CC BY
619
УДК 546.722
Применение магнитной жидкости в технологиях сервиса транспортных средств
Владимир Алексеевич Сучилин, д.т.н., проф., e-mail: [email protected] Игорь Энгельсович Грибут, к.т.н., проф.
Сергей Анатольевич Голиков, к.т.н., ст. преподаватель
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Рассмотрены области практического использования магнитных жидкостей в различных отраслях народного хозяйства, а также проблемы, связанные с герметизацией деталей типа вал в транспортных средствах; осуществлен сравнительный анализ способов герметизации; показано, что герметизация подобных деталей магнитной жидкостью обладает несомненным преимуществом перед широко применяемым в технике способом с использованием различных мягкоупругих уплотнителей.
Authors consider the practical use of magnetic fluids in various sectors of the economy, as well as problems associated with sealing of the shaft-type parts in vehicles; carry out a comparative analysis of sealing methods; show that sealing of these components with a magnetic fluid has an undoubted advantage over commonly used in technique way of using different soft-elastic seals.
Ключевые слова: магнитная жидкость, магнитные масла, магнитожидкостные герметизаторы, способ герметизации деталей.
Keywords: ferrofluid, magnetic oil, ferrofluid sealer, way of sealing components.
В настоящее время повышенный интерес к магнитным жидкостям (МЖ), проявляемый со стороны теоретиков и экспериментаторов, обусловлен тем, что МЖ как конструкционный материал обладают свойствами, которые во многом уникальны и трудно прогнозируемы. Уникальность этих свойств и возможность практического использования МЖ в различных отраслях народного хозяйства способствуют развитию фундаментальных исследований по их изучению.
Изобретение МЖ и магнитожидкостных герметизаторов (МЖГ) в начале 60-х годов прошлого века было связано с выполнением космических программ НАСА, поэтому МЖ и МЖГ сразу же нашли применение в космической и вакуумной технике. Пионером и мировым лидером в области технического и коммерческого использования магнитожидкостных технологий, в том числе вакуумных, является основанная в 1968 г. американская корпорация «Ferrofluidics Corporation», имеющая в настоящее время сеть филиалов в различных странах мира. Изделия этой фирмы широко используются для герметизации деталей (валов) вращательного и более сложных видов движения, в технологических процессах, где требуется поддержание глубокого вакуума, в производстве полупроводников, при напылении, металлизации, вакуумной сушке, в электронных микроскопах, вакуумных печах и т.п. В США существует постоянный и устойчивый промышленный спрос на МЖ и магнитожидкостные устройства, включая
магнитожидкостные вакуумные системы герметизации. Активные разработки в области применения вакуумных МЖГ ведутся в Японии, ФРГ, Франции и Великобритании. У нас в стране данной проблемой также занимаются многие научноисследовательские и учебные институты.
Особенно востребовано использование МЖ в области сохранения экологии при разливе опасных веществ. В настоящее время технологические процессы, связанные с нефтедобычей, нефтепереработкой, транспортировкой и хранением нефти и нефтепродуктов, представляют собой источник повышенной опасности для окружающей среды. Аварии на морских нефтяных платформах, крушения нефтеналивных судов, повреждения подводных участков нефтепроводов являются основной причиной масштабного загрязнения поверхностей водоемов и значительных участков береговой зоны. При этом наибольшую опасность для окружающей среды представляют тяжелые, смолистые фракции нефти, обладающие значительной вязкостью и не поддающиеся выветриванию.
Для сбора и удаления нефтяных пленок с поверхности воды широко используются пористые материалы, способные адсорбировать значительные количества жидкости. Основные требования к подобным материалам - высокая впитывающая способность и плавучесть в воде. Используемые сорбенты должны легко отделяться от очищаемой жидкости. Создание ферромагнитных сорбентов, способных на поверхности воды взаимодейство-
вать с нефтяной пленкой и образовывать суспензии по типу МЖ, позволяет решить проблему эффективного сбора нефтепродуктов с достаточно больших водных поверхностей при минимальном расходе сорбента.
Магнитные смазочные масла также находят все более широкое применение в различных узлах трения, и особенно работающих в режиме гидродинамической смазки. Наиболее важными свойствами магнитного масла (ММ) являются, несомненно, антифрикционные и противоизносные. Однако для реализации этих свойств необходимо, как правило, чтобы магнитное масло обладало определенными физико-химическим характеристиками, от которых в значительной степени зависят условия их применения в конкретных узлах трения. Также большое значение имеет конструктивное исполнение самих сопрягаемых элементов в узлах трения.
Промышленное использование вакуумных МЖГ у нас в стране пока еще весьма ограниченно, несмотря на явные технические преимущества МЖГ 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 необходимости в смазке;
• простота технического обслуживания;
• незначительные эксплуатационные расходы.
Магнитожидкие герметизаторы сохраняют работоспособность в любом пространственном положении, в статическом и динамическом режимах, в условиях переменных и знакопеременных давлений и вибрационных воздействий [1, 3].
К достоинствам МЖГ следует отнести также такие уникальные свойства, как способность МЖ выталкивать наружу попадающие в рабочий зазор МЖГ немагнитные частицы пыли или влаги (маг-нитолевитационный эффект) и способность к са-мозалечиванию.
В настоящей работе авторами проанализированы некоторые пути применения вакуумных МЖГ в условиях сервиса транспортных средств.
Магнитные жидкости - это коллоидные дисперсии магнитных материалов (ферромагнетиков: магнетита, ферритов) с частицами размером от 5 нм до 10 мкм, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводо-
родной или силиконовой) средах с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ) или полимеров [1]. Они сохраняют устойчивость в течение двух - пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами.
Важнейшим технологическим мероприятием, обеспечивающим возможность применения МЖГ в вакуумной технике, является разработка технологии получения высокоустойчивых МЖ на основе жидкостей-носителей, имеющих очень низкие значения давления насыщенных паров (порядка 10-9...10-7 мм рт. ст. при нормальных условиях). Чем успешнее будет решена проблема получения высокоустойчивых МЖ, тем надежнее будут работать вакуумные МЖГ и тем проще будет их конструктивное оформление [1].
К магнитным жидкостям для вакуумной техники предъявляется еще ряд специфических требований:
• МЖ должны иметь достаточно высокую намагниченность насыщения для уменьшения влияния центробежных сил при высоких скоростях вращения вала;
• МЖ должны иметь достаточно низкую вязкость в широком диапазоне рабочих температур для уменьшения разогрева МЖ в процессе работы, отрицательно влияющего на многие эксплуатационные характеристики МЖГ;
• МЖ должны обладать физико-химической совместимостью и химической инертностью относительно контактируемых сред и элементов конструкции МЖГ;
• МЖ должны иметь приемлемые техникоэкономические показатели (относительно невысокую стоимость, недефицитность компонентов, технологичность изготовления) для возможности широкого промышленного применения.
Магнитные жидкости на основе эфиров двухосновных кислот (диэфиров) и полифенилэфиров, обладающих низкой испаряемостью и низкой вязкостью, широко применяются для вакуумных МЖГ американской фирмой «Ferrofluidics Corporation». Японская фирма «Мацумото юсисэй-якусэй» 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 т в год. Японская фирма «Тохоку киндзоку
коге» применяет для вакуумных установок с разрежением до 10-8 мм рт. ст. МЖ собственного изготовления также на основе алкилнафталина под названием «Ferricolloid №-35Л», 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). Японская фирма «Исикавадзима Ха-рима» 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 ПАВ, поэтому в технологии получения высокостабильных МЖ важную роль играет правильный выбор этих веществ, которые должны хорошо адсорбироваться на поверхности коллоидных магнитных частиц и иметь химическое сродство к жидкой основе.
Традиционно применяемые стабилизаторы для магнетитовых МЖ - олеиновая кислота и другие жирные кислоты, которые хорошо стабилизируют высокодисперсный магнетит в среде углеводородов и нефтяных масел, но не обеспечивают достаточной 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 - кремний-органике (полиэтилсиликат-40, ПЭС-5, ПМС-50, ПМС-100 и др.), минеральных и вакуумных маслах, эпоксидных и новолачных смолах, легких углеводородах, а также МЖ с эффектом избирательного переноса и МЖ с магнитореологическим эффектом [2]. В качестве стабилизаторов используются такие вещества, как природные нафтеновые кислоты (ПНК), синтетические нафтеновые кислоты (СНК), синтетические нефтяные кислоты (СНКД), «Асидол-2» и а-метилциклогексенкарбо-овая 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.
В некоторых узлах машин и механизмов МЖ выполняет одновременно две функции: герметизацию и смазку рабочих поверхностей. Наличие в МЖ дисперсных частиц нанометровых размеров значительно улучшает смазывающие свойства жидкостей за счет усиления как гидродинамиче-
ского, так и граничного механизмов 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-исследова-ельких работ [2] 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.
Существует много способов получения МЖ. Одни 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. Можно воспользоваться другим способом, который разработали М. А. Лунина, Е. Е. Бибик и Н. П. Мату-севич. Он основан на использовании химических реакций, результатом которых является, например, выпадение магнетита [3].
Следует отметить ряд важных и перспективных моментов использования МЖ. Некоторые исследователи считают, что, например, автомобиль может обойтись без коробки передач, если на вал двигателя поставить маховик и кратковременно подключать мотор к колесам. Однако все попытки создать такую систему (ее называют импульсной передачей) наталкивались на низкую долговечность переключающего устройства. Магнитножидкостные же муфты сцепления практически не изнашиваются и позволяют создать автомобиль с очень низким расходом топлива.
Кроме того, МЖ на основе машинных масел или смазочно-охлаждающих материалов служит прекрасным герметизатором в различного рода уплотнениях, подшипниках трения и качения сложных узлах машин. Установленные по периметру уплотнения миниатюрные постоянные магнитные устройства не позволяют жидкости вытекать из зазора, и работоспособность узла трения увеличивается во много раз.
Принцип работы и техническое решение применения МЖ в качестве герметизатора можно проследить на схеме, приведенной на рис.1.
Проблема защиты корабля от течи вдоль вала гребного винта является известной и традиционной. Контактные уплотнения имеют высокий момент трения и быстро изнашиваются, а гидродинамиче-
Рис. 1. Принципиальная схема магнитожидкостного уплотнения вращающихся валов
Рис. 3. МЖГ с утопленным полюсным наконечником (вариант № 1): 8 - рабочий зазор; 1 - постоянный магнит; 2 - кольцевой полюсный наконечник; 3 - внутренний кольцевой выступ; 4 - обечайка; 5 - внешний присоединительный фланец; 6 - МЖ; 7 - вал; 8 - кольцевой посадочный элемент; 9 - корпус привода; 10 - концентраторы магнитного потока; 11 - немагнитное кольцо; 12 - немагнитный заполнитель; 13 - немагнитная крышка; 14 - немагнитный крепежный элемент; 15 - крепежный элемент
ские уплотнения работоспособны только при вращении вала. Магнитожидкостное уплотнение лишено этих недостатков, что и показано на рис.2.
Как отмечалось выше, конструктивное исполнение узлов, использующих принцип герметизации с помощью МЖ, может быть сложнее традиционных, в которых некоторую герметизацию обеспечивают различного вида уплотнения.
Рис. 4. МЖГ с утопленным полюсным наконечником (вариант № 2): 8 - рабочий зазор; 1 - постоянный магнит; 2 - кольцевой полюсный наконечник; 3 - кольцевой посадочный элемент; 4 - присоединительный фланец; 5 - бурт; 6 - МЖ; 7 - вал; 8 - немагнитная втулка; 9, 10 - проходное отверстие; 11 - немагнитный крепежный элемент; 12 - корпус привода; 14 - немагнитное кольцо
Рис. 2. Принципиальная схема устройства герметизации вала гребного винта от попадания морской воды
Рис. 5. Бескорпусный МЖГ с немагнитной втулкой в виде присоединительного фланца: 8 - рабочий зазор; 1 - постоянный магнит; 2, 3 - полюсный наконечник; 4 - МЖ; 5 - вал; 6 - кольцевая немагнитная втулка; 7 - проходное отверстие; 8, 12, 13 - крепежные элементы; 9 - корпус привода; 10,11 - посадочный элемент; 14 - немагнитное кольцо
Например, для реализации аксиально-намагниченной системы с ферромагнитным корпусом были предложены два варианта конструкции МЖГ с утопленным полюсным наконечником [2]. На рис. 3 представлен вариант № 1, в котором один из полюсных наконечников охвачен с зазором дру-
1 2 5
Рис. 6. МЖГ с подвижным замыкающим магнитопроводом: 1 - корпус; 2 - постоянный магнит; 3 - замыкающий магни-топровод; 4 - полюсный наконечник; 5 - МЖ; 6 - вал; 7 - немагнитный заполнитель
гим полюсным наконечником, выполненным в виде обечайки с внутренним кольцевым выступом и внешним присоединительным фланцем.
На рис. 4 показан вариант № 2 выполнения МЖГ с утопленным полюсным наконечником.
Существует еще одно конструктивное решение, где герметичность соединения деталей типа тяг или рычагов обеспечивается с помощью оси (болта), а МЖ перекрывает доступ абразивных частиц в зону трения деталей, обеспечивая снижение их изнашивания в процессе эксплуатации (рис. 5).
На рис. 6 приведена схема применения МЖ в узле с поступательным движением одной из деталей [2].
Таким образом, на основе приведенных схем применения МЖ в узлах трения можно отметить, что в автомобильной технике и других транспортных средствах использовать данный принцип гермети-
зации возможно практически во всех системах и агрегатах.
Однако конструктивное исполнение устройств, позволяющих применять МЖ для герметизации различных агрегатов, например, для автомобильной техники, еще только предстоит разработать. Хотя в этой области применительно к другой технике у авторов есть определенный опыт [4 - 6].
В частности, применение МЖ в узлах трения возможно также и во многих технических средствах сферы сервиса, например, в технологических машинах и оборудовании, в бытовых машинах и приборах. Известен, например, способ повышения надежности и долговечности швейных промышленных машин на основе использования магнитных масел в особо нагруженном узле, которым является челночное устройство [5], где МЖ выступает как смазывающий материал и как демпфирующая среда, а также применение магнитных масел в направляющих скольжения швейных полуавтоматов и робототехники [4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Портал «Магнитные жидкости» // www.magneticliguid.narod.ru (дата обращения 18.02.2011).
2. Патенты. Украина № №38762 А. 43012 А. 40492 А. 47792 А38664 А. 47834 А. 48676 А. «Магнитожидкостные герметизаторы» / П. С. Кирей.
3. ФертманВ. Е. Магнитные жидкости. М.: Высшая школа. 1988.
4. Сучилин В. А. Шарнирное соединение: А.с.1807266. 1993.
5. Патент РФ № 2070239. Челнок швейной машины / В. А. Сучилин. Бюл. № 34.1996.
6. Сучилин В. А. Применение магнитной жидкости в узлах трения // Вестник машиностроения. 1997. № 9. С. 52 - 53.
7. Сучилин В.А. и др. Влияние климатических факторов на эксплуатационные показатели конструкционных узлов и материалов автомобилей // Вестник ассоциаций вузов туризма и сервиса. 2010. № 4 (15). С.50 - 56.
Поступила 20 апреля 2011 г.
