Содержание к диссертации
Введение
I. Состояние проблемы, цепь и задачи исследований 14
1.1. Основные требования к работе уплотнительных устройств сельскохозяйственной техники 14
1.2. Анализ надежности элементов и деталей в уплотнительных устройствах подвижных соединений сельскохозяйственной техники 16
1.2.1. Условия работы, виды и механизм изнашивания уплотнительных устройств подвижных соединений сельскохозяйственной техники 20
1.2.2. Оценка износов уплотнительных устройств, подшипников и других дефектов уплотнений сельскохозяйственной техники 26
1.3. Обзор существующих уплотнительных устройств узлов сельскохозяйственной техники и их недостатки 34
1.3.1. Контактные уплотнительные устройства г... 34
1.3.2. Бесконтактные уплотнительные устройства 40
1.3.3. Комбинированные уплотнительные устройства 42
1.3.3.1. Магнитожидкостные уплотнения (МЖУ) 47
1.3.3.2. Магнитожидкостные уплотнения, комбинированные с традиционными 49
1.4. Опыт применения магнитожидкостных уплотнений подвижных соединений сельскохозяйственной техники 53
1.5. Выводы и задачи исследований 56
II. Теоретические основы устойчивости мж в подшипниковых узлах сельскохозяйственной техники 59
2.1. Структура и устойчивость магнитных жидкостей (МЖ) .59
2.1.1. Основные принципы и критерии определения устойчивости коллоидов 59
2.1.2. Методы теоретических исследований устойчивости МЖ 65
2.1.3. Адгезионные свойства МЖ 72
2.2. Взаимодействие и распределение частиц магнитной жидкости в магнитном поле 79
2.2.1. Предельная концентрация частиц МЖ 79
2.2.2. Образование структур МЖ во внешнем магнитном поле 82
2.2.3. Диффузионно-седиментационные процессы в концентрированных МЖ 83
2.3.Экспериментальные методы определения устойчивости МЖ.94
2.3.1. Прогнозирующие методы 94
2.3.2. Констатирующие методы 100
2.3.3. Анализ современного методического обеспечения исследований устойчивости МЖ 103
III. Программа и методика экспериментальных исследований 105
3.1. Программа экспериментальных исследований 105
3.2. Методика экспериментальных исследований 106
3.2.1. Определение сцепляющих свойств жидкости-носителя и поверхностно-активного вещества 106
3.2.2. Исследование влияния направления и величины магнитного потока на сцепляющие свойства магнитной жидкости 111
3.2.3. Экспериментальное исследование адгезионных свойств МЖ 115
3.2.4. Определение работоспособности подшипников качения с магнитной смазкой 123
3.2.5. Определение термостабильности феррамагнитных жидкостей (ФМЖ) 124
3.2.6. Оптимизация условий работы магнитной идкости в упруго-гидродинамическом контакте 131
3.2.7. Определение момента трения магнитожидкостного уплотнения 136
3.2.8. Определение динамической вязкости как основного физического свойства магнитной жидкости 142
3.2.9. Поиск условий работы МЖУ при использовании магнитных жидкостей с различными
физическими свойствами 148
3.2.10. Исследование герметизирующей способности комбинации манжеты с магнитожидкостным уплотнением 152
3.2.11. Ресурсное испытание МЖ в модели одноступенчатого МЖУ 158
3.2.12. Эксплуатационные испытания 161
3.2.13. Обработка экспериментальных данных 162
4. Результаты экспериментальных исследований комбинированных магнитожидкосгных уплотнений 163
4.1. Исследование сцепляющих свойств жидкости-носителя и поверхностно-активного вещества (ПАВ) 163
4.2. Исследование влияния направления и величины магнитного потока на сцепляющие свойства магнитной жидкости .166
4.3.Экспериментальное исследование адгезионных свойств МЖ.168 4.4. Результаты исследования работоспособности подшипников качения с магнитной смазкой 181
4.5 Результаты исследования термостабильности ферромагнитных жидкостей (ФМЖ) ; 183
4.6. Оптимизация режимов работы магнитной жидкости в упругогидродинамическом контакте 184
4.7. Исследование момента трения магнитожидкостного уплотнения 189
4.8. Результаты исследования динамической вязкости магнитных жидкостей от температуры 190
4.9. Выбор МЖ для различных режимов работы МЖУ .197
4.10. Исследование герметизирующей способности МЖУ в комбинации с манжетой 199
4.11. Ресурсные испытания магнитных жидкостей в модельном одноступенчатом МЖУ однополюсного исполнения 206
4.12. Результаты эксплуатационных испытаний комбиниро- ванных магнитожидкостных уплотнений с манжетами подшипниковых узлов вентиляторов воздушного охла- ждения (ВВО), передних .колес и валов отбора мощности (ВОМ) тракторов кл. 0,6, 0,9 и 1,4 212
4.13 Выводы 213
5. Рекомендации по использованию и применению и экономическая эффективность 215
5.1. Разработка рекомендаций к производству и внедрению результатов работы 215
5.2. Расчет экономической эффективности внедрения комбинированных МЖУ при ремонте подшипникового узла ВОМ трактора кл, 1,4 .218
Выводы 226
Общие выводы 227
Список использованной литературы 230
Приложения 245
- Условия работы, виды и механизм изнашивания уплотнительных устройств подвижных соединений сельскохозяйственной техники
- Диффузионно-седиментационные процессы в концентрированных МЖ
- Оптимизация условий работы магнитной идкости в упруго-гидродинамическом контакте
- Оптимизация режимов работы магнитной жидкости в упругогидродинамическом контакте
Введение к работе
Актуальность проблемы. Интенсификация сельскохозяйственного производства в период рыночных отношений - одна из главных задач агропромышленного комплекса Российской Федерации (РФ), - зависит от технического уровня применяемых машин и эффективности их использования. Последняя обеспечивается системой технического обслуживания и ремонта, направленной на поддержание работоспособности машин.
Повышение скоростей машинно-тракторных агрегатов предъявляет высокие эксплуатационные требования к узлам трения и герметизации. Как показывает статистика, 90% случаев аварийных разрушений подшипниковых узлов вызвано неудовлетворительной работой уплотнений. Даже незначительное нарушение герметичности подшипниковых узлов в условиях эксплуатации машин снижает надежность их работы, повышает расход смазочных материалов и потребность в запасных частях.
В связи с этим представляют интерес магнитные жидкости (МЖ), обладающие смазочными свойствами и работающие как уплотнитель при наложении магнитного поля.
Однако магнитожидкостные уплотнения (МЖУ) не выдерживают больших перепадов давлений. Для однозубцового МЖУ этот показатель не превышает 0,1 МПа, поэтому они могут применяться лишь в комбинации с традиционными уплотнениями (сальники, манжеты и др.). При этом МЖУ имеют двоякую задачу: обеспечивают надлежащую герметичность в момент пуска, когда вследствие отсутствия пластичности традиционные уплотнения плохо прилегают к сопрягаемым поверхностям, и устойчивость масляной пленки при запаздывании подачи масла к узлам трения.
Цель работы. Повышение долговечности подшипниковых узлов сельскохозяйственной техники применением комбинированных маг-нитожидкостных уплотнений.
Объекты исследования. Магнитные жидкости и комбинированные магнитожидкостные уплотнения для подвижных узлов трения сельскохозяйственной техники.
Научная новизна работы заключается в создании метода определения смачивающих свойств магнитных жидкостеей, с использованием сравнительного анализа площадей, охватываемых нисходящей и восходящей ветвями кривых обратимого контролируемого растекания капли МЖ под действием неоднородного магнитного поля, что подтверждается:
- анализом теоретических исследований устойчивости высококонцентрированных МЖ в динамических условиях и экспериментальных исследованиях процесса герметизации подшипниковых узлов за счет применения комбинированных магнитожидкостных уплотнений (полезные модели №18431 и №20561, и св.ВНТИЦ №73200000157);
- разработкой нового способа уменьшения коэффициента проскальзывания шариков подшипника качения по беговой дорожке;
- установлением, что для удержания на трущихся поверхностях магнитной жидкости, используемой в качестве смазочного материала, достаточно магнитных полей минимальных напряженностей;
- применением комбинированных магнитожидкостных уплотнений для герметизации подшипниковых узлов сельскохозяйственной техники.
Практическая значимость и реализация результатов исследования: разработана методика изучения сцепляющих свойств магнитной жидкости тел качения с помощью коэффициента проскальзывания; разработана методика и получены зависимости определения адгезионных свойств высококонцентрированных магнитных жидкостей; выявлены зависимости для определения тепловыделения в подшипниках качения с применением магнитной жидкости и магнито-реологического эффекта для тел качения с использованием ЭВМ;
получены зависимости для определения термостабильности магнитных жидкостей в комбинированных МЖУ;
разработана методика для определения условий работы магнитожидкостных уплотнений при использовании магнитных жидкостей с различными физическими свойствами;
разработан технологический прцесс восстановления и герметизации подшипниковых узлов вентиляторов воздушного охлаждения (ВВО), передних колес и валов отбора мощности (ВОМ) тракторов кл.0,6; 0,9 и 1,4; кормоприготовительных машин и агрегатов перерабатывающей отрасли применением высокоэффективных комбинированных магнитожидкостных уплотнений.
Полученные результаты позволили разработать состав магнитной жидкости, предложить способ уменьшения проскальзывания тел качения, технологический процесс восстановления и герметизации подшипниковых узлов сельскохозяйственной техники с использованием комбинированных магнитожидкостных уплотнений.
Результаты исследования использованы:
при разработке организационно-технических проектов и бизнес-планов Лежневским, Савинским, Тейковским РТП Ивановской области, а также Владимирским тракторным заводом;
при подготовке монографии «Герметизация подшипниковых узлов сельскохозяйственной техники применением магнитожидкостных уплотнений».
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов
в Ивановской ГСХА и Московском государственном агроинженер-ном университете им. В.П.Горячкина в 1998...2000 гг. 8-ой Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям, Плёсе, Россия, 1998 г.
- Международной конференции по проблемам нетрадиционных систем подшипников, 15-18 сентября, 1999 г, Польша.
- научно-практической конференции Управления сельского хозяйства и продовольствия Ивановской области, 7 апреля 1999 г, Иваново.
Публикации. По результатам исследования опубликованы 44 печатных работы, в том числе научна монография, получены два свидетельства на полезную модель и свидетельство ВНТИЦ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Изложена на 265 страницах машинописного текста, содержит 87 рисунков, семь таблиц, содержит библиографию из 181 наименования.
ВВЕДЕНИЕ
Интенсификация сельскохозяйственного производства в период рыночных отношений - одна из главных задач агропромышленного комплекса Российской Федерации (РФ) и зависит от технического уровня применяемых машин и эффективности их использования. Эффективное применение сельскохозяйственной техники обеспечивается системой технического обслуживания и ремонта, направленной на поддержание работоспособности машин. В настоящее время на ремонтно-технических предприятиях районного и областного уровней существуют технические центры фирменного обслуживания и ремонта машин, которые заинтересованы в совершенствовании выпускаемых машин с целью обеспечения их высокой долговечности и безотказности в напряженные периоды сельскохозяйственных работ /1/. У ?
Проблема смазки и герметизации узлов трения становится особо актуальной в связи с интенсивной эксплуатацией сельскохозяйственной техники в современных условиях. Повышение скоростей машинно-тракторных агрегатов, температур и перепадов давлений уплотняющих сред предъявляет к указанным соединениям высокие эксплуатационные требования. Как показывает статистика, 90% случаев аварийных разрушений подшипниковых узлов вызвано неудовлетворительной работой уплотнений. Даже незначительное нарушение герметичности подшипниковых узлов в условиях эксплуатации машин снижает надежность их работы, повышает расход смазочных материалов и потребность в запасных частях, а также необходимость выполнения внеплановых ремонтных работ и дополнительные трудовые ресурсы /2, 81, 85/.
В связи с этим применение новых материалов с более высокими эксплуатационными свойствами позволяет уменьшить затраты на эксплуатацию и ремонт машин, повысить надежность их работ. Обладая уникальными свойствами, такие материалы позволяют создавать новые узлы машин или модернизировать существующие. Одним из таких материалов является магнитная жидкость, обладающая смазочными и уплотнительными свойствами.
Подшипниковые узлы вентиляторов дизелей тракторов кл. 0,6 и 0,9 (Д-21А1 и Д-144), передних колес и валов отбора мощности тракторов кл. 0,9 и 1,4, а также других узлов сельскохозяйственной техники изготовляются с дорогостоящими манжетными уплотнениями.
По данным Владимирского тракторного завода, НАТИ, ремонтных предприятий Владимирской, Ивановской областей, отказы указанных выше подшипниковых узлов по причине разгерметизации уплотнений возникают уже при наработках от 50... 360 мото-часов и выше.
В связи с этим разработка и внедрение новых и доступных технологий восстановления и уплотнения подшипниковых узлов за счет применения магнитожидкостных уплотнений (МЖУ) является одной из важных задач науки и ремонтной практики.
Уплотнения, изготовленные из полиуретана, отверждаются при температуре окружающей среды от -3 до -40°С, что приводит к повышенному показателю их жесткости. Как следствие этого, кварц, проникающий в зону контакта уплотнения с вращающимся валом, вызывает интенсивный абразивный износ поверхностей трения. Это приводит к возникновению отказов подшипниковых узлов уже при 40% наработки от общего ресурса машины, что требует проведения незапланированных ремонтов /106, 112/.
Как показали исследования, проведенные в Ивановской государственной сельскохозяйственной академии, увеличить долговечность уплотнительных устройств представляется возможным на новом принципе, с использованием магнитожидкостных уплотнений (МЖУ). Устройство такого рода можно использовать не только как уплотнитель, но и как смазочный материал /3, 4, 5, 82/.
Настоящая работа посвящена исследованию и разработке технологического процесса использования магнитожидкостных уплотнений в качестве уплотнения и смазки подшипниковых узлов сельс кохозяйственной техники.
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерныи университет имени В.П.Горячкина» (ФГОУ ВПО МГАУ) и в научно-исследовательской лаборатории по магнитожидкостным уплотнениям Ивановской государственной сельскохозяйственной академии.
Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на:
- научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов в Ивановской ГСХА и Московского государственного агроинженерного университета им.В.П.Горячкина в 1998...2000г.
- 8-ой Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям Плесе, Россия 1998 г.
- Международной конференции по магнитным жидкостям, июнь 29 -июль 3, 1998г. Румыния.
- Международной конференции по проблемам нетрадиционных систем подшипников, 15-18 сентября, 1999г, Польша.
- научно-практической конференции управления сельского хозяйства и продовольствия Ивановской области, 7 апреля 1999г, в Иванове.
На защиту выносятся:
результаты исследований оптимизации условий работы комбинированных магнитожидкостных уплотнение с различными физическими свойствами, и обоснования применения их в подшипниковых узлах сельскохозяйственной техники;
результаты исследований анализа теоретических основ устой -13 чивости высококонцентрированных магнитных жидостей в динамических условиях и содания метода определения смачивающих свойств МЖ;
результаты исследований сцепляющих свойств жидкости-носителя и поверхностно-активного вещества (ПАВ);
результаты теоретических и экспериментальных исследований применения различных конструкций комбинированных магнитожид-костных уплотнений в подшипниковых узлах сельскохозяйственной техники.
Условия работы, виды и механизм изнашивания уплотнительных устройств подвижных соединений сельскохозяйственной техники
Механизм изнашивания деталей уплотнительных устройств подвижных соединений сельскохозяйственной техники представляет собой сложный процесс постепенного изменения их линейных размеров, происходящий в основном при абразивном и гидроабразивном трении. Процессы, сопровождающие изнашивание, крайне разнообразны, имеют различные виды и формы и зависят от многочисленных внешних и внутренних факторов.
Изнашивание с участием абразивных частиц можно разбить на: изнашивание жестко закрепленным абразивом, абразивными частицами, гидроабразивное изнашивание, изнашивание при наличии абразивных частиц в контакте трущихся поверхностей и др.
При воздействии абразива возможны различные формы деформации поверхности материала: упругое деформирование, пластическое оттеснение и резание, или вырывание поверхности материала. Следует отметить, что на процесс абразивного изнашивания может влиять природа происхождения абразивных частиц, агрессивность среды, свойства изнашиваемых поверхностей, высокая температура, давление и другие факторы. Общим для абразивного изнашивания является механический,характер разрушения поверхности.
Причинами, вызывающими один или несколько видов изнашивания, могут быть конструктивные особенности деталей соединения (вал и манжета), твердость механических примесей, точность геометрических форм изготовления валов и уплотнений. Следует отметить, что одной из основных причин, вызывающих усиленный процесс трения контактирующих поверхностей (вал и кромка манжета) сельскохозяйственной техники, является отсутствие смазочного слоя в зоне трения.
Наличие абразивных примесей (песок, грунт, металлические частицы и т.д.) в уплотняемой среде подшипниковых узлов вызывает повышенный износ деталей уплотнения, особенно элементов пары трения. Материалы (грунт, песок, металлические частицы и др.) которые склонны к налипанию на твердые поверхности, забивают внутренние полости уплотнений, лишая подвижности их элементы. Кроме того, попадая в зону трения, такие частицы способствуют изнашиванию уплотнительных устройств /18, 19, 20/.
В связи с этим узлы трения тракторов, комбайнов, автомобилей и другой сельскохозяйственной техники, с точки зрения герметизации и условий работы смазок, могут быть разделены на следующие типы: узлы трения скольжения - на открытые (или слабо защищенные), герметизированные с несменяемой в процессе эксплуатации смазкой, и герметизированные узлы, пополняемые через длительные интервалы времени, а подшипники качения - на обычные и закрытые.
В подшипнике, полностью забитом смазочным материалом, необходимое ее количество устанавливается при вращении, а избыток смазочного материала выбрасывается из подшипника. Поэтому, конструкции подшипниковых опор должны предусматривать свободные полости для размещения смазочного материала, сбрасываемого с подшипника. В этих полостях размещается более 96% заправленного в опору материала, около 4% размещается на нерабочих поверхностях сепаратора и колец подшипника и не более 1% идет на образование масляной пленки. Избыток смазочного материала повышает давление в полости сопротивления вращению и температура опоры, что вызывает разложение материала и выделение из него жидкого масла. Если последнее при этом направляется в зону трения, в опоре может установиться тепловой баланс, но чаще масло вытекает через уплотнения, а в опоре остается лишь дисперсная среда пластичного смазочного материала, которая увеличивает изнашивание подшипника. Избыток смазочного материала, вытесняемого подшипником, приводит к разрушению контактных уплотнений. В зависимости от частоты вращения рекомендуется полость опоры заполнять смазочным материалом: при п/пс 0,25 - полностью; при 0,25 , п/пспр 0,75 1/3 объема; при п/пспр 0,75 - на 1/5... 1/4 объема, где п - частота вращения, мин 1; пс - предельная частота, вращения при смазывании пластичным смазочным материалом, мин4. В связи с этим автор предлагает осуществлять пополнение опоры смазочным материалом по графику на рис. 1.1 /17,18/. Из графика следует, что при определенной частоте вращения и диаметра вала, через определенную наработку, необходимо проводить периодическую дозаправку опоры пластичным смазочным материалом.
Свободный объем шарикоподшипников составляет около 30%, а роли-ковых 15% полного объема подшипника Db. Определить более точно свободный объем можно по формуле /18/: Непосредственное влияние на момент силы трения в опоре оказывает количество смазочного материала. При малых нагрузках возрастающее количество последнего ведет к увеличению момента силы трения. При высоких нагрузках сопротивление вращению остается постоянным или даже незначительно снижается при росте количества смазочного материала до 1/3VCB свободного объема шарикоподшипника; при дальнейшем увеличении количества смазочного материла наблюдается резкий рост момента силы трения. Увеличение количества смазочного материала в пределах до 2/3VCB свободного объема шарикоподшипника, ведет к незначительному росту установившейся температуры подшипника и времени ее достижения, снижает разницу между установившейся и пиковой температурой. При дальнейшем добавлении смазочного материала температура опоры резко возрастает /17, 18/.
Для подшипниковых узлов и уплотнений тракторов, автомобилей, комбайнов и др. сельскохозяйственной техники широко применяются резины из синтетических каучуков, чаще всего бутадиен-нитрильного, хлоропренового, силиконового и фторкаучука, а также их смесей. Выбор резин осуществляется в зависимости от условий эксплуатации узла (прежде всего интервала рабочих температур) по ГОСТ 8752-79 "Манжеты резиновые армированные для валов" и ОСТ 38.05.321-83 "Детали защитные для автомобильного, тракторного, дорожного, строительного и сельскохозяйственного машиностроения. Технические условия."
Диффузионно-седиментационные процессы в концентрированных МЖ
С ростом числа новых высокопроизводительных и энергоемких сельскохозяйственных машин большое значение придается уровню герметизации узлов трения, от которых во многом зависит функциональная работа, безотказность и срок службы машин.
Современные конструкции сельскохозяйственной техники немыслимы без применения новейших уплотнений, обладающих высокой герметизирующей способностью.
Потенциальные возможности традиционных (манжетных, сальниковых, торцовых, лабиринтных и других уплотнений) в значительной степени исчерпали себя, и это еще больше подчеркивает важность поиска новых возможностей снижения трения и износа /79, 80/.
Выход из создавшегося положения найден в создании нового типа уплотнений - магнитожидкостных (МЖУ) /79/.
Впервые для сельскохозяйственной техники такие уплотнения были разработаны в Ивановской сельскохозяйственной академии, применительно к подшипниковым узлам вентиляторов тракторов кл. 0,6 и 0,9.
Эксплуатационные и стендовые испытания вышеупомянутых узлов показали увеличение наработки на отказ от 36 мото-часов (данные Владимирского тракторного завода и НАТИ) до 1910 моточасов. При этом применение МЖУ позволило заменить подшипниковый узел с дорогостоящим контактным уплотнением без манжеты с трехкратным уменьшением стоимости данного узла /81/.
Уникальные свойства МЖУ позволяют создавать совершенно новые оригинальные устройства с неожиданными конструктивными решениями.
Созданию устройств герметизации подвижных соединений применением МЖУ посвящены работы Д.В.Орлова, А.П.Сизова, В.А.Родионова, Н.К.Мышкина, В.В.Подгоркова и др., в которых доказана принципиальная важность повышения ресурса уплотнительных систем /74/.
Исследования магнитожидкостных уплотнений на их устойчивость под воздействием не магнитных жидкостей, проводились в отделе гидроизоляционной техники института деталей машин и конструирования при Штудтгардском университете Й.Курфессом, Х.К.Мюллером, Б.Хаасом /82, 83, 84/.
Их исследования показали, что срок службы уплотнения значительно повышается, если для разделения магнитной и немагнитной жидкостей применяются соответствующие вспомогательные уплотнители /32/.
Эти исследования показали, что перспективными являются работы по созданию комбинации МЖУ с традиционными уплотнениями (сальниками, манжетами, торцовыми уплотнениями). Такие комбинированные уплотнения имеют высокую надежность и могут успешно применяться в сельскохозяйственной технике; тракторах, автомобилях, в химической промышленности и других отраслях народного хозяйства /65/.
В дальнейшем комбинированные уплотнения с МЖУ представляется целесообразным использовать не только как уплотнитель, но и как смазочный материал для повышения долговечности подшипниковых узлов сельскохозяйственной техники. Это позволит уменьшить стоимость и увеличить наработку на отказ уплотнения подшипнико- вого узла /86/.
Исходя из анализа конструкций уплотнительных устройств, условий их работы и причин износов, а также способов восстановления, можно сделать следующие выводы:
1. В последние годы гамма известных уплотнительных устройств подвижных соединений (резиноармированные манжеты, сальники и др.) пополнилась магнитожидкостными уплотнениями (МЖУ). Последние обладают значительными преимуществами перед традиционными: отсутствие износа, высокая долговечность, меньшая требовательность к шероховатости сопрягаемых поверхностей и др. Но магнитожидкостные уплотнения не выдерживают больших перепадов давлений: для одной ступени магнитной жидкости этот показатель но превышает 0,1 МПа. На практике, для увеличения перепада давлений уплотнение делается многоступенчатым, что усложняет конструкцию. В комбинации традиционного уплотнения с МЖУ предотвращаются утечки масла в процессе пуска и сокращаются потери на трение на 50% по сравнению с традиционными контактными уплотнениями.
На основании изложенного, целью настоящей работы является повышение долговечности подшипниковых узлов сельскохозяйственной техники за счет применения МЖУ в комбинации с традиционными. В соответствии с поставленной целью и основным содержанием работы определены следующие задачи исследования: 1. Исследовать техническое состояние подшипниковых узлов сельскохозяйственной техники, выявить их причины выхода из строя и наметить новые пути решения снижения трения и износа, и повышения качества герметизации уплотнений. 2. Обосновать применение различных конструкций комбинированных магнитожидкостных уплотнений в подшипниковых узлах сельскохозяйственной техники. 3. Провести анализ теоретических основ исследований устойчивости высококонцентрированных магнитных жидкостей в динамических условиях, а также выполнить исследования физико-химических свойств. 4. Разработать программу и методику экспериментальных исследований комбинированных магнитожидкостных уплотнений. 5. Разработать предложения по внедрению высокоэффективного комбинированного магнитожидкостного уплотнения в промышленное и ремонтное проиводство с экономической оценкой результатов исследований. Общая программа исследования представлена в виде мульти-графа (рис. 1.24).
Оптимизация условий работы магнитной идкости в упруго-гидродинамическом контакте
Второе направление теоретических исследований свойств МЖ представляют работы, основанные на методах статистической физики. Целью этих работ является вычисление функции распределения и корреляционных функций, а так же уравнений, связывающих их друг с другом и с термодинамическими величинами, которые могут быть измерены экспериментально.
Равновесное распределение для закрытой системы, содержащей фиксированное число частиц, задают при условии, что функция распределения пропорциональна больцмановскому множителю с гамильтонианом, содержащим сумму импульсов частиц и конфигурационную энергию. Последняя зависит от ориентации и положения частиц. Предполагается, что поскольку импульсы независимые, то принципиально важным становится определение конфигурационной энергии. Многообразие различных теорий объясняется выбором потенциала взаимодействия частиц, через который определяется конфигурационная энергия.
В теории МЖ широкое распространение получили модели невзаимодействующих диполей Ланжевена и модели, содержащие межчастичное взаимодействие: модели Вейса, Онзангера и средне-сферического приближения (ССП). Подробный анализ последних трех моделей проведен в /133/. В этой работе показано, что модель Вейса с лоренце-вым значением константы молекулярного поля 1/3 дает хорошие результаты для МЖ с концентрацией ф 0,06 в области сильных полей. При Ф 0,1 в слабых полях модель Вейса предсказывает ненаблюдаемый эффект.
Главный недостаток модели Онзангера - большое количество расхождений с данными эксперимента: начальная восприимчивость, рассчитанная по этой модели, оказывается заниженной на 20...25%. ССП позволяет получить наилучшее согласие с экспериментальными результатами в широком диапазоне температур и концентраций. При умеренных параметрах магнитодипольного взаимодействия X 1 расхождение между результатами ССП и экспериментом не превышало 4-6%. Однако ф 0,2 ССП также дает сильно заниженные результаты.
Чтобы устранить различие между теориями, применимыми только к идеализированным системам и экспериментами с жидкостями и явлениями трактуемыми теоретически, можно воспользоваться методами машинного моделирования /134/. Здесь конфигурационная энергия определяется точно.
Метод машинного моделирования позволяет определить, какими макроскопическими свойствами обладала бы такая модель. Имеется два аспекта этого метода. Во-первых по отношению к статистической механике он является "экспериментом", который говорит нам о свойствах системы с заданной конфигурационной энергией. В этом ее первичное назначение. Второй аспект - это использование метода для определения межмолекулярных (межчастичных) сил. Из сравнения свойств моделированной на ЭВМ системы со свойствами реальной системы можно судить, на сколько близки выбранная форма и величина конфигурационной энергии для реальных частиц.
Известны два метода машинного моделирования при исследовании больших систем: метод молекулярной динамики (МД) и метод Монте-Карло (МК). В первом эволюция совокупности N молекул прослеживается путем численного решения уравнений движений Ньютона. Система берется при фиксированной количестве частиц, объеме и энергии. Поскольку последовательность состояний отвечает "реальному времени", получается информация как о равновесных, так и о динамических состояниях. Во втором методе генерируется последовательность состояний, каждое из которых встречается с вероятностью, пропорциональной больцмановскому множителю expEU(rN) / kT (где U(rN) - конфигурационная энергия). Эта последовательность обычно определяется при фиксированных количестве частиц, объе-ме и температуре. Порядок шагов в последовательности произволен (т.е. не дает информации), так что могут быть рассчитаны только термодинамические свойства. Принципы и практическое применение методов машинного моделирования можно найти, например в /135, 136, 137, 138/.
Эти методы применяются в исследовании влияния межчастичных взаимодействий на образование кластеров и цепочек в МЖ. Так в /136/, однородно намагниченная сферическая частица в системе из N частиц представлялась как сумма энергии диполь-диполь-ного взаимодействия, энергии стерического отталкивания и энергии, обусловленной взаимодействием магнитного момента частицы с внешним полем. Результаты моделирования для частиц, например кобальта размером 15 нм, показали, что в нулевом внешнем поле частицы образуют структуры с незамкнутыми контурами без какой-либо выделенной пространственной ориентации. В сильном (порядка 1 Тл) однородном поле частицы образуют длинные цепочки, вытянутые вдоль направления поля. Исследования, проведенные тем же методом в /137/ показали, что образование кластеров приводит к появлению начальной восприимчивости МЖ типа Кюри-Вейса: Это несколько расходится с результатами, полученными из предположения о ланжевеновском характере намагничивания МЖ,
В настоящее время широкое распространение получили различного рода нетрадиционные и модифицированные смазки, к которым относятся магнитно-порошковые смазки и смазки, использующие в качестве модификатора трения карбоновые кислоты. Магнитные жидкости представляют из себя синтезированный коллоидный раствор, содержащий в себе жидкость-носитель, дисперсную фазу (как правило магнетит, с размером частиц порядка 100 А), и поверхностно-активное вещество (часто - карбоновые кислоты) - обеспечивающее агрегативную устойчивость МЖ, при содержании последних указанных выше основных материалов: твердой фракции и карбоновых кислот. Но известные технологии использования такого класса смазок - в том числе и МЖ - предполагают большой расход смазочного материала, а в случае магнитоуправляемых смазок еще и наличие магнитной системы для удержания смазки в области контакта трущихся поверхностей, даже в узлах, работающих в условиях граничного и близких к нему режимов трения.
Оптимизация режимов работы магнитной жидкости в упругогидродинамическом контакте
Прогнозирующие методы развиты наиболее сильно, поскольку результаты, получаемые этими методами представляют общенаучный интерес и при соответствующей обработке могут быть использованы для решения обширной группы задач.
Большая группа прогнозирующих методов представлена статическими методами, т.е. методами, при реализации которых объем исследуемой жидкости остается неподвижным относительно измерительного устройства. К этой группе можно отнести акустические методы, методы поверхностного натяжения, а так же все физико-химические и атомно-физичес-кие методы.
Акустические методы, реализуемые в ультразвуковом диапазоне, широко используется при исследовании МЖ /155/. Измеряемыми параметрами в этом методе являются скорость и коэффициент поглощения звука, дисперсия и зависимости этих величин от температуры /156, 157/. В то же время, акустические методы позволяют быстро и точно определять такие свойства жидкостей, как сжимаемость, вязкость, теплоемкость и др. На скорость звука в суспензии частиц коллоидных размеров влияет также теплообмен между отдельными частицами и окружающей их жидкость) Это позволило авторам /158/ оценить упругость оболочки стабилизатора (ПАВ), связанной с твердой частицей. В /159/ предлагается метод определения эффективных размеров агрегатов из анализа экспериментов по изучению зависимости коэффициента затухания ультразвука, распространяющегося в МЖ, от величины и направления магнитного поля.
Перспективным является использование электромагнитно-акустического преобразования (ЭМА) для неразрушающего контроля качества МЖ. Это направление развивается, в частности в /160, 161, 162/.
Обширную группу методов исследования свойств жидкости представляют оптические методы /163/. Оптические методы основаны на различных физико-химических явлениях, возникающих при взаимодействии ( в процессе прохождения сквозь исследуемую жидкость или в процессе отражения от ее поверхности) излучения оптического диапазона с исследуемыми жидкостями. При использовании полихроматического света измеряемыми являются лучистый поток, сила излучения, излучательность, спектральные характеристики. Находит свое применение при исследовании жидкостей и когерентное излучение.
При взаимодействии с жидкостью некоторые параметры падающего света изменяются. В сложных полидисперсных гетерогенных системах эти изменения различны для различных компонентов, что позволяет судить об их наличии и количестве путем регистрации этих изменений у света, который провзаимодействовал с жидкостью.
Оптические методы нашли свое применение и в исследовании МЖ /164/. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований двулучепреломления в МЖ разработана методика определения магнитных моментов, гранулометрического состава твердых частиц, а так же метод расчета макроскопического тензора ориентации частиц и времени релаксации анизотропии, что является важным для диагностики жидкостей и прогнозирования их поведения в магнитных полях.
Разработанные в /164/ методы измерения спекторов экстинции и инверсии экстинции позволяют оценивать размеры цепочечных агрегатов, энергию связи частиц, а также отслеживать кинетику их образования и деформирования.
Весьма информативным, но явно недостаточно широко применяемым методом исследования, является метод оптического смешения, хотя исследования последних лет показали, что он является наиболее чувствительным и универсальным, позволяющим быстро определить параметры отдельных магнитных микрообъектов. Этот метод позволяет по единой схеме изучать самые разные процессы в МЖ: конвекцию, магнитофорез, взаимодействие и агрегацию частиц. В /165/ рассматриваются два подхода к исследованию МЖ методами оптического смешения: первый, основанный на изучении броуновского движения частиц твердой фазы, который позволяет определить диффузионные параметры магнитных частиц - коэффициенты вращательной и трансляционной диффузии, размеры, форму и гибкость микрочастиц: второй - метод лазерной доплеровской спектроскопии - позволяет исследовать детерминированные процессы в МЖ, в частности, магнитофорез с помощью которого определяют параметры частиц и агрегатов.
Одними из самых часто применяемых методов являются различные модификации магнитогранулометрического метода. Это связано, очевидно, с тем, что их применение не требует остродефицитного оборудования и относительной простотой их реализации.
Большую группу составляют исследования по определению функции распределения размеров частиц по кривой намагничивания МЖ М(Н) /158, 166, 167, 168/. В /159, 168/ распределение частиц по размерам находится из предположения ланжевеновского характера намагничивания. Эти два подхода отличаются только методом решения соответствующего интегрального уравнения.
Причем, в /168/ показано, что уравнение имеет однозначное решение при задании намагниченности с точностью до 0,1%, что в практических измерениях реализовать весьма сложно. Как известно, модель намагничивания по закону Ланжевена справедлива лишь при полном отсутствии взаимодействия, поэтому построение гистограмм с использованием этого закона не всегда оправдано. Как указывалось выше, учет взаимодействия может производиться по-разному - эффективным полем Вейса, моделью Онзалгера, моделью ССП. В силу этого, в /166/ предложен алгоритм построения функции распределения, основанный на сочетании этих законов, что дает возможность учета различных механизмов намагничивания в зависимости от структурных изменений в жидкости, возникающих в связи с наложением магнитного поля.
