СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ МАГНИТОЖИДКОСТНЫХ УСТРОЙСТВ
PROCEDURE FOR INCREASING RESOURCE AND RELIABILITY OF MAGNET-LIQUID DEVICES

Изобретение относится к области приборостроения и машиностроения и может применяться при создании магнитожидкостных устройств с нанодисперсной магнитной жидкостью.
Известны магнитожидкостные устройства (звуковые динамики с магнитной жидкостью в зазоре, магнитожидкостные датчики, подшипники, муфты, уплотнения, сепараторы и т.д.), в которых нанодисперсная магнитная жидкость управляется или удерживается магнитным полем и контактирует с элементами магнитной системы (Магнитные жидкости в машиностроении. /Под ред. Д.В.Орлова. Москва, «Машиностроение», 1993 г.). Общими недостатками магнитожидкостных устройств являются их невысокие надежность и ресурс, что обусловлено присутствием около магнитопроводящих поверхностей зон с повышенной напряженностью магнитного поля, разрушающих нанодисперсную магнитную жидкость. Нанодисперсная магнитная жидкость представляет собой коллоидный раствор магнитных частиц в жидкости-носителе. Каждая частичка имеет размер порядка 10 нм, что меньше одного домена, поэтому частичка является двухполюсным постоянным магнитом, покрытым защитной оболочкой. Защитная оболочка ограничивает сближение отдельных частиц и не позволяет им слипаться. Энергии броуновского движения достаточно, чтобы коллоидный раствор находился в устойчивом состоянии и не расслаивался в течение длительного промежутка времени. При помещении магнитной жидкости в устройство, где существует магнитное поле, силы взаимодействия между частицами возрастают. У защитных оболочек частиц существует предел прочности, превышение которого приводит к тому, что оболочки разрушаются, частички слипаются и выпадают в осадок, нарушается устойчивость магнитной жидкости. В любом магнитожидкостном устройстве нарушение устойчивости нанодисперсной магнитной жидкости приводит к прекращению его работоспособности.
кр
Для каждой нанодисперсной магнитной жидкости существует критическое значение максимальной напряженности магнитного поля Н, до которого магнитная жидкость сохраняет свою устойчивость. Превышение критического значения напряженности приводит к потере устойчивости нанодисперсной магнитной жидкости.
мах
кр
Все магнитожидкостные устройства создаются исходя из параметров используемой нанодисперсной магнитной жидкости. При проектировании устройства следят, чтобы максимальная напряженность поля в области расположения нанодисперсной магнитной жидкости Н не превышала Н, что обеспечивает устойчивость нанодисперсной магнитной жидкости в магнитожидкостном устройстве и его работоспособность в течение продолжительного промежутка времени.
кр
При изготовлении деталей любых магнитожидкостных устройств на их поверхностях образуется множество микроскопических выступов и впадин, величина и количество которых определяют шероховатость поверхностей. Неровная форма поверхностей приводит к тому, что около магнитопроводящей поверхности происходит перераспределение напряженности магнитного поля. Выступы концентрируют магнитный поток, около выступов образуются зоны с повышенной напряженностью магнитного поля. Во впадинах напряженность поля ослаблена. При удалении от поверхностей неоднородность магнитного поля, обусловленная шероховатостью поверхности, постепенно ослабевает и исчезает. Толщина слоя, в котором существует неоднородность напряженности магнитного поля, не велика и определяется шероховатостью поверхности. Однако, по сравнению с размерами частиц жидкости, области неоднородного поля имеют значительные размеры. Так неровности шероховатой поверхности высотой порядка 1,25÷2,5 мкм в 100÷250 раз превышают размеры частиц магнитной жидкости. Поэтому все механизмы возникновения повышенного взаимодействия частиц и образования структурных агрегатов около поверхности действуют в полном объеме. Неоднородность магнитного поля в приповерхностном слое приводит к тому, что в зонах концентрации поля напряженность превышает Н, что вызывает процесс разрушения и расслоения нанодисперсной магнитной жидкости. В магнитожидкостных устройствах в динамическом режиме существует процесс перемешивания нанодисперсной магнитной жидкости. На место разрушившейся нанодисперсной магнитной жидкости втягивается другая, которая под воздействием чрезмерной напряженности поля также начинает разрушаться. При работе магнитожидкостного устройства происходит процесс постепенного разрушения нанодисперсной магнитной жидкости, который заканчивается на определенном этапе потерей работоспособности магнитожидкостного устройства.
Существование неоднородного магнитного поля в приповерхностном слое интенсифицирует также процесс образования агрегатов из наночастиц нанодисперсной магнитной жидкости в виде цепочек, что, в конечном итоге, приводит к повышению моментов трения и внутренних потерь магнитожидкостного устройства.
кр
Если при создании магнитожидкостного устройства снизить напряженность магнитного поля в рабочей зоне так, чтобы напряженность поля в этих зонах не превышала Н, применяемой нанодисперсной магнитной жидкости, то энергия магнитной системы существенно недоиспользуется, и устройство будет иметь увеличенные массу и габариты.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении ресурса и надежности магнитожидкостных устройств с нанодисперсной магнитной жидкостью.
z
z
Технический результат достигается тем, что поверхности магнитопроводящих деталей магнитожидкостного устройства, контактирующих с нанодисперсной магнитной жидкостью, обрабатывают механическим или гальваническим способом для понижения высоты и шага неровностей шероховатой поверхности, наносят защитный слой из немагнитного материала толщиной Δ=n×R, где 0,3≤n≤1 - коэффициент пропорциональности, a R, мкм, - высота неровностей профиля шероховатой поверхности, на которую наносят немагнитное покрытие, после чего в устройстве создают магнитное поле и вводят нанодисперсную магнитную жидкость.
На фиг.1 показан поверхностный слой магнитопроводящей детали, немагнитное покрытие и нанодисперсная магнитная жидкость над поверхностью, на фиг.2 - графическое представление распределения напряженности магнитного поля около поверхности магнитопроводящей детали и около поверхности немагнитного покрытия, на фиг.3 - магнитожидкостная муфта с немагнитным покрытием корпуса и диска.
z
Предлагаемый способ заключается в следующем. Шероховатую поверхность магнитопроводящей детали 1 (фиг.1), через которую замыкается магнитное поле и которая контактирует с нанодисперсной магнитной жидкостью 2 в устройстве, до сборки узла обрабатывают одним из известных способов: механическим (чистовой токарной обработкой, шлифованием, механическим полированием) или гальваническим (электрохимическим, химическим) полированием, уменьшая высоту и шаг неровностей шероховатой поверхности. После чего на поверхность обработанной детали наносят немагнитное покрытие 3 толщиной Δ=n×R, мкм, где 0,3≤n≤1 - коэффициент пропорциональности, a Rz, мкм, - высота неровностей профиля (Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Т.1, с.324). Значение n выбирается исходя из конкретных условий работы магнитожидкостного устройства. Минимальная величина коэффициента n устанавливается не ниже 0,3. При n=1 следы перераспределения напряженности поля на поверхности немагнитного покрытия практически отсутствуют и такой толщины немагнитного покрытия достаточно для реализации способа. Но различные способы нанесения немагнитных покрытий обеспечивают различную толщину покрытия. Если способ не позволяет создать покрытие толщиной n≤1, то в этом ничего страшного нет, немагнитное покрытие с n=3 будет также хорошо работать, как и в рекомендуемом диапазоне. После подготовки поверхностей деталей, предназначенных для контакта с нанодисперсной магнитной жидкостью, вышеописанным образом в магнитожидкостном устройстве создается магнитное поле и в магнитожидкостное устройство вводится нанодисперсная магнитная жидкость 2.
мах
мin
ср
В процессе обработки поверхности магнитопроводящей детали одним из известных способов понижают величину ее шероховатости, т.е. уменьшают высоту и шаг неровностей шероховатой поверхности. Такая операция приводит к следующим результатам. Равномерное магнитное поле рабочего зазора устройства вблизи магнитопроводящей поверхности перераспределяется, что обусловлено наличием выступов и впадин на шероховатой магнитопроводящей поверхности (кривая 1 на фиг.2). Около вершин выступов напряженность магнитного поля повышенная, в районах впадин - пониженная. Чем выше шероховатость, тем значительнее высота и площадь основания каждого выступа, тем с большей площади собирается магнитный поток и концентрируется на вершину одного выступа соответственно, тем выше степень перераспределения напряженности магнитного поля около поверхности. Чем меньше по размеру выступы, тем ниже степень перераспределения напряженности магнитного поля, тем ниже отклонение экстремальных значений напряженности Н и H (фиг.2) около магнитопроводящей поверхности от средней напряженности поля Н в зазоре, и на меньшем расстоянии от поверхности наблюдаются следы перераспределения поля. Т.е. чистовая обработка магнитопроводящей поверхности в предлагаемом способе позволяет снизить степень перераспределения напряженности магнитного поля около поверхности и глубину проникновения неоднородности поля в зазор (под глубиной понимается расстояние от магнитопроводящей поверхности).
На обработанную поверхность наносят немагнитное покрытие 3, например, хромированием, кадмированием, бронзированием, латунированием, золочением, серебрением, напылением и т.д. (фиг.1). Немагнитное покрытие 3 не влияет на магнитное поле в зазоре и его распределение около шероховатой поверхности. Но зоны повышенной напряженности магнитного поля, обусловленные шероховатостью поверхности, оказываются внутри немагнитного покрытия 3. Толщину немагнитного покрытия поверхности выбирают таким образом, чтобы следы перераспределения напряженности поля на поверхности немагнитного покрытия практически отсутствовали (кривая 2 на фиг.2). Таким образом, нанодисперсная магнитная жидкость, находящаяся в зазоре магнитожидкостного устройства, изолируется от зон с повышенной напряженностью магнитного поля, следовательно, нанодисперсная магнитная жидкость работает в однородном магнитном поле заданной напряженности и во время работы не происходит ее разрушения. Следует отметить, что предварительная чистовая обработка магнитопроводящей поверхности и понижение величины шероховатости позволяет уменьшить толщину слоя немагнитного покрытия, что важно при проектировании магнитожидкостных устройств.
z
Проведенные численные исследования показали, что наиболее рационально использовать немагнитное покрытие толщиной Δ, определяемой через величину R, мкм, - величину неровностей профиля шероховатой поверхности и коэффициент пропорциональности n, который должен быть не менее 0,3. При указанных параметрах коэффициента пропорциональности n зоны повышенной напряженности магнитного поля, разрушающие нанодисперсную магнитную жидкость, расположены внутри немагнитного покрытия и не оказывают отрицательного действия на нанодисперсную магнитную жидкость, а на поверхности немагнитного покрытия следы перераспределения напряженности поля практически отсутствуют.
z
Реализацию данного способа рассмотрим на примере магнитожидкостной муфты (Магнитные жидкости в машиностроении. /Под ред. Д.В.Орлова. Москва, «Машиностроение», 1993 г., с.117). Магнитожидкостная муфта состоит из корпуса 4 (фиг.3) и диска 5, которые выполнены из магнитопроводящего материала (Сталь 10). Между корпусом 4 и диском 5 существуют зазоры 6, заполненные нанодисперсной магнитной жидкостью 2. Магнитный поток 7 создается катушкой намагничивания (на фиг.3 не показана) и замыкается между противоположными стенками корпуса через зазоры 6 с магнитной жидкостью 2 и диск 5. Магнитопроводящие поверхности корпуса 4 и диска 5, контактирующие с нанодисперсной магнитной жидкостью 2, перед сборкой узла были подвергнуты чистовой обработке (методом шлифования), при этом высота неровностей профиля R была снижена с 40÷20 мкм до 2,5÷1,25 мкм, затем на поверхности было нанесено немагнитное (медное) покрытие 3 (методом омеднения) (фиг.3) толщиной Δ=1,2 мкм. При таком исполнении узла, зоны повышенной напряженности магнитного поля, обусловленные выступами шероховатой поверхности, расположены внутри немагнитного покрытия и не оказывают разрушающие действия на магнитную жидкость, а на поверхности немагнитного покрытия практически отсутствуют следы перераспределения напряженности поля.
Муфта была собрана, зазор 6 заполнен нанодисперсной магнитной жидкостью 2. В катушку намагничивания был подан ток, который создал магнитный поток 7 муфты, проходящий между противоположными стенками корпуса 4 через зазоры 6 с нанодисперсной магнитной жидкостью 2 и диск 5. Вязкость нанодисперсной магнитной жидкости возросла, что позволило передать требуемый момент с корпуса 4 на диск 5. При таком исполнении узла зоны повышенной напряженности магнитного поля, обусловленные выступами, шероховатостью поверхности, расположены внутри немагнитного покрытия и не оказывают разрушающие действия на нанодисперсную магнитную жидкость. Ресурс муфты вырос в 2,1 раза.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет исключить отрицательное воздействие приповерхностного перераспределения напряженности магнитного поля на нанодисперсную магнитную жидкость и повысить надежность и ресурс известных магнитожидкостных устройств.