автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Исследование, разработка и внедрение магнитожидкостных узлов трения

я

Пи правах рукописи

МИХАЛЕВ Юрий Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МАГНИТОЖИДКОСТНЫХ

УЗЛОВ ТРЕНИЯ

Специальность — 05.02.04. Трение и износ

в машинах

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

/

УДК 621.891

Москва 1997

Работа .выполнена в Специальном конструкторско-техноло-гическом бюро «Полюс» при Ивановском государственном энергетическом университете.

Н а у ч н ы й консультант —

доктор технических наук, профессор Д. В. Орлов.

Официаль н ы е о п п о н енты:

доктор технических наук, профессор Ю. М. Лужков, доктор технических наук, профессор В. Г. Павлов, доктор технических наук, профессор В. А. Солдатенков.

Ведущая организация —

Научно-производственное объединение им. С. А. Лавочкина.

Защита диссертации состоится « и в .((?. часов на заседании специализированного совета Д 114.01.04 во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу: г. Москва, 129851, ул. 3-я М'-ггнщепек?.;:, д. 10.

ссертация в. фор:«г научного доклада разослана • » . $ . . 199

Отзыв на диссертацию ,в 2-х экз., заверенный гербовой печатью, просим направить по адресу.диссертационного совета института. ,

/-- 7 ~ > ~ П

п ; то ■)

Ученый секретарь

специализированного совета Д 114.01.04,

К. т. н. / Г. И. ПЕНЬКОВА

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МЖ

1.1. Устойчивость МЖ

1.2. Магнитные свойства МЖ

1.3. Реологические характеристики МЖ

1.4. Испаряемость МЖ

1.5. Термоустойчивость МЖ

1.6. Морозоустойчивость МЛ 1.7 Химстойкость МЖ

10

10 12

13

14

15

15

16

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК мсм

2.1. Магкитоподвижность МСМ

2.2. Антифрикционные свойства МСМ

2.3. Удерживающая способность МСМ

16 16

17

18

. Л о

ИССЛЕДОВАНИЕ МЖУ-

1.■Принцип действия МЖУ

2. Теоретические основы МЖУ

3. Влияние конфигурации полюсов на рабочие характеристики МЖУ

4. Влияние числа зубцов ка критический перепад давлений и момент трения МЖУ

5. Влияние параметров МК и условий эксплуатации на рабочие характеристики МЕУ

6. Критерии работоспособности МЖУ

7. Герметичность МЖУ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ' И ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ С МОЙ

1. Исследование подшипников качения

2. Исследование магнитных систем сназкк зубчатых передач

19

19

20

24

28

29 32

37

37

5

4.3. Ресурсные испытания зубчатых передач 41

5. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ УЗЛОВ ТРЕНИЯ С МАГНМТОЖИДКОСТНЫММ СМАЗОЧНО-'УПЛОТНЯЮЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ 43

5.1. Выбор магнитных материалов 43

5.2. Инженерная методика расчета МЖУ 44

5.3. Основные принципы конструирования и рекомендации по повышению эффективности маг-нитожидкостных узлов трения 46

5.4. Сравнительные испытания МЖУ, разработанных ведущими фирмами США, Японии и России 52

6. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АППАРАТУРЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА Ж И УЗЛОВ ТРЕНИЯ 52

6.1. Основные этапы контроля качества МЖ 52

6.2. Разработка методов и аппаратуры для оценки коллоидной устойчивости МЖ при воздействии

на нее неоднородного магнитного поля 53

6.3. Методы и аппаратура оценки качества МСМ 56

6.4. Оценка качества МЖ в макетах узлов трения 57

6.5. Оценка качества узлов трения 57

7. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТОЖИДКОСТНЫХ

УЗЛОВ ТРЕНИЯ 57

7.1. Космическая техника 57

7;2. Вакуумное технологическое оборудование 58

7.3-. Технологическое оборудование для биосинтеза 59.

7.4. Технологическое оборудование для химической

. и нефтеперепабатывающей промышленности 60

7.5. Энергетическое оборудование 61

7.6. Текстильное оборудование 61

7.7. Пылезащитные МЖУ 62

7.8. Применение МЖ в узлах трения 62

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 63

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 68

ВВЕДЕНИЕ

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 технологий; пылезащитные уплотнения для прецизионного оборудования и приборов; герметичные подшипниковые узлы и зубчатые передачи с магнитожидкостными смазочными материалами (МСМ) для работы в условиях неблагоприятного воздействия пара, морских брызг, широкого диапазона температур; магнитоуправляемые демпферы, виброизоляторы, муфты и тормоза для техники нового поколения; высокоточные магнитожидкостные датчики угла наклона, ускорения и малых перепадов давлений для систем автоматического регударования и измерения; устройства генерации и передачи звука; магнитные 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 1969г. б США была открыта специализированная фирма Ferrof-luldlcs Corp., а в России - научно-исследовательская лаборатория при Ивановском энергетическом университете, которая в 1980г 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.", научно- технической 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 и- методов 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 серийное- производство 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, позволяющие- прогнозировать 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 органичес-

кой химии АН РФ, НПО "Композит", НПО им С.А.Лавочкина.

Разработки экспонировались на Российских и Международных выставках в Англии, Венгрии, Германии, Китае, Польше, Сингапуре, Финляндии; награждены 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 заключения; содержит 12 рисунков и список литературы, включающий отдельно публикации автора по теме диссертации (142 наименования) и цитированную литературу (29 наименований) .

1. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МЖ

1.1. Устойчивость МЖ

Магнитные жидкости представляют собой коллоидный раствор тонкодисперсного магнетика (диаметр около Юнм) в жидкости-носителе. В качестве магнетика применяют магнетит, железо, никель и кобальт, а в качестве жидкости-носителя - кремнийорганические и фтороорганические жидкости, минеральные и синтетические масла, эфиры, керосин, воду и другие жидкости в зависимости от назначения МЖ. .В гравитационном поле магнитные частицы могут отделяться от дисперсионной среды и оседать под действием силы тяжести. Этому продиводействует броуновское движение, которое преобладает, если размер частиц достаточно Мал. Такие МЖ кинетически устойчивы.

-11В сильном и неоднородном магнитном поле, характерном для узлов трения, на магнитные частицы действует магнитная сила, превышающая силу тяжести более чем в 1000 раз и направленная в область максимального поля. При этом магнитная энергия частиц более чем на два порядка превышает энергию броуновского движения. Это приводит к тому, что броуновский механизм кинетической устойчивости МЖ не играет существенной роли [2.23], частицы сближаются и интенсифицируются их молекулярное и магнитное диполь- дипольное взаимодействия, способствующие агрегации частиц 12.47).

Для ограничения молекулярного и магнитного взаимодействий поверхность частиц покрывают защитной оболочкой поверхностно-активного вещества (ПАВ). При сближении частиц защитные оболочки отталкиваются. Условие агрегативной устойчивости МЖ заключается в преобладании энергии упругого отталкивания защитных оболочек над энергией притяжения частиц.

Другой способ предотвращения агрегации частиц заключается в создании структурной сетки. Фиксирующей частицы на дальних расстояниях. В образовании структурной сетки участвуют как ПАВ, так и жидкость-носитель [2.36]. Такие МЖ даже в отсутствие магнитного поля об�