Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Магнитожидкостные смазки - новый вид смазок 22
1.1 Введение. 22
1.2 Особенности работы пластичных смазок в зубчатом зацеплении и подшипниках качения 24
1.3 Требования, предъявляемые к магнитожидкостным смазкам в узлах трения 25
1.4. Выводы 26
Глава 2. Выбор базовых масел и их испытания . 27
2.1 Требования, предъявляемые к базовым маслам магнитожидкостных смазок и испытания их на дериватографе и приборе испаряемости ПИМ-ВВ. 27
2.2 Определение смазочных свойств базовых масел на машинах трения 31
2.3 Выводы. 36
Глава 3. Исследования магнитожидкостных смазок на машинах трения 37
3.1 Определение влияния концентрации магнетита на смазочные свойства магнитожидкостных смазок. 37
3.2 Влияние величины магнитного поля на коэффициент трения при различных условиях смазки на роликовой машине трения . 42
3.3 Определение удерживающей способности магнитожидкостных смазок. 50
3.4 Выводы. 54
Глава 4. Обзор существующих магнитных систем узлов трения, их преимущества и недостатки . 56
Глава 5. Испытание магнитожидкостных смазок в зубчатом зацеплении и подшипниках качения в среде воздуха и в вакууме . 61
Глава 6. Опробование магнитожидкостных смазок в реальных узлах трения . 87
Общие выводы. 89
Литература 90
Приложение 92
- Определение смазочных свойств базовых масел на машинах трения
- Влияние величины магнитного поля на коэффициент трения при различных условиях смазки на роликовой машине трения
- Обзор существующих магнитных систем узлов трения, их преимущества и недостатки
- Испытание магнитожидкостных смазок в зубчатом зацеплении и подшипниках качения в среде воздуха и в вакууме
Определение смазочных свойств базовых масел на машинах трения
На роликовой машине трения 20-70 СМТ-1 проводились испытания базовых масел с целью определения нагрузки заедания и определения зависимости момента трения от нагрузки на испытуемые ролики. Эти испытания моделируют работу зубчатой передачи у основания и вершины зуба, где имеет место трение качения с проскальзыванием одновременно. Испытания заключались в следующем:
Базовое масло наносилось на ролики из стали 20X13. Твёрдость роликов составляла HRC3 40-42. Скорость вращения роликов составляла 1,31 и 1,96 м/с, скорость проскальзывания верхнего ролика относительно нижнего была постоянна и составляла 20%. Нагрузка изменялась ступенчато до наступления схватывания трущихся поверхностей. Результаты испытаний представлены в таблице 2,3.
Из таблицы следует, что минимальные потери на трение были при смазывании роликов кремнийорганической жидкостью ПЭС-5 и ПЭС-4. У базовых масел ФМ-6 ВВ и ХС-2-1 ВВ потери на трение практически одинаковы. Наибольшие потери на трение были при смазывании испытуемых роликов у фторорганической жидкости ПЭФ-240.
Следующим этапом в выборе базовых масел для магнитожидкостных смазок стало испытание на пятишариковой машине трения ПМТ. Они проводились по ГОСТ 21466-72 по следующей методике:
На пирамиду из пяти шаров диаметром 9,52 мм наносился дозированный слой испытуемой смазки в объёме 0,025 см3. Средние три шара вставлялись в наружную обойму шарикоподшипника № 1009. К верхнему и нижнему шарам прикладывалась нагрузка, величина которой составляла 200 Н и они приводились во вращение в одну сторону со скоростью 1500 об./мин.
Фиксировалось время за которое момент трения увеличивался вдвое по сравнению с первоначальным значением. Графики строились в координатах натурального логарифма времени испытаний и обратной величины абсолютной температуры. В этих координатах результаты испытаний преобразуются в прямые линии. Они представлены на рис.2.2. Базовое масло ПМС-200 показало неудовлетворительные результаты (на рисунке не показано) и в дальнейшем не использовалось при проведении испытаний.
Известно, что для получения коллоидально-стабильных магнитных жидкостей (а магнитожидкостные смазки обладают теми же свойствами, что и магнитные жидкости) необходимо поверхность магнитных частиц покрыть слоем поверхностно-активного вещества, который будет препятствовать их слипанию в крупные конгломераты.
Следует отметить четыре требования, которым должны удовлетворять ПАВ к магнитожидкостным смазкам:
1. Молекула ПАВ должна содержать активный радикал для прочной адгезии с несущей поверхностью.
2. Молекула ПАВ должна иметь длинную прямую цепь с активным радикалом на одном конце.
3. Концентрация ПАВ должна содержаться на определённым уровне, чтобы не придавать смазке другие нежелательные объёмные свойства (кислотность, смолистые отложения).
4. Температура перехода ПАВ или продуктов его реакции с несущей поверхностью должна быть выше максимально возможной рабочей температуры. Температура перехода ПАВ определится как предел, при повышении которого притяжение и ориентация в граничной поверхностной плёнке полностью нарушаются вследствие теплового возбуждения, и молекулы, находившиеся в поверхностном слое, рассеиваются по объёму смазки.
Для создания сольватного слоя необходимы специальные маслорастворимые поверхностно-активные вещества. Отсутствие научных основ применения маслорастворимых ПАВ не позволяет целенаправленно выбрать нужное соединение и чрезвычайно затрудняет создание коллоидально-стабильных магнитных жидкостей и магнитожидкостных смазок. На поверхности твердых частиц лучше адсорбируется то соединение, которое имеет меньшую энергию связи с базовым маслом и большую с магнитными частицами. С другой стороны, для сохранения коллоидной структуры магнитожидкостной смазки, поверхностно-активное вещество должно иметь достаточно высокую энергию связи с маслом, т.е. необходим определенный баланс энергий. Ни количественной, ни качественной оценки данного баланса не существует. Единственный критерий - качество полученной магнитожидкостной смазки. Поэтому выбор ПАВ осуществлялся только созданием опытных партий и последующей оценкой их физико-химических характеристик.
Попытки создать коллоидально-стабильные системы на базовых маслах ХС-2-1 и ФМ-6ВВ до настоящего времени не увенчались успехом.
На полисилоксанах, ПЭФ-240 и минеральных маслах удалось синтезировать магнитожидкостные смазки, устойчивые в гравитационном и магнитом полях.
Влияние величины магнитного поля на коэффициент трения при различных условиях смазки на роликовой машине трения
Методика определения влияния величины магнитного поля на коэффициент трения была аналогична, описанной в разделе по испытанию магнитожидкостных смазок на машине трения 20-70 СМТ-1. Подведение магнитного поля в зону трения производилась по схеме, включающей все элементы узла трения в одну цепь. В большинстве экспериментов обнаруживалось слабое влияние магнитного поля на коэффициент трения. Максимальное изменение коэффициента трения было зафиксировано при испытаниях с магнитожидкостной смазкой на основе ПЭС-5 с концентрацией магнитной фазы 7,3% (рис.3.4).
С увеличением магнитной индукции в зоне контакта роликов до 1,5 Тл коэффициент трения уменьшился на 10%. Дальнейшее увеличение магнитного поля привело к увеличению коэффициента трения. Последнее, возможно, связано с тем, что во вращающихся роликах наводились вихревые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем, оказывали сопротивление вращению.
При использовании магнитной системы с полюсными наконечниками не удалось обнаружить никаких изменений коэффициента трения в зависимости от величины магнитного поля.
Одним из основных назначений магнитожидкостной смазки является обеспечение работоспособности узла трения при условии одноразовой их смазке или когда нанесение очередной порции смазки возможно только через длительный промежуток времени. В этом случае узел трения может пройти все стадии смазки, начиная от жидкостной, полужидкостной и кончая граничной смазкой.
Эффективность смазочной среды считается тем выше, чем более длительное время она выполняет свои функции после одноразового нанесения на элементы трения. В этой связи представляет интерес, какое влияние оказывает магнитное поле на продолжительность работы узла трения с магнитожидкостной смазкой. С этой целью были проведены эксперименты на машине трения 20-70 СМТ-1 с магнитным полем и без него. На испытуемые ролики наносился дозированный объем магнитожидкостной смазки, прикладывалась нагрузка и определялось время работы до схватывания поверхностей как с полем, так и без него. Результаты экспериментов приведены в табл. 3.2 в сравнении с базовой смазкой ЦИАТИМ-221. Пластичная смазка ЦИАТИМ-221 была взята для сравнения потому, что её базовым маслом является полиэтилсилоксановая жидкость. Контактные давления расчитывались по формуле Герца.
Проведённые эксперименты показали, что при использовании магнитожидкостных смазок магнитное поле может более чем в 5 раз повысить работоспособность узла трения. Это можно прогнозировать, в частности, для зубчатых передач. Увеличение магнитной индукции поля до 0,4 Тл даёт незначительное увеличение времени работы до заедания, последнее резко увеличивается в диапазоне от 0,4 до 0,8 Тл, а экстремальное значение достигается при .1,6 Тл рис. 3.5.
Для выявления влияния магнитного поля на работоспособность узлов трения в условиях ограниченной смазки испытания проводились в два этапа. На первом этапе испытания проводились без наложения магнитного поля до наступления резкого возрастания момента трения. После чего, не выключая машины, создавалось магнитное поле, и испытания продолжались. Полученные результаты представлены на рис.3.6.
В условиях ограниченной смазки и без магнитного поля быстро наступает момент, когда отдельные участки поверхностей роликов остаются без смазки, что сразу приводит к адгезионному схватыванию материалов роликов. При включении соленоида сохранившаяся смазка, как правило на участках, примыкающих к торцам роликов, начинает втягиваться под действием неоднородного магнитного поля в клиновой зазор между роликами, в результате чего трущиеся поверхности роликов вновь покрываются сплошным слоем смазки.
Как показали испытания, в условиях ограниченной смазки магнитное поле обеспечивает нормальную работу узлов трения тогда, когда без магнитного поля дальнейшая работа невозможна, причём, время дополнительной работы узла почти равняется времени его работы без магнитного поля. На рис. 3.7 показано влияние магнитного поля на момент трения, когда на поверхностях трущихся элементов остается малое количество смазки.
При отключении намагничивающей системы остаточное магнитное поле ещё оказывает влияние на смазку, поэтому момент трения возрастает относительно медленно. Размагничивание роликов приводит к тому, что смазка перестаёт после выдавливания поступать в зону трения и начинает резко возрастать момент трения. С включением магнитной системы восстанавливается первоначальный режим работы узла трения.
Таким образом, магнитное поле с градиентом, направленным в сторону контакта элементов пары трения способствует значительному увеличению работоспособности узлов трения при ограниченном количестве магнитожидкостной смазки путем втягивания ее в зону трения.
Обзор существующих магнитных систем узлов трения, их преимущества и недостатки
В работоспособности узла трения одним из определяющих факторов является тип применяемой смазочной системы и эксплуатационные свойства смазочных материалов. Это в полной мере относится и к узлам трения, в которых используют магнитные смазочные системы, а в качестве смазочной среды применяют магнитожидкостные смазки.
Эффективность работы узла трения с магнитожидкостной смазкой зависит как от смазочных свойств магнитных смазок, так и от вида применяемой магнитной системы. Магнитная система выполняет функции по удержанию магнитной смазки в зоне резерва, на открытых вращающихся поверхностях, вовлечение смазки в зону контакта пары трения и обеспечение циркуляции между зонами резерва и контакта.
Для удержания магнитожидкостной смазки требуется создать наибольший градиент магнитного поля в зоне трения, либо в области, примыкающей к ней. Также необходимо, чтобы вытесненная из зоны трения магнитожидкостная смазка собиралась либо в «картер», либо поступала в зону трения под действием магнитного поля. Анализ существующих систем смазки узлов трения показывает, что их можно разделить на три основные группы, показанные на рис. 4.1:
1. Магнитный поток Ф, создаваемый источником магнитного поля, подводится в зону трения по магнитопроводу с полюсными наконечниками, форма которых соответствует форме зазора между элементами трения.
3. Магнитный поток проходит по элементам узла и через пары трения подводится непосредственно в зону трения.
3. Источник магнитного поля установлен в парах трения и по ним магнитный поток подводится непосредственно в зону трения.
В магнитных системах смазки первой группы наибольшая величина магнитного поля создаётся в зоне резерва смазки - между полюсным наконечником и парой трения. Лишь небольшая часть магнитного потока проходит через зону контакта пары трения. На открытых поверхностях пар трения магнитное поле практически отсутствует. Поэтому здесь магнитожидкостная смазка хорошо удерживается магнитным полем в зоне резерва, а подача её в зону контакта, циркуляция между зонами резерва и контакта и удержание на открытых вращающихся поверхностях обеспечивается благодаря силам адгезии. Нагрузочная способность, характеристики трения и износа пар трения с такой магнитной системой практически не зависят от величины магнитного поля между полюсными наконечниками и парой трения, а увеличение концентрации магнитных частиц в магнитожидкостной смазке приводит к повышению удерживающей способности её на поверхности пар трения.
При применении магнитной системы второй группы большая часть магнитного потока проходит через зону контакта сопряжённых пар, остальная через зону резерва, прилегающую к зоне контакта, а на открытых поверхностях пар трения магнитное поле практически отсутствует. Подача магнитожидкостной смазки из зоны резерва в зону контакта и циркуляция её между этими зонами осуществляется под действием адгезии и неоднородного магнитного поля, градиент которого направлен к зоне контакта. Удержание на открытых вращающихся поверхностях обеспечивается благодаря адгезии. Величина магнитного потока в этой магнитной системе оказывает влияние на триботехнические характеристики пары трения. Это проявляется в следующем: при достаточном объёме магнитожидкостной смазки поле оказывает слабое влияние на коэффициент трения, а в режиме масляного голодания восстанавливает смазочный слой и предотвращает схватывание трущихся поверхностей (рис. 3.7).
Весьма рациональной является магнитная система 3 группы. Путём установки постоянных магнитов в парах трения существенно снижаются габариты узла трения. При использовании этой магнитной системы подача магнитожидкостной смазки из зоны резерва в зону контакта, циркуляция её между этими зонами и удержание на открытых поверхностях осуществляется под действием магнитных сил и адгезии. Наиболее полное использование магнитной энергии достигается, когда магниты устанавливаются между двумя частями пары трения так, что полярность контактирующих поверхностей разноимённа. Это повышает нагрузочную и удерживающую способности, а также продолжительность работы пары трения при одноразовом нанесении магнитожидкостной смазки. Аналогично магнитной системе 2 группы концентрация магнитных частиц в смазке также оказывает влияние на удерживающую способность. Однако по абсолютной величине удерживающая способность магнитной системы 3 группы примерно в 1,5 раза выше. Это связано с лучшим удержанием смазки на открытых вращающихся поверхностях. Для повышения удерживающей способности и увеличения объёма зоны резерва в магнитную систему 3 группы целесообразно установить магнитопроводный экран, охватывающий эквидистантно пары трения, а источник магнитного поля установить в охватывающем экране. Это позволит значительно упростить конструкцию. Однако, увеличение объёма магнитной смазки, заправляемой в зазор между экраном и парой трения, приводит к увеличению потерь на перемешивание смазки (рис. 4.1 №4).
Испытание магнитожидкостных смазок в зубчатом зацеплении и подшипниках качения в среде воздуха и в вакууме
В мелкомодульных зубчатых передачах обычно применяется ресурсное смазывание пластичными смазками. Несовершенство пластичных смазок проявляется в основном на быстроходных ступенях. Для них необходимы пластичные смазки с высокими объемно-физическими свойствами и обладать высокой адгезией к металлическим поверхностям. Магнитожидкостные смазки, в отличие от пластичных смазок, дополнительно удерживаются на вращающихся поверхностях магнитным полем.
Для испытаний магнитожидкостных смазок в мелкомодульном зубчатом зацеплении были спроектированы и изготовлены два стенда. В первом - магнитная система состояла из полюсных наконечников, подводящих магнитное поле в зону зацепления зубчатых колёс. В другом варианту магнитная система состояла из элементов, охватывающих эквидистантно зубчатые колёса и создающих индивидуальный своеобразный картер, удерживающий магнитную смазку вокруг зубчатых колёс рис.5.1. На втором стенде применялась магнитная система, включающая все зубчатые колёса и валы в единую магнитную цепь так, что основной магнитный поток от постоянного магнита проходит через зону зацепления зубчатых колёс. На конструкцию этого стенда получено авторское свидетельство [12]. На каждом стенде установлено по две пары зубчатых колёс, которые нагружались по замкнутой схеме при помощи пружинного устройства. При данной схеме нагружения электродвигатель компенсирует только потери на трение в трибосопряженных парах.
Для оценки потерь на трение электродвигатель на первом стенде установлен балансирно, а на втором - балансирно установлены ведомые зубчатые колёса. Момент трения воспринимался тензобалкой и регистрировался тензометрической системой. Зубчатые колёса изготовлены из стали 20X13 с твёрдостью НИСЭ 40-42. Контактные давления в зацеплении было определено по методике расчёта мелкомодульных зубчатых передач [16] и составляло 500 МПа.
Все испытания проведены в нормальных климатических условиях:
- температура окружающего воздуха 22 ±5 С
- атмосферное давление 750 +10 мм.рт.ст.
- относительная влажность 80 + 10 %
По результатам испытаний расчитывалась средняя интенсивность изнашивания зубчатых колёс за период испытаний по формуле
Физико-химические характеристики испытанных магнитожидкост-ных смазок приведены в таблице 5.1.
Для определения влияния на момент трения концентрации магнетита в смазке, скорости вращения и контактных давлений были проведены кратковременные испытания магнитожидкостных смазок (рис.5.2). В результате проведённых испытаний выявлено, что момент трения прямо пропорционален контактным давлениям и очень слабо зависит от скорости вращения зубчатых колёс. Из рисунка видно, что 66 существует оптимальная концентрация магнетита, которая обеспечивает минимальную величину момента трения. Эта концентрация находится в области 3 - 5% для магнитожидкостной смазки на базовом масле ПЭС-5.
Для определения начальных значений моментов трения были проведены кратковременные испытания смазок при постоянной нагрузке, скорости вращения и без замены зубчатых колёс. Полученные результаты сведены в табл.5.2. Из таблицы следует, что лучшие антифрикционные характеристики имеет магнитожидкостная смазка на базовом масле ПЭС-5. Данные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными на роликовой машине трения 20 - 70 СМТ1.
Методика определения удерживающей способности магнитожидкостных смазок в зубчатом зацеплении была аналогична методике, которая использовалась на роликовой машине трения 20-70 СМТ1. На рис. 5.3 показаны полученные результаты. Увеличение удерживающей способности магнитной системы с наконечниками связано с тем, что магнитожидкостная смазка не сбрасывалась с зубчатых колес, а собиралась на наконечниках и не участвовала в дальнейшем в смазывании пар трения. Наилучшие результаты показала магнитная система с охватывающим экраном. Удерживающая способность ее примерно в 1,5 раза выше, чем у системы, включающую все элементы трения в единую магнитную цепь. Она обеспечила минимальную интенсивность изнашивания зубчатых колес.
Рис. 5.4 иллюстрирует относительный момент трения зубчатых колес. Использовалась магнитная система, включающая элементы узла в единую магнитную цепь.
