Исследование воздействия магнитного поля на момент трения и герметизирующую способность магнитных жидкостей

УДК 621.822.741.1

DOI: 10.30987/article 5ba8a18c3524e8.26206454

СП. Шец, АО. Горленко

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА МОМЕНТ ТРЕНИЯ И ГЕРМЕТИЗИРУЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Исследовано влияние магнитного поля на момент трения магнитных жидкостей (МЖ) в соединении «вал - втулка» в зависимости от частоты вращения вала. Определены величины давления пробоя магнитных жидкостей в зазоре «вал - полюсный наконечник» в зависимости от частоты вращения вала и временного фактора. Для оценки устойчивости МЖ

предложен коэффициент стабильности, который способен учитывать структурные изменения МЖ во времени.

Ключевые слова: магнитная жидкость, момент трения, частота вращения вала, магнитное поле, герметичность, уплотнение.

S.P. Shets, A O. Gorlenko

INVESTIGATION OF MAGNETIC FIELD IMPACT UPON FRICTION MOMENT AND

SEALING ABILITY OF MAGNETIC LIQUIDS

A magnetic field impact upon a friction moment of magnetic liquids (ML) in a "shaft-bush" joint depending upon shaft rotation frequency is analyzed. There are defined pressure values of magnetic liquid breakdown in a "shaft-pole terminal" gap depending upon shaft rotation frequency and a time factor. For the assessment of ML

Введение

Одной из важнейших особенностей развития техники на современном этапе является создание искусственных материалов с заданными свойствами и применение их в различных технических устройствах. Магнитные жидкости (МЖ) относятся к новым техническим материалам, использование которых при разработке конструкций и технологий обеспечивает дальнейший технический прогресс. МЖ представляет собой взвесь мелких магнитных частиц в жидкостях-носителях. Такие МЖ макроскопически однородны, не расслаиваются в магнитных и гравитационных полях неограниченное время. От обычных жидкостей МЖ отличаются сильными магнитными свойствами, что сделало их перспективным материалом для технических приложений [1]. Физические свойства МЖ зависят от характеристик магнитного поля и могут изменяться в широких пределах. Практически все МЖ в качестве ферромагнитных микрочастиц содержат частицы размером до 0,01 мкм.

stability there is offered a factor of stability which can take into account ML structural changes in the course of time.

Key words: magnetic fluid, friction moment, shaft rotational frequency, magnetic field, tightness, sealing.

Для предотвращения агрегатирования частиц их покрывают молекулами поверхностно-активных веществ (ПАВ). Большинство МЖ относятся к непроводящим средам. При этом механизмы воздействия наложенного магнитного поля на МЖ связаны только с ее собственным магнитным моментом, который появляется во внешнем поле. Довольно часто взаимодействие поля с намагниченной жидкостью можно отнести к квазистационарному, когда время установления равновесного значения намагниченности намного меньше любого макроскопического времени. МЖ применяются для смазывания пар трения, функционирующих как при гидродинамической, так и при граничной смазке [2], а в некоторых узлах технических устройств МЖ может выполнять одновременно две функции: герметизации и смазки рабочих поверхностей [3;4]. Физические свойства МЖ имеют существенное значение при решении проблемы целесообразности применения МЖ в качестве уплотняющего

и смазывающего материала в конструкции

различных технических устройств.

Материалы, методы, результаты исследований

В большинстве магнитожидкостных устройств МЖ находятся под постоянным воздействием магнитного поля. Именно поэтому устойчивость магнитных жидкостей в постоянных и переменных магнитных полях является одним из важнейших факторов, определяющих возможность их практического использования и ресурс эксплуатации [5].

Выбор типа МЖ для исследования осуществлялся исходя из области их практического применения. Жидкости на основе минеральных масел (индустриальные, вазелиновые, турбинные, трансформаторные и вакуумные нефтяные масла) применяются в подшипниках скольжения и качения, зубчатых передачах и других узлах, в которых требуется высокая смазочная способность МЖ. Кремнийорганические жидкости - полиметилсилоксановые (ПМС), полиэтилсилоксановые (ПЭС) и полифенилметилсилоксановые (ПФМС) -применяются для уплотнений, работающих в области низких температур и в вакууме. Жидкости на основе фторорганиче-ских соединений используются в основном в уплотнениях для химического оборудования - вследствие особенностей химического взаимодействия с водой, водными растворами и минеральными маслами.

Для исследования были выбраны три типа МЖ, отличающиеся по составу жидкостей-носителей:

1) МЖ-17 - на основе минерального масла;

2) МЖ-20 - на основе кремнийорга-нической (силиконовой) жидкости ПЭС-5;

3) МЖ-31 - на основе фторорганиче-ских соединений.

Одним из важнейших параметров магнитожидкостных устройств является момент трения Мт, который влияет на величины передаваемых моментов и мощности. На момент трения Мт магнитожид-костного устройства влияют вязкость используемой магнитной жидкости, напряженность магнитного поля, градиент скорости сдвига в рабочем зазоре устройства, величина рабочего зазора, включающая величины шероховатости поверхностей деталей, контактирующих с магнитной жидкостью [6].

Исследование физических свойств МЖ и их влияния на момент трения Мт в соединении «вал - втулка» в зависимости от индукции магнитного поля В (магнитное поле переменное) и частоты вращения вала проводилось на экспериментальной установке [7] по схеме испытаний, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Схема испытаний: 1 - устройство фиксации; 2 - втулка; 3 - вал; 4 - исследуемая МЖ; 5 - соленоид

Исследования МЖ (рис. 1, поз. 4), находящейся в зазоре «вал - втулка» и

удерживаемой магнитным полем, создаваемым соленоидом (рис. 1, поз. 5), прово-

дились со следующими геометрическими размерами деталей в диапазонах значений изменяемых параметров:

- вал диаметром dвал = 16 ± 0,05 мм, изготовленный из стали 45 (ГОСТ 105088);

- втулка внутренним диаметром dвт = 18 ± 0,05 мм, изготовленная из меди МЗ (ГОСТ 859-78);

- частота вращения вала Пвала = 0.. .2800 мин-1;

- индукция магнитного поля В = 0.1,0 Тл;

- температура узла трения Т = 20.30 0С.

Результаты исследований по определению момента трения Мт в зависимости от частоты вращения вала 3 во втулке 2 (рис. 1) подшипникового узла для трех типов магнитных жидкостей после математической обработки представлены на рис. 2.

МЖ-31 МЖ-20 МЖ-17

0 400 800 1200 1600 2000 Частота вращения вала, об/мин

Рис. 2. Момент трения при постоянной величине индукции магнитного поля B = 0,6 Тл

Исследования показали тенденцию снижения момента трения для МЖ в среднем до 0,02.0,04 Нм в диапазоне малых частот вращения вала подшипникового узла (порядка 400.800 мин-1) при постоянной индукции магнитного поля В = 0,6 Тл.

При повышении частоты вращения вала происходит увеличение момента трения, что связано с изменением структурных составляющих МЖ. Однако значение момента трения для магнитной жидкости

на основе минерального масла МЖ-17 несколько ниже, чем у МЖ-20 и МЖ-31. Из этого следует, что при эксплуатации узлов трения с МЖ-17 потери мощности будут меньше, чем при МЖ-20 и МЖ-31.

Влияние индукции магнитного поля на момент трения в подшипниковом узле экспериментальной установки, заправленном исследуемой МЖ, при постоянной частоте вращения вала представлено на рис. 3.

X

сс

0,15 0,1 0,05 0

МЖ-31 МЖ-20 МЖ-17

0,2 0,4 0,6 0,8 1

Индукция магнитного поля, Тл

Рис. 3. Момент трения при постоянной частоте вращения вала п = 800 мин-1

При повышении индукции магнитного поля от 0,2 до 1,0 Тл при постоянной

частоте вращения вала 800 мин-1 для всех трех типов магнитных жидкостей наблю-

дается плавное увеличение момента трения в среднем от 0,03 до 0,09 Нм. Такое увеличение момента трения объясняется изменением вязкости МЖ при повышении индукции магнитного поля.

Исследования показали, что МЖ-17 на основе минерального масла обладает лучшей смазывающей способностью, а также меньшей динамической вязкостью, чем МЖ-20 и МЖ-31. Поэтому МЖ-17, в отличие от МЖ-20 и МЖ-31, может применяться в технических устройствах при

более высоких частотах вращения валов: она при равных условиях обладает меньшей вязкостью и будет иметь меньшие потери на трение.

Исследование герметизирующих свойств МЖ (величины давления пробоя) в зазоре «вал - полюсный наконечник» при постоянном магнитном поле (постоянный магнит) в зависимости от частоты вращения вала и времени работы проводилось с использованием стенда [7] по схеме испытаний, показанной на рис. 4.

Рис. 4. Схема испытаний: 1 - стеклянный корпус; 2 - однозубцовый полюсный наконечник; 3 - магнит; 4 -МЖ; 5 -пятизубцовый полюсный наконечник; 6 - вал

Исследования опытных образцов МЖ проводились с использованием стенда для проверки на герметичность магнитожид-костных уплотнений однополюсного исполнения.

Герметизирующая способность МЖ в зависимости от времени работы уплотнения определялась следующим образом:

- МЖ наносилась в зазор верхнего од-нозубцового и нижнего пятизубцового полюсов;

- величина давления пробоя определялась в статике и динамике (при неподвижном и вращающемся вале) опрессовкой жидким азотом с периодичностью по 38 раз в течение 366 ч.

За критерий оценки устойчивости для МЖ был принят коэффициент стабильности К , который рассчитывался по формуле

P - P

К L. = -2=-100,

р '

Pt

где Pmax - максимальное давление пробоя (давление пробоя, зафиксированное после 30 мин испытания), МПа; Pt - давление

пробоя (давление после времени t испытания), МПа.

Коэффициент стабильности определялся после 366 ч работы исследуемой МЖ.

Результаты испытаний МЖ представлены в таблице.

МЖ может быть рекомендована для использования в том случае, если ее коэффициент стабильности не будет превышать 5% по окончании испытаний. Гистограммы изменения коэффициента стабильности МЖ в сравнении со стандартным показателем представлены на рис. 5.