be used not only for hermetic sealing of a working backlash, but also as lubricant. There are many designs of combined seals, where friction parts are made of elastomeric materials. The researches, which results are reflected in article, were conducted on the developed experimental setup. The magnetic liquids prepared on base industrial oil I-12A were used. Magnetic phase in these fluids was carbonyl iron, magnetite and a mixture thereof. Dependences of the moment of a friction on size of a magnetic induction for investigated magnetic liquids are received, at various cleanliness of processing of a metal surface of a friction. The friction torque for liquids on carbonyl iron is less, than for liquids on magnetite. To increase of cleanliness of processing, there is a reduction of distinctions of the moment of a friction for magnetic liquids, on magnetite and on carbonyl iron. Researchers have shown, that use of a magnetic liquid as greasing, in the pair of friction pair elastomer - metal, allows to lower the friction moment and deterioration of contacting surfaces.

Key words: friction, magnetic fluid, elastomer, magnetic fluid seals,. technology of application, experimental instrumentation.