CC BY
120
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
УДК 546.722
Использование магнитной жидкости для смазки и герметизации узлов технических средств бытового обслуживания
Владимир Алексеевич Сучилин, д.т.н., проф., e-mail:[email protected] Леонид Михайлович Мисюрин, ст. преподаватель Сергей Анатольевич Голиков, к.т.н., ст. преподаватель
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Рассмотрены способы практического использования магнитных жидкостей и магнитных масел в технических средствах бытового обслуживания и сервиса; проанализированы возможности смазывания и герметизации деталей узлов трения магнитными маслами, обусловленные их антифрикционными и противоизносными свойствами; представлена методика оценки несущей способности магнитных масел.
The article considers methods of practical use of magnetic fluids and magnetic oils in technical facilities of general services and analyses possibilities of lubrication and sealing of friction assemblies components with magnetic oils stipulated by their antifriction and wear-resistant properties. The authors offer methodology of assessment magnetic oils bearing capacity.
Ключевые слова: магнитная жидкость, магнитные масла, магнитожидкостные герметизаторы, способ герметизации деталей.
Keywords: magnetic fluid, magnetic oils, magneto-liquid sealer, method of components sealing.
Магнитные жидкости (МЖ) - это высокоустойчивые коллоидные растворы твердых магнитных материалов, например магнетита, в различных жидкостях-носителях; их свойства определяются содержанием твердой магнитной составляющей, которая может достигать 25 % и более от общего объема МЖ. Размер частиц магнитной составляющей 10 - 15 нм. В качестве жидкости-носителя могут использоваться вода, углеводороды, масла, кремнийорганические жидкости и др. Магнитные масла (ММ) - это магнитные жидкости, полученные на основе использования, например, машинных масел.
В настоящее время магнитные жидкости широко применяются в машиностроении в следующих целях [1, 2]:
• для герметизации вакуумных вводов (до
10 - 6 мм рт. ст.) вращательного движения,
обеспечивают при этом надежную работу
уплотнений в течение длительного времени (1 - 3 года) без замены рабочей жидкости;
• для смазки узлов трения, где важно удерживать смазку, предотвращая ее утечки и разбрызгивание;
• для повышения эффективности процесса механической обработки металлов, где МЖ будет являться технологической жидкостью, и в многих других случаях.
Магнитные смазочные масла также находят все более широкое применение в различных узлах трения, особенно работающих в режиме гидродинамической смазки. Наиболее важными свойствами магнитных масел являются, несомненно, антифрикционные и противоизносные. Однако для реализации этих свойств необходимо, как правило, чтобы магнитное масло удовлетворяло определенным физико-химическим характеристикам, от которых в значительной степени зависят условия их применения в конкретных узлах трения, а также
большое значение имеет конструктивное исполнение самих сопрягаемых элементов в узлах трения.
Промышленное использование МЖ в качестве герметизирующей среды, которые в данном случае именуются магнитно-жидкостными герметиками (МЖГ), у нас в стране пока еще весьма ограниченно, несмотря на их явные технические преимущества по сравнению с традиционными уплотнениями. К таким преимуществам относятся:
• практически нулевые утечки герметизируемой среды при заданных условиях работы;
• отсутствие износа вала и низкие потери мощности двигателя вследствие чисто жидкостного трения в зазоре между подвижными и неподвижными элементами;
• отсутствие во многих случаях необходимости в смазке;
• простота технического обслуживания;
• незначительные эксплуатационные расходы. Магнитно-жидкостные герметики сохраняют
работоспособность в любом пространственном положении, в статическом и динамическом режимах, в условиях переменных и знакопеременных давлений и при вибрационных воздействиях [1, 2].
К магнитной жидкости для вакуумной техники предъявляется еще ряд специфических требований, согласно которым они должны обладать следующими качествами:
• иметь достаточно высокую намагниченность насыщения для уменьшения влияния центробежных сил при высоких скоростях вращения вала;
• иметь достаточно низкую вязкость в широком диапазоне рабочих температур для уменьшения разогрева МЖ в процессе работы, отрицательно влияющего на многие эксплуатационные характеристики МЖГ;
• обладать физико-химической совместимостью и химической инертностью относительно контактируемых сред и элементов конструкции узлов;
• иметь приемлемые технико-экономические показатели (относительно невысокую стоимость, недифицитность компонентов, технологичность изготовления) для возможности широкого промышленного применения;
• обладать низкой испаряемостью и низкой вязкостью.
Магнитные жидкости с подобными свойствами широко применяются для вакуумной техники американской фирмой «Ferrofluidics Corporation». Японская фирма «Мацумото юсисэй-якусэй», в
частности, использует для вакуумных герметизаторов МЖ на основе алкилнафталина, давление паров которой составляет 9-10-8 мм рт.ст. при температуре 20°С. О значительных масштабах применения МЖ свидетельствует тот факт, что МЖ этой фирмы, известные под фирменным наименованием «Марпомагна», производятся в количестве порядка 8 тонн в год. Японская фирма «Тохоку киндзоку коге» для вакуумных установок с разрежением до 10-8 мм рт. ст. применяет обладающую высокой намагниченностью и низким давлением паров (7-10-10 мм рт. ст. при 20°С и 5-10-3 мм рт. ст. при 150°С) МЖ собственного изготовления также на основе алкилнафталина под названием «Ferricolloid №-35А». Японская фирма «Исика-вадзима Харима» производит для вакуумных герметизаторов МЖ на основе другого производного нафталина - айкосилнафталина, давление паров которого составляет 9-10-8 мм рт. ст. при 20°С [1].
Стабилизация коллоидной системы магнитных частиц в МЖ осуществляется с помощью, например, поверхностно-активных веществ (ПАВ), поэтому в технологии получения высокостабильных МЖ важную роль играет правильный выбор ПАВ, которые должны хорошо адсорбироваться на поверхности коллоидных магнитных частиц и иметь химическое сродство с жидкой основой.
Кроме того, в качестве традиционно применяемых стабилизаторов для магнетитовых МЖ могут быть олеиновая кислота и другие жирные кислоты, которые хорошо стабилизируют высокодисперсный магнетит в среде углеводородов и нефтяных масел, но не обеспечивают достаточно высокой стойкости магнетита в вакуумных маслах, в щелочных и кислотных средах, при взаимодействии с жидкими средами, при повышенных или пониженных температурах.
В настоящее время разработаны технологии получения МЖ на различных основах: кремнийор-ганических жидкостях, минеральных и вакуумных маслах, эпоксидных смолах, легких углеводородах, а также МЖ с эффектом избирательного переноса и МЖ с магнитореологическим эффектом [2]. В качестве стабилизаторов используются также такие вещества, как природные нафтеновые кислоты (ПНК), синтетические нафтеновые кислоты (СНК), синтетические нефтяные кислоты (СНКД), «Асидол-2» и а-метилциклогексенкарбоновая кислота (а-МЦГКК).
В отличие от олеиновой кислоты перечисленные вещества характеризуются значительно более стабильными физико-химическими свойствами, а
также отсутствием примесей, которые могли бы негативно повлиять на стабильность МЖ.
Как отмечалось выше, МЖ в узлах трения машин и механизмов может выполнять одновременно две функции: герметизацию и смазку рабочих поверхностей. Наличие в МЖ дисперсных частиц нанометровых размеров значительно улучшает смазывающие свойства жидкостей за счет усиления как гидродинамического, так и граничного процесса смазки. Введение в МЖ добавок, инициирующих эффект избирательного переноса, обеспечивает дополнительное улучшение и стабилизацию смазочных свойств МЖ, что, в свою очередь, приводит к значительному повышению надежности узлов трения и расширению областей применения МЖ.
Результатом многолетних научно-исследовательских работ [1] стало получение высокостабильных, относительно недорогих МЖ на основе вакуумных масел и других жидкостей с низким давлением насыщенных паров, которые могут быть рекомендованы для применения в вакуумном оборудовании.
Известно, что существует много способов получения магнитных жидкостей. Некоторые из них основаны на размельчении железа, никеля, кобальта до сотых долей микрона с помощью мельниц, дугового или искрового разряда, с применением сложной аппаратуры и ценой больших затрат труда, а другие (в частности, способ, который разработали М.А. Лунина, Е.Е. Бибик и Н.П. Матусе-вич) используют химические реакции, результатом которых является, например, выпадение магнетита [2].
Важно отметить, что возможности расширения применения МЖ в машиностроении связывают с разработкой полимерных магнитов. Они появились в пятидесятых годах прошлого века и, несмотря на очевидные преимущества, имели ограниченное применение, так как их магнитные свойства были невысоки. Получают такие магниты, называемые также магнитопластами, или, в зависимости от типа полимерного связующего, магнито-эластами, из композиционных материалов, содержащих магнитный наполнитель (магнитный порошок) и полимерное связующее. Низкие магнитные свойства полимерных магнитов первого поколения были связаны с тем, что магнитный наполнитель, используемый для их получения, требовал дополнительной высокотемпературной обработки изделий (так называемой «вторичной ферритиза-ции»). Невозможность такой операции для магни-
тов на полимерном связующем существенно снижала их магнитные характеристики.
Появление второго поколения полимерных магнитов связано с разработкой технологии получения магнитных наполнителей, не требующей высокотемпературного обжига изделий. Как следствие, производство магнитопластов и маг-нитоэластов стало развиваться опережающими темпами.
В отличие от традиционных магнитов изделия из полимерных магнитов легко обрабатываются, обладают высокой ударной прочностью, могут быть гибкими и эластичными. Только из таких материалов могут быть изготовлены магнитные профили с сечением сложной конфигурации и листовые магниты. Несомненным достоинством полимерных магнитов является возможность получения изделий высокопроизводительными методами, характерными для переработки пластмасс - литьем под давлением, экструзией и каландрованием, благодаря чему их производство более экономично по сравнению с обычными керамическими или металлическими магнитами. Можно также отметить коррозионную устойчивость, возможность получать изделия сложной формы, например, типа зубчатых колес, изделия с резьбовыми отверстиями и т.д. Подобные изделия отличаются высокой точностью и стабильностью размеров и магнитных параметров и не требуют дополнительной обработки.
Все вышеперечисленные свойства МЖ позволят использовать их и в оборудовании, находящемся в личном пользовании у населения. При этом сократится время обслуживания домашней техники и увеличится срок ее службы, что будет способствовать повышению ее надежность и, как следствие, росту доверия к отечественной технике, а следовательно, развитию соответствующих отраслей промышленности.
В сфере бытового обслуживания и сервиса применяются технические средства самой широкой номенклатуры. Это насосы, вентиляторы, пылесосы, полотеры, стиральные машины, аппараты химической чистки и еще многие десятки машин, агрегатов и механизмов различной конструктивной сложности, которые значительно различаются исполнительными механизмами и рабочими процессами, а также нагрузочными характеристиками на детали и узлы. Данная техника имеет, как правило, приводы в виде электродвигателя, отличающееся типом, конструкцией, мощностью и другими параметрами.
Узлы трения отмеченной техники работают в различных условиях нагружения и смазывания сопряженных поверхностей деталей, что требует специфики конструктивного исполнения этих узлов и средств их герметизации, поскольку негерметичные узлы трения более интенсивно изнашиваются по причине попадания в зону трения узлов посторонних частиц (например, абразивных) в виде пыли. Кроме того, необходимо чаще подавать смазку в зону трения, так как ее сложно удержать длительно в зоне трения традиционными средствами уплотнения данных узлов. В качестве уплотнения узлов трения чаще всего применяют резину, войлок и другие упругие материалы. В процессе эксплуатации технических средств происходит изнашивание уплотняющих прокладок и, естественно, отмечается потеря смазки по причине ее протечки, что приводит к загрязнению прилегающих деталей и механизмов.
Современным способом герметизации узлов трения может стать использование для этой цели (и одновременно для смазывания сопряженных деталей) магнитной жидкости. Также МЖ можно применять и в процессе восстановления герметичности изношенных узлов трения, так как при этом не требуется значительных конструктивных изменений деталей узла. Главное в этом случае - рациональный выбор параметров, формы и месторасположения источника магнитного потока, предназначенного для удержания МЖ в узле трения. Естественно, указанные выше параметры формы и местоположения конструктивных элементов магнитопроводов в узлах трения разной техники также будут отличаться, иногда весьма значительно.
Поэтому для обеспечения надежной герметизации и работы каждого узла трения необходимо знать условия функционирования его в данной техническом средстве. Это важно, так как даже в одном и том же механизме узлы трения по-разному нагружены и имеют различные годографы сил, что отразится на работоспособности прослойки магнитной жидкости, обеспечивающей герметизацию узла.
Так, например, в машинах химической чистки, стиральных и многих других машинах годографы сил, действующих на узлы трения, имеют сложный вид, причем они меняются в зависимости от параметров рабочего процесса. В связи с этим рационально выбрать усредненную форму схемы нагружения узлов трения, т.е. воспользоваться инженерной интуицией, а работоспособность ре-
жима герметизации подтвердить на основе проведенного эксперимента.
На рис. 1 показана усредненная схема расположения максимальных значений сил реакций на поверхности втулки узла трения вращательного движения (а следовательно, и зон возможного максимального износа этой поверхности). Очевидно, что в случае использования магнитной жидкости в качестве герметика и смазки узла трения в этих местах слой магнитной жидкости будет испытывать максимальные нагрузки. Хотя слой магнитной жидкости будет равномерно распределен по цилиндрической поверхности втулки, но расчет функционирования данного слоя необходимо проводить в зоне действия максимальных нагрузок.
Рис. 1. Схема действия максимальной нагрузки на поверхность втулки
В данном случае важно знать несущую способность локальных пятен магнитной жидкости, так как основные нагрузки в отмеченных выше узлах трения технических средствах располагаются в радиальном направлении.
Общая несущая способность локальных пятен на внутренней поверхности втулки будет равна векторной сумме несущих способностей всех пятен магнитной жидкости:
F ол=Х F cos в. (1)
Несущая способность одного пятна магнитной жидкости может быть определена как гидродинамическая сила в масляном слое между пластинкой и движущейся плоскостью с учетом известного уравнения Рейнольдса (рис. 2) [3 - 5]:
±=-6^ {hi - Атах )Д2, (2)
где p - давление в масляном слое; л - динамическая вязкость масла; v - скорость охватываемой детали узла трения (вала); h и hmax - зазоры в произвольном сечении xi и в сечении максимального давления xmax соответственно.
Х{ . Р шах /
лщах /
Х0 >/ >
V <аг Ц10
XI ^
Рис. 2. Схема распределения давления в слое магнитной жидкости
Из геометрических соотношений (см. рис. 2) следует:
И, = а; Лтах = ахтах; к0 =ах0; а = ёкг/дх1 .
После подстановки полученных зависимостей в уравнение Рейнольдса и интегрирования получаем выражение для давления в виде функции
х! - х)(х - хо )
Р 2 / \ 2 . (3) а (х0 + хх) х
Несущая способность единицы длины в сечении пятна магнитной жидкости в результате интегрирования и введения безразмерных величин Их/И0 = хх)х0 = а определяется как
х1
^л = | рЛх = (б/лу/а2)(1п а - 2(а -1)/(а +1)), (4)
х0
где а = к0/ х0 .
После замены а на И0/х0 выражение (4) примет вид
рл = ^ 1) (1п а - 2(а - 1)!(а +1)) ’ (5)
к(а -1)
где Ь - размер пятна в направлении движения охватываемой детали.
Окончательно несущая способность одного пятна магнитной жидкости будет записана в следующем виде:
^л = 0,05 лпйИЬ2СИ (д2 (1 + X сой в) ), (б)
где п - частота вращения вала; Л - диаметр охватываемой детали; И - ширина втулки; Д - диаметральный зазор; х - относительный эксцентриситет втулки и вала; Си = 1,25^ (1 + (Ь/Н )2 ) - поправка по Штибелю [5].
Варьируемым параметром в данной формуле будет динамическая вязкость магнитной жидкости /л .
Будем считать ее постоянной и равной вязкости индустриального масла с учетом степени наполнения его магнитными частицами, на основе которых может создаваться магнитная жидкость, например в среднем [л = 2,55-10-2 Нс/м2.
Приведенная методика оценки несущей способности магнитного слоя, разделяющего сопряженные детали узла трения, всегда будет иметь специфический подход, обусловленный различиями конструкций, размерных параметров, условий функционирования и нагрузочных характеристик этих узлов в технических средствах сферы быта и сервиса. Следовательно, может понадобиться экспериментальная проверка, особенно герметичности узла, так как несущая способность магнитной жидкости в радиальном направлении данного конкретного узла не позволяет гарантированно знать степень корреляции ее с уровнем герметичности в осевом направлении. (Необходимая экспериментальная установка планируется к выпуску авторами в ближайшее время.)
Таким образом, показано, что при ремонте технических средств для герметизации и смазки широкого круга узлов трения, входящих в состав агрегатов различной техники, используемой в сфере бытового обслуживания и сервиса, можно применять магнитные жидкости и магнитные масла.
Эта технология доказала свою эффективность применительно к другим техническим средствам [6 - 8], поскольку обеспечивает снижение затрат на ремонтные работы и продлевает ресурс при эксплуатации техники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Портал «Магнитные жидкости» // www.magnetic1iguid.narod.ru (дата обращения 20.01.2012).
2. Фертман В. Е. Магнитные жидкости. М.: Высшая школа. 1988.
3. Крагельский И. В., Михин Н. М. Узлы трения машин. М.: Машиностроение. 1984.
4. Решетов Д. Н. Работоспособность и надежность деталей машин. М.: Высшая школа. 1974.
5. Трибология и надежность машин: Сб. научн. тр. ин-та машиноведения им. А. А. Благонравова /под ред. В. С. Адуевского и Ю. П. Дроздова/ М.: Наука. 1990.
6. Патент РФ № 2070239. Челнок швейной машины / В. А. Сучилин. Бюл. № 34.1996.
7. Сучилин В. А. Применение магнитной жидкости в узлах трения // Вестник машиностроения. 1997. № 9. С. 52 - 53.
8. Сучилин В. А., Грибут И. Э., Голиков С. А. Применение магнитной жидкости в технологиях сервиса транспортных средств // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2011. Т. 7. № 4. С. 41 - 45.
Поступила 15.03.2012 г.
