Исследование, разработка и внедрение магнитожидкостных узлов трения

Актуальность работы. Магнитная жидкость (МЖ) на основе керосина, созданная в середине 60-тых годов американским исследователем Пайпелом С 1.17] .дала толчок к развитию качественно новых материалов, техники и технологии. Уникальные — свойства МЖ позволили в последующие годы создать абсолютно герметичные магнито-жидкостные уплотнения (МЖУ) валов и штоков, быстроразъемные уплотнения крышек и фланцевых соединений для вакуумной, химической и биологической технологийпылезащитные уплотнения для прецизионного оборудования и приборовгерметичные подшипниковые узлы и зубчатые передачи с магнитожидкостными смазочными материалами (МСМ) для работы в условиях неблагоприятного воздействия пара, морских брызг, широкого диапазона температурмагнитоуправляемые демпферы, виброизоляторы, муфты и тормоза для техники нового поколениявысокоточные магнитожидкостные датчики угла наклона, ускорения и малых перепадов давлений для систем автоматического регударования и измеренияустройства генерации и передачи звукамагнитные сепараторы и технологические среды для механической обработки материалов. Это лишь малая часть эффективного использования МЖ.

Большой вклад в развитие этого направления внесли ученые из бывшего СССР Е. Е. Бйбик, Э. Я. Блум, А. Н. Болотов, В. В. Гогосов, Д. В. Орлов, В. В. Подгорков, В. Е. Фертман, А. П. Сизов, В. В. Чеканов, и др., а также зарубежные исследователи J.Baerl. W. Elmore, S.Е. Knalafalla, R. Rosenswelg, С. Такетоми и др.

• В 1969 г. б США была открыта специализированная фирма Ferrof-luldlcs Corp., а в России — научно-исследовательская лаборатория при Ивановском энергетическом университете, которая в 1980 г по решению «Правительства была преобразована в Специальное конструк-торско-технологическое бюро «Полюс» благодаря достигнутым успехам в разработке, исследованиях и внедрении МЖ и различных устройств, имеющих большое народнохозяйственное значение.

Представленная работа посвящена исследованию, разработке и внедрению наиболее широко применяемых в машиностроении узлов трения — уплотнений, подшипниковых опор и зубчатых передач с магнитожидкостными смазочно-уплотняющими материалами и является результатом 25-летней научно-практической деятельности автора в научно-исследовательской лаборатории и в СКТБ «Полюс» .

При создании и изучении узлов трения с МСМ автор опирался на фундаментальные работы А. С. Ахматова. .Н. А. Буше, Н. Б. Демкина. Ю. Н. Дроздова, И. В. Крагельскогс, Р. М. Матвеевского, А. В. Чичинадзе, В. Г. Павлова, А. П. Семенова и многих других.

Работа выполнялась в соответствии с Постановлениями ГКНТ СССР № 678 от 21.12.83 «О развитии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию и внедрению в народном хозяйстве конструкций, оборудования, машин и приборов с использованием магнитных жидкостей» и № 485 от 14.11.86 «О создании конструкций, оборудования, машин и приборов различного назначения с использованием магнитных жидкостей», а также в соответствии с координационным планом АН СССР по проблеме «Трение, износ и смазочные материалы» на 1986 — 1990гг. межвузовской научно-технической программой «Конверсия и высокие технологии. 1994;1996ГГ.», научнотехнической программой Госкомвуза «Экспортные технологии и международное научное сотрудничество. 1994;1996ГГ.» и отраслевыми НИОКР 1972 — 1996гг.

Цели и задачи исследования. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования направлены на создание новых МЖУ, герметизированных подшипников качения и зубчатых передач с улучшенными Фрикционными характеристиками и повышенными показателями надежности. Сравнительные испытания МЖ Ferrofluldlcs Corp. и СКТБ «Полюс», проведенные в 1989;1996ГГ., показали, что отечественные МЖ по основным физико-химическим свойствам соответствуют мировому уровню, а по эксплуатационным характеристикам в составе МЖУ лучше американских.

В процессе выполнения исследований необходимо было решить следующие задачи:

1.Исследовать физико-химические, механические и триботехни-ческие свойства МЖ и МСМ. Разработать рекомендации" по синтезу новых, более эффективных МЖ и МСМ для узлов трения.

2.Разработать теоретические основы функционирования узлов трения, исследовать влияние параметров конструкции, МЖ и условий эксплуатации на их триботэхнические характеристики, выявить за кономерности изменения этих характеристик во времени.

3.Выработать научно обоснованные и проверенные на практике рекомендации по конструированию магнитожидкостных узлов трения для различных условий эксплуатации.

4. Создать методы и аппаратуру для исследований и контроля качества при производстве МЖ и узлов трения.

5.Разработать технологическое оборудование и оснастку, подготовить производство и освоить выпуск МЖ’и узлов трения.

Научная новизна. На основе комплексного исследования и обобщения полученных результатов предложены теоретические основы функционирования магнитожидкостных узлов трения:

1. Изучены физико-химические, механические, триботехнические свойства МЖ и МСМ на основе, кремнийорганических, фтороорганичес-ких и минеральных масел. Определена взаимосвязь между составом и свойствами МЖ и МСМ, а также влияние магнитного поля на внутреннюю структуру и свойства магнитожидкостных материалсв.

2.Разработаны инженерные методы расчета критического перепада давлений и фрикционных характеристик. МЖУ. Изучено влияние параметров конструкции, магнитного поля, свойств МЖ и МСМ на триботехнические характеристики узлов трения.

3.На основе всесторонних исследований и. многочисленных испытаний предложена теория процессов, протекающих в магнитожидкостных материалах при длительной эксплуатации узлов трения, объяснены причины изменения эксплуатационных характеристик узлов трения, определены критерии их работоспособности.

4.Выработаны научно обоснованные рекомендации по конструированию магнитных систем и общие принципы проектирования узлов трения с магнитожидкостныш материалами, Разработаны, испытаны и опробованы в промышленных условиях эксплуатации базовые конструкции МЖУ, подшипников качения и зубчатых передач.

5. Созданы новые методы и аппаратура, для исследований, контроля и управления качеством, применяемые при разработке и производстве магнитожидкостных материалов и узлов трения.

Новизна разработанных магнитожидкостных узлов трения, сма-зочно-уплотняющих материалов, аппаратуры иметодов исследования р контроля их триботехнических характеристик и параметров, характеризующих качество, защищена 60 авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Получены основные научно-технические предпосылки, открывающие широкие возможности применения МЖУ, герметизированных подшипников качения и зубчатых передач с МСМ в различных отраслях машиностроения:

1.Рекомендованы оптимальные составы магнитожидкостных материалов для различных узлов трения, разработаны ТУ, технологические процессы и аппараты синтеза, подготовлено и освоено мелкосерийное производство 7 наименований МЖ;

2.Разработаны и внедрены конструкции МЖУ, обеспечивающие передачу вращательного, возвратно-вращательного и возвратно-поступательного движений в условиях воздействия вакуума, газовых, парогазовых, в т. ч. агрессивных и биологически активных сред, различных растворителей и минеральных масел, а также герметизацию быстроразъемных соединений. Совместно с предприятиями выпущены отраслевые стандарты, ТУ и освоено серийноепроизводство МЖУ. В СКТВ «Полюс» подготовлено производство и освоен мелкосерийкьй выпуск вакуумных и пылезащитных МЖУ, а также производство опытных образцов других МЖУ;

3.Разработаны и внедрены герметизированные подшипниковые узлы, предназначенные для работы в условиях неблагоприятного воздействия влаги морских брызг, пониженного давления и широкого диапазона температур, а также зубчатые передачи с одноразовым ресурсным, смазыванием;

4.Выработаны общие рекомендации, по проектированию магнитожидкостных узлов трения, разработаны методики расчета триботехнических характеристик МЖУ- •.

5.Определены эксплуатационные характеристики узлов трения, разработаны методы ускоренных испытаний, позволяющиепрогнозировать работоспособность МЖУ- ' ,.

6.Разработаны и внедрены новые методы и аппаратура по диагностике МЖ и оценке триботехнических характеристик магнитожидкостных узлов трения.

Результаты исследований нашли широкое применение и в других областях техники, использующих МЖ: магнитоуправляемые демпферы и виброизоляторы, магнитожидкостные муфты к датчики.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Уральской конференции по применению магнитной гидродинамики в металлургии (Пермь, 1974), ка Всесоюзной конференции по теории трения, износа и смазки (Ташкент, 1975), на 7 Таллинском совещании по электротехнике жидких проводников (Таллин, 1976), на 8, 9, 10, 11. 12 и 13 Рижских совещаниях, но магнитной гидродинамике (Рига, 1975, 1978, 1981, 1984, 1987, 1990), на 1, 3, 4, 5, 6 Всесоюзных конференциях по магнитным жидкостям (Иваново, 1978, 1983, 1985, 1988, 1990), на семинарах в институте механики МГУ (Москва, 1978,1979), на Украинском республиканском совещании «Исследование теплофизических и гидродинамических свойств магнитных жидкостей для новой промышленной технологии и холодильной техники» (Николаев, 1979), на Всесоюзном симпозиуме «Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей» (Рига, 1980), на Всесоюзной конференции «Состояние и перспективы развития производства низковольтных асинхронных электродвигателей» (Владимир, 1980), на Всесоюзной конференции «Трение и изнашивание композиционных материалов» (Минск, 1982), на Всесоюзных совещаниях по уплотнительной технике (Сумы, 1982, 1988), на Всесоюзных конференциях по электротехнологии (Иваново, 1981, 1985), на Всесоюзной конференции по коллоидной химии (Ташкент, 1983), на Всесоюзной конференции «Эксплуатационные свойства авиационных топлив, смазочных' материалов и специальных жидкостей» (Киев, 1989), на Всесоюзной конференции «Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии» (Сумы, 1989), на Всесоюзной конференций «Проблемы создания и эксплуатации ГПС и ПР на предприятиях машиностроения» (Севастополь, 1990), на Международных конференциях по. магнитным жидкостям (Рига, 1989; Париж, 1992). на Международном симпозиуме «Интертрибо — 90» (Братислава, 1990), на 7 Международной Плесской конференций по магнитным жидкостям (Плес, 1996).

Работа обсуждалась на заседаниях научно-технических семинаров Института машиноведения АН РФ, ВНИИНЙ, Института органической химии АН РФ, НПО «Композит», НПО им С. А. Лавочкина.

Разработки экспонировались на Российских и Международных выставках в Англии, Венгрии, Германии, Китае, Польше, Сингапуре, Финляндиинаграждены медалями ВДНХ и призами, а автору Указом Президента присвоено почетное звание «Заслуженный изобретатель России» .

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 145 печатных работ, в т. ч. 60 авторских свидетельств на изобретения и книга «Магнитные жидкости в машиностроении», выпущенная в соавторстве в издательстве «Машиностроение» .

Объем и структура работы. Диссертация соотоит из введения, 7 разделов, общих выводов и заключениясодержит 12 рисунков и список литературы, включающий отдельно публикации автора по теме диссертации (142 наименования) и цитированную литературу (29 наименований) .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Результаты проведенных исследований, подтвержденные практикой, позволяют констатировать, что в диссертационной работе решена крупная научно-техническая проблема, имеющая важное для народного хозяйства значение, заключающаяся в разработке научных основ создания принципиально новых узлов трения, позволяющих существенно повысить качество и технический уровень машин и механизмов, работающих в экстремальных условиях, и их широком внедрении в различные отрасли промышленности, обеспечивающем повышение качества выпускаемой продукции, снижение ее себестоимости и экологическую чистоту окружающей среды. При решении этой проблемы были получены следующие выводы:

1. Изучены физические свойства магнитных жидкостей, знание которых позволяет управлять ее служебными характеристиками в составе узлов трения:

— наиболее важным параметром МЖ является их агрегативная устойчивость, которая достигается формированием защитных оболочек ПАВ на поверхности частиц или созданием структурной сетки, фиксирующей частицы ца дальних расстояниях;

— магнитные свойства МЖ зависят от материала частиц и дефект тов в его кристаллической решетке, толщины приповерхностного немагнитного слоя, а также от параметров межчастичного взаимодействия и от содержания немагнитных. примесейполучена эмпирическая формула для расчета намагниченности насыщения МЖ с различны}®магнитными фазами- ,.

— реологические характеристики М1 зависят от величины магнитного поля, эффективной концентрации частиц и свойств дисперсионной средыпри эффективной объемной концентрации частиц, равной 0.5, появляется предел текучести, который увеличивается с ростом магнитного поляпредложена формула для расчета предела текучести;

— проведены исследования испаряемости дисперсионных сред и МЖ, что позволило обоснованно подойти к созданию МЖ применительно к условиям эксплуатации узлов трениябыло замечено, что с увеличением концентрации магнитных частиц и магнитного поля испаряемость МЖ уменьшается по сравнению с испаряемостью дисперсионной среды;

— термоустойчивость МЖ, в первую очередь, определяется десорбцией ПАВ, однако для МЖ на основе маловязких полиэтилсилок-с.анов обнаружено гелеобразование, а для МЖ на основе перфторпо-лиэфиров — физико-химические изменения магнитной фазыразработаны методы управления процессом гелеобразования;

— морозоустойчивость МЖ зависит от морозоустойчивости дисперсионной среды, ПАВ и технологических факторов ее производстваМЖ на основе маловязких кремннйорганических и фторосодержа-щих жидкостей имеют наибольшую морозоустойчивость — ' до минус 80.110 °С;

— химстойкость МЖ зависит от химстойкости дисперсионной среды и ПАВ, а также от способности МЖ сохранять свою коллоидную устойчивость при контакте с агрессивной средойнаибольшей химс-тойкостью обладают МЖ на основе перфторполиэфиров, которые вы-, держивают в длительном режиме непосредственный контакт со многими растворителями, а в кратковременном режиме — с кислотами.

2. Исследованы триботехнические характеристики МСМ, представляющие собой МЖ, приготовленные на различных смазочных основах, с добавлением функциональных присадок:

— введено понятие магнитоподвижности МСМ, которое определяется отношением магнитной силы, действующей на объем МСМ, к силе вязкого сопротивления перемещению этого объемадля повышения магнитоподвижности необходимо применять магнитную фазу с оптимальной концентрацией и высокой намагниченностью, а также маловязкое базовое маслооптимальная концентрация магнитной фазы зависит от физико-химических свойств МСМ и параметров магнитной системы;

— антифрикционные характеристики МСМ определяются базовым маслом и незначительно изменяются с введением магнитных частиц, при этом наблюдается слабовыраженный оптимум по концентрации, обусловленный оптимальной магнитоподвижностыо МСМ;

— магнитное поле оказывает существенное влияние' на процесс трения в режимах масляного голодания и ресурсного одноразового смазывания;

— способность МСМ удерживаться’на трущихся поверхностях зависит от окружающей температуры, параметров магнитной системы, физико-химических свойств и магнитоподвижности МСМ.

3. Разработаны теоретические основы и методы расчета критического перепада давлений и фрикционных характеристик М1Уизучено влияние параметров конструкции, магнитного поля, свойств МЖ и условий эксплуатации на рабочие характеристики МЖУопределены оптимальные обобщенные соотношения рабочего зазора МЖУ и получены зависимости, характеризующие изменение критического перепада давлений и фрикционных характеристик от числа зубцов полюса с оптимальными параметрами;

4. На основе всесторонних исследований. и многочисленных испытаний предложена теория процессов, протекающих в магнитожид-костных материалах при длительной эксплуатации узлов трения, определены критерии их работоспособности:

— рабочие характеристики узлов трения изменяются как во время эксплуатации, так и в режиме хранения вследствие перераспределения концентрации частиц в неоднородном магнитном поле и перестройки структуры МЖ, скорость этих процессов зависит от параметров магнитного поля и коллоидной устойчивости МЖ;

— основным критерием, работоспособности МЖУ является скорость старения МЖ, определяемая перестройкой структуры и формированием зоны с пониженной концентрацией частиц, при этом для уменьшения скорости старения МЖ необходимо уменьшать энергию межчастичного взаимодействия и ограничивать температуру в рабочем зазоре МЖУ:

— влияние магнитного поля на долговечность узлов трения неоднозначно, для каждого класса МЖ и узлов трения существуют свои оптимальные параметры магнитного поля;

— долговечность узлов трения сложным образом зависит от частоты вращения вала: критическими в отношении долговечности могут быть диапазоны и малых, и больших частот, что в сильной мере зависит от межчастичного взаимодействия и прочности защитных оболочек МЖ;

5. На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований разработаны инженерная методика расчета МЖУ, основные принципы конструирования и рекомендации по повышению эффективности МЖУ:

— необходимо использовать постоянные магниты из магнитотвер-дых материалов с высокими остаточной индукцией и коэрцитивной силой, а полюсные приставки и наконечники — из сталей с большой индукцией насыщения;

— критический перепад давлений одной ступени МЖУ должен быть как минимум в 1,5. .2 раза больше рабочегоесли это условие не выполняется, критический перепад давлений нужно увеличить последовательной установкой нескольких ступеней МЖУ;

— при окружной скорости вала более 5.7 м/с целесообразно принудительное охлаждение полюсов и уменьшение влияния центробежных сил конструктивными изменениями;

— при радиальных и осевых биениях вала более 0,2 мм необходимо применять автономные конструкции МЖУ с компенсацией биений- - для повышения надежности МЖУ, работающих в повторно-кратковременном режиме, целесообразно применять конструкции с автоматическим регулированием напряженности магнитного поля в рабочем зазоре в зависимости от изменяющихся условий эксплуатации;

— эффективность МЖУ можно повысить, комбинируя их с другими видами уплотненийпри этом сочетаются преимущества традиционных и магнитожидкостных уплотнений;

— при герметизации жидких сред, особенно при повышенных частотах вращения вала, а также при работе МЖУ в условиях высокой запыленности необходимо применять защитные элементы;

— при герметизации неподвиявмх соединений целесообразно использовать основной магнитный поток не только для. удерживания МЖ, но и для их механической фиксации;

— для повышения работоспособности МЖУ штоков необходимо применять маловязкие МЖ с высокой намагниченностью насыщения, увеличивать перепад напряженностей магнитного поля под зубцом, а также устанавливать маслосъемные кольца.

6. разработаны и исследованы различные магнитные системы смазки подшипников качения и зубчатых передач, сформулированы основные принципы их конструирования:

— в целях уменьшения размеров и стоимости узла Необходимо использовать его механические элементы для формирования магнитной цепи;

— магнитная цепь должна обеспечивать наличие поля в зонах контакта трущихся поверхностей для надежного их смазывания и в зоне резерва для снижения расхода МСМ;

— создавать условия для циркуляции МСМ между зонами трения и резерва для повышения работоспособности МСМ и снижения тепловой нагрузки на узел трения;

— обеспечивать герметизацию узлов этим же МСМ одновременно со смазыванием для снижения расхода МСМ и защиты узлов от неблагоприятных воздействий внешних условий. 7. Созданы оригинальные методы и аппаратура для диагностики МЖ, методы ускоренных испытаний МЖУ и экспериментальное оборудование для исследования триботехнических характеристик узлов трения, защищенные 13 авторскими свидетельствами-.

8. Сравнительные испытания МЖ и МЖУ ведущих фирм США, Японии и России показали, что разработки СКТБ «Полюс», выполненные с участием автора, конкурентоспособны и не уступают зарубежным, а по фрикционным характеристикам на 10.30% лучше.

9. Результаты проведенных исследований нашли широкое практическое применение при разработке узлов трения для космической техники, вакуумного, биохимического и нефтеперерабатывающего технологического оборудования, энергетического и текстильного машиностроения. Конструкции МЖУ, подшипники, зубчатые передачи, магнитные системы и способы смазки, состав и способ приготовления МСМ защищены 47 авторскими свидетельствами. Совместно с. предприятиями различных отраслей налажено серийное производство МЖУ. Разработаны отраслевые стандарты, технические условия на МЖ и МЖУ. На базе СКТБ «ПОлюс» налажено мелкосерийное производство различных МЖ и МЖУ.

10. В целях продвижения МЖ технологии на внешний рынок подписаны соглашения о создании совместных предприятий и ведется научно-техническое сотрудничество с университетами и научно-производственными организациями Китая, Южной Кореи, Финляндии, Польши. Израиля и Кубы.