Комбинированные магнитожидкостные уплотнения позволяют эффективно решать задачи разделения рабочих сред и герметизации подшипниковых узлов в устройствах механических приводов. В таких уплотнениях магнитная жидкость играет роль рабочего тела и смазочного материала для трущихся частей. Наиболее перспективным направлением является создание комбинированных магнитожидкостных уплотнений на основе манжетных уплотнений.

В манжетных уплотнениях трение происходит в паре резина-металл. В статье представлены результаты исследований процесса трения эластомерного материала (резины) по стальным поверхностям, имеющим различную чистоту обработки при использовании в качестве смазки магнитных жидкостей при наложении магнитного поля.

Для сокращения количества испытаний в процессе проведения экспериментов использовался метод математического планирования экспериментов. Использование методов оптимального планирования эксперимента позволило уменьшить до минимума число измерений для построения адекватных моделей и добиться значительного сокращения времени и материальных затрат на изучение процесса трения эластомерного материала по металлу.

В ходе проведенных исследований установлено влияние на процесс трения в комбинированных магнитожидкостных уплотнениях с эластомерным рабочим элементом таких факторов, как величина магнитной индукции в рабочем зазоре, скорости скольжения контртел, контактного усилия.

Ключевые слова: комбинированное магнитожидкостное уплотнение; магнитная жидкость; планирование эксперимента; трение; привод; рабочие характеристики; магнитное поле; экспериментальная установка

Сombined magneto-liquid seals can effectively solve the problems of separation of working media and sealing of bearing assemblies in devices of mechanical drives. In such seals, the magnetic fluid plays the role of working fluid and lubricant for rubbing parts. The most promising direction is the creation of combined magneto-liquid seals on the basis of lip seals.

In the lip seals, friction occurs in a rubber-metal pair. The article presents the results of studies of the friction process of elastomeric material (rubber) on steel surfaces, which have different processing purities when used as a lubricant for magnetic liquids when a magnetic field is applied.

To reduce the number of tests during the experiments, the method of mathematical design of experiments was used. The use of methods for optimal design of the experiment made it possible to minimize the number of measurements for constructing adequate models and to achieve a significant reduction in time and material costs for studying the process of friction of an elastomeric material over a metal.

In the course of the conducted studies, the influence on the process of friction in combined magneto-liquid seals with an elastomeric working element of factors such as the magnitude of the magnetic induction in the working gap, the sliding speed of the counterbody, the contact force is established.

Keywords: combined magneto-liquid seal; magnetic fluid; experiment planning; friction; drive; performance; magnetic field; experimental setup

комбинированное магнитожидкостное уплотнение механический привод

Основное содержание исследования

Таблица 3 Матрица планирования (составлено авторами)

При исследовании смазочных свойств традиционных смазок так же применялась методика планирования экспериментов. Однако, из матрицы планирования была исключена магнитная индукция. Эксперимент проводился с учетом двух факторов - скорости скольжения и контактно усилия. Основной уровень и интервалы варьирования приведены в таблице 4. Матрица планирования приведена в таблице 5.

Таблица 4

Кодирование и уровни факторов (составлено авторами)

Каждый опыт повторялся пятикратно. Порядок проведения опытов принимался из таблицы случайных чисел. Для получения уравнения регрессии адекватно описывающего исследуемый процесс, осуществлялась статистическая обработка результатов планирования эксперимента [6]. В соответствии с вышеизложенным методом планирования, эксперименты проводились для каждой шероховатости поверхности твердого тела трения с использованием в качестве смазки каждого из вышеуказанных смазочных материалов.

Таблица 5 Матрица планирования (составлено авторами)

Эксперименты проводились по следующей методике.

Перед проведением эксперимента приборы, предназначенные для измерения момента трения, были протарированы при помощи набора грузов массой 225 г. каждый, по схеме, представленной на рис.2. Набор грузов создает постоянный крутящий момент, который регистрируется при помощи милливольтметра. Крутящий момент равен:

М = РD / 2

где: Р - масса грузов, D - диаметр корпуса.

Рисунок 2. Схема тарирования тензобалки (составлено авторами)

Рисунок 3. Схема измерения магнитной индукции в области трения: 1 - щуп тесламетра, 2 - резиновое кольцо с прорезью, 3 - динамометр, 4 - штатив (составлено авторами)

Что бы обеспечить постоянную температуру в области трения в течение 10 мин. через рубашку охлаждения пропускается вода заданной температуры. Затем устанавливается необходимая величина магнитной индукции в области трения. Производится это следующим образом. В проточку корпуса помещается резиновое кольцо с прямоугольным вырезом, достаточным для помещения в него щупа тесламетра. По своим размерам и свойствам кольцо соответствует эластомерному элементу, применяемому при исследовании процесса трения. На вал стенда устанавливается диск, выполняющий функцию твердого тела трения, пружина и гайка (рис.3).

Изменяя при помощи гайки величину сжатия пружины, устанавливается ее необходимое усилие, соответствующее определенному контактному усилию в области трения. Усилие пружины контролируется при помощи динамометра, присоединенного к твердому телу трения. Затем в вырез резинового кольца помещается щуп тесламетра и путем изменения тока в электромагнитной катушке устанавливается необходимое значение магнитной индукции. Величина тока, соответствующая определенному значению индукции в области трения, определяется при помощи амперметра. При увеличении усилия пружины происходит деформация резинового кольца, а значит и уменьшение магнитного зазора между твердым телом трения и корпусом. Уменьшение зазора приводит к изменению его магнитной проницаемости. Поэтому, измерение индукции в области трения производится при таком усилии пружины, которое устанавливается при исследовании процесса трения.

После определения тока в электромагнитной катушке, гайка, пружина, твердый элемент трения удаляются с вала установки, а кольцо с прорезью извлекается из проточки корпуса. На его место помещается эластомерный элемент трения, предварительно промытый в спирте в течение 10 с и просушенный. Далее, на вал помещается твердый элемент трения, пружина и гайка. Подается ток в электромагнитную катушку величина которого соответствует ранее определенной. Производится установка необходимого усилия пружины. Затем в область трения при помощи шприца помещается магнитная жидкость, количество которой определяется визуально. Включается приводной электродвигатель и устанавливается необходимая частота вращения вала. Производится измерение момента. Опыты повторяются для каждой частоты вращения вала, усилия пружины, магнитной индукции в соответствии с планом исследований.

В соответствие с представленной методикой получен ряд уравнений регрессии для магнитных жидкостей на основе ПЭС-5, характеристики которых приведены в таблице 1. Уравнения регрессии для различных шероховатостей поверхностей приведены в таблице 6.

Таблица 6 Уравнения регрессии (составлено авторами)

На рис.4 представлены зависимости момента трения от величины магнитной индукции для различных МЖ при различной чистоте обработки твердой поверхности трения.

Рисунок 4. Зависимость момента трения от величины магнитной индукции при V = 2,04 м/с, Рк = 2, 203Н/см для жидкостей на ПЭС-5: 1 - МЖ на магнетите (МЖ-1), R_Z = 8.5; 2 - МЖ на магнетите и железе (МЖ-2), R_Z = 8,5; 3 - МЖ на железе (МЖ-3), R_Z = 8,5; 4 - МЖ на магнетите (МЖ-1), R_Z = 2,5; 5 - МЖ на магнетите и железе (МЖ-2), R_Z = 2,5; 6 - МЖ на железе (МЖ-3), R_Z = 2,5; 7 - МЖ на железе (МЖ-1), R_Z = 0,6; 8 - МЖ на магнетите и железе (МЖ-2), R_Z = 0,6; 9 - МЖ на железе (МЖ-3), R_Z = 0,6; 10 - ПЭС-5 без магнитного наполнителя, R_Z = 8,5; 11 - ПЭС-5 без магнитного наполнителя, R_Z = 2,6; 12 - ПЭС-5 без магнитного наполнителя, RZ = 0,6 (составлено авторами)

Во всех случаях имеет место снижение момента трения при росте магнитной индукции с 0 до 0,6 Тл, не превышающее 10 % от величины момента при отсутствии магнитного поля.

Для жидкостей с шаровидным наполнителем момент трения меньше по сравнению с жидкостями, имеющими магнитный наполнитель игольчатой формы.

При увеличении качества обработки поверхности наблюдается снижение момента трения.

На рисунке 5 представлены зависимости момента трения от контактного усилия Р_К для различных магнитных жидкостей при магнитной индукции В = 0,2 Тл.

Во всех случаях можно отметить возрастание момента трения. При увеличении качества обработки поверхности твердого тела до RZ = 2,6 мкм характер кривых момента трения изменяется. Кривые моментов трения для жидкостей на карбонильном железе и на магнетите и карбонильном железе сближаются, что говорит о снижении влияния на процесс трения магнитного наполнителя магнитной жидкости.

Такой характер кривых может быть обусловлен "срезанием" агломераций магнитного наполнителя с вершин микронеровностей и его перемещении во впадины, следствием чего является выравнивание поверхности трения твердого контртела. При высокой чистоте обработки поверхности, порядка RZ = 0,6мкм конфигурация частиц магнитного наполнителя практически не влияет на процесс трения, поскольку увеличение контактного усилия не приводит к перераспределению магнитных частиц. На рисунке 6 представлены кривая зависимости момента трения от скорости скольжения при Р_К = 2, 203 Н/см. Во всех случаях при увеличении скорости скольжения имеет место уменьшение момента трения. Можно отметить, что при увеличении скорости скольжения различия в величине момента трения уменьшаются, что может свидетельствовать о переходе к упругогидродинамическому режиму трения. Поскольку частицы магнитного наполнителя находятся в слое жидкости их конфигурация перестает оказывать влияние на процесс трения.

Рисунок 5. Зависимость момента трения от величины контактного усилия при V = 2,04 м/с, В = 0,2Тл для жидкостей на ПЭС-5: 1 - МЖ на магнетите (МЖ-1), R_Z = 8,5; 2 - МЖ на магнетите и железе (МЖ-2), R_Z = 8,5; 3 - МЖ на железе (МЖ-3), R_Z = 8,5; 4 - МЖ на магнетите (МЖ - 1), R_Z = 2,5; 5 - МЖ на магнетите и железе (МЖ-2), R_Z = 2,5; 6 - МЖ на железе (МЖ-3), R_Z = 2,5; 7 - МЖ на железе (МЖ-1), R_Z = 0,6; 8 - МЖ на магнетите и железе (МЖ-2), R_Z = 0,6; 9 - МЖ на железе (МЖ-3), R_Z = 0,6; 10 - ПЭС-5 без магнитного наполнителя, R_Z = 8,5; 11 - ПЭС-5 без магнитного наполнителя, R_Z = 2,6; 12 - ПЭС-5 без магнитного наполнителя, RZ = 0,6 (составлено авторами)

Рисунок 6. Зависимость момента трения от величины скорости скольжения при В = 0,2 Тл, Р_К = 2, 203 Н/см для жидкостей на ПЭС-5: 1 - МЖ на магнетите (МЖ-1), R_Z = 8,5; 2 - МЖ на магнетите и железе (МЖ-2), R_Z = 8,5; 3 - МЖ на железе (МЖ3), R_Z = 8,5; 4 - МЖ на магнетите (МЖ-1), R_Z = 2,5; 5 - МЖ на магнетите и железе (МЖ-2), R_Z = 2,5; 6 - МЖ на железе (МЖ-3), R_Z = 2,5; 7 - МЖ на железе (МЖ-1), R_Z = 0,6; 8 - МЖ на магнетите и железе (МЖ-2), R_Z = 0,6; 9 - МЖ на железе (МЖ-3), R_Z = 0,6; 10 - ПЭС-5 без магнитного наполнителя, R_Z=8,5; 11 - ПЭС-5 без магнитного наполнителя, R_Z = 2,6; 12 - ПЭС-5 без магнитного наполнителя, RZ = 0,6 (составлено авторами)

Таким образом, на основании проеденных исследований установлено, что в магнитном поле наличие магнитного наполнителя позволяет снизить момент трения на 3-10 %. С увеличением магнитной индукции для магнитных жидкостей с различными магнитными наполнителями наблюдается уменьшение момента трения на 6-8 %. Форма частиц магнитного наполнителя не оказывает влияния на процесс трения при увеличении контактного давления. С возрастанием скорости скольжения снижается влияние на величину момента трения магнитного наполнителя.

Литература

1. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Перспективы применения магнитожидкостных устройств в пожарной и аварийно-спасательной технике Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2010. № 2. С.63-64.

2. Сайкин М.С., Топоров А.В., Топорова Е.А. Повышение пожарной безопасности химических производств применением магнитожидкостных герметизаторов валов мешалок Пожаровзрывобезопасность. 2015. Т.24. № 1. С.55-60.

3. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / А.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.Б. Овандер и др.; Под общ. ред.А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986. - 464 с., ил.

4. Топоров А.В., Кропотова Н.А., Колобов М.Ю. Исследование влияния магнитной жидкости на трение эластомерного материала по металлу Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение №2 (50) 2017. - С.86-90.

5. Farheen N. Sayed, Vivek Polshettiwar Facile and Sustainable Synthesis of Shaped Iron Oxide Nanoparticles: Effect of Iron Precursor Salts on the Shapes of Iron Oxides Scientific Reports 5, Article number: 9733 (2015).

6. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. - М.: Машиностроение, 1981. - 184 с.

7. Сайкин, М.С. Магнитожидкостные герметизаторы технологического оборудования: Монография. - СПб.: Издательство "Лань", 2017. - 136 с.

Размещено на Allbest.ru