Реферат: С. П. Шец критерий работоспособности магнитожидкостного

Вестник Брянского государственного технического университета. 2011. № 1 (29)
УДК 538.4:621.82

С. П. Шец


критерий РАБОТОСПОСОБНОСТИ МАГНИТоЖИДКОСТНОГО

СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА В ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯХ

ПОдШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ


Рассмотрены структура, кинетика намагничивания, процесс трения и смазки применительно к магнитожидкостному смазочному материалу, находящемуся в зоне упругогидродинамического контакта твердых тел.


Ключевые слова: кинетика намагничивания, магнитожидкостный смазочный материал, трибосопряжение, реологические свойства, напряженность магнитного поля, смазочная плёнка.


Для обеспечения износостойкости и герметичности подшипниковых узлов целесообразно применение смазочных материалов, обладающих способностью удерживаться в зоне трения и одновременно служить герметизатором трибосопряжений [1; 2]. К таким материалам относятся магнитожидкостные смазочные материалы (МСМ). МСМ представляет собой взвесь мелких магнитных частиц в жидкости – носителе. Такие МСМ макроскопически однородны, не расслаиваются в магнитных и гравитационных полях неограниченное время. Физико-химические свойства их зависят от характеристик магнитного поля и могут изменяться в широких пределах. Практически все МСМ содержат ферромагнитные частицы размером до 0,01 мкм. Для предотвращения агрегатирования частиц их покрывают молекулами поверхностно–активных веществ (ПАВ).

МСМ состоит из трех основных компонентов: ПАВ 1 , дисперсной среды 2 и дисперсной фазы (твердых частиц) 3 (рис.1).

В качестве ПАВ используют спирты, олеиновую, линолевую кислоты и алкилбензокислоты. Дисперсной средой являются вода, предельные и перфторированные углеводороды и их функциональные производные (жидкие металлы, минеральные масла, а также керамические полимеры). Роль дисперсной фазы выполняют металлы, обладающие ферромагнитными свойствами, ферриты, оксиды двух- и трехвалентного железа.

В магнитном поле ферромагнитные частицы (дисперсная фаза) преодолевают энергию магнитной анизотропии (k V, где k – константа магнитной анизотропии, V – объем частицы) и принимают направление магнитного поля, поэтому МСМ намагничиваются. Намагничивание МСМ связано с действием двух ориентационных механизмов выстраивания магнитных моментов твердых частиц вдоль магнитного поля: механизма ориентационного вращательного броуновского движения феррочастицы и механизма ориентационного неелевского движения феррочастицы [3].

Каждый из ориентационных механизмов характеризуется определенным временем релаксации (броуновским - tБ, неелевским - tН).

При tБ >> tН процесс релаксации намагниченности связан только с неелевским механизмом. Этот тип магнитной релаксации характерен только для суперпарамагнитных твердых дисперсий ферромагнетика, с блокировкой которого в магнитном поле связана остаточная намагниченность. Поэтому наиболее наглядно неелевский механизм реализуется в замороженном МСМ. При tБ<< tН равновесная ориентация устанавливается в основном броуновским вращением частиц. Такой тип релаксации характерен только для магнитных суспензий, имеющих более крупные частицы в твердой фазе.

Для полидисперсионных частиц в реальных МСМ кинетика намагничивания определяется совместным движением магнитных моментов в частицах и частиц в жидкой основе, т. е. намагничивание МСМ определяется совместно броуновским и неелевским механизмами магнитной релаксации в некотором диапазоне времен от tН до tБ.

Н
Таблица

Диаметры частиц и время релаксации

Диаметр частицы, нм

tН, с

tБ, с

8,0

10 -18

3,8·10 –7

10,0

10 -9

7,6·10 – 7

12,5

1,0

1,5·10 - 6



апример, время релаксации tН и tБ для МСМ на основе керосина, содержащего частицы магнетита, при Т = 25 оС [4] представлено в таблице.

В отличие от традиционных смазочных материалов МСМ обладают магнитной восприимчивостью и подвергаются действию наложенных на них магнитных полей: удерживаются в них или перемещаются в зону большей напряжённости. Поэтому действие магнитных смазочных материалов зависит не только от собственных смазочных свойств, но и от условий работы, создаваемых наложенным магнитным полем. Под его действием МСМ концентрируется в местах повышенной напряжённости, а именно в местах контакта, где образует смазочные слои и плёнки. Трибосопряжение, состоящее из двух постоянных магнитов цилиндрической формы в присутствии МСМ, представлено на рис.2.

Если МСМ концентрируется вблизи зоны трения, то его часть сдвигается в зону контакта с образованием смазывающей пленки. Толщина пленки при условии полного заполнения объема зависит от условий контакта, распределения в ней неровностей профилей и геометрического прилегания поверхностей. В таком трибосопряжении реализуется эластогидродинамическая смазка – смазка, при которой трение и толщина пленки МСМ между двумя поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются упругими свойствами материалов, а также реологическими свойствами МСМ.

Так как вязкоупругие свойства МСМ определяются нормальным давлением, температурой и ее приращением, то, основываясь на неньютоновской вязкоупругой теории жидкости Д. Мура, можно записать уравнение

, (1)

где υn – скорость вертикального перемещения одной из поверхностей трибосопряжения относительно другой; y – координата, перпендикулярная плоскости пленки; τ– приложенное напряжение сдвига; μ – динамическая вязкость сжатой пленки; G – модуль сдвига (константа); t – время сдвига.

Динамическую вязкость сжатой плёнки смазочного материала в зависимости от давления и температуры Ю. Н. Дроздов определил как



где μ0 – динамическая вязкость смазочного материала при давлении и температуре окружающей среды; β – пьезокоэффициент вязкости смазочного материала; p – давление; ψ – коэффициент, выражающий зависимость вязкости от температуры в формуле Рейнольдса; - приращение температуры.

Если в зависимости Ю.Н. Дроздова учесть градиент напряженности магнитного поля, то можно получить уравнение, которое описывает работу МСМ в упругогидродинамическом контакте:

(2)

где – магнитопроницаемый коэффициент, являющийся связующим звеном между давлением и напряжённостью магнитного поля; – градиент напряженности магнитного поля.

Учитывая в уравнении (1) выражение (2), можно получить уравнение для использования МСМ в упругогидродинамическом контакте:

(3)

На основе интегральных аналогов исходной совокупности уравнений, граничных условий и условий однозначности получен критерий , характеризующий процесс трения и смазки применительно к МСМ. Составленное на основе полученных физических информативных характеристик уравнение (3) позволяет компенсировать некоторое скрытое действие такого фактора, как напряженность магнитного поля. В результате этого уравнение (3) имеет физическое содержание и не только выражает качественное влияние основных факторов, но и дает характеристики, особенно необходимые для возможности применения МСМ в трибосопряжениях подшипниковых узлов.


Список литературы

Шец, С.П. Применение магнитной жидкости в качестве смазочного материала в манжетах / С.П. Шец // Надёжность и эффективность работы двигателей и автомобилей: сб. науч. тр. – Брянск: БГТУ, 1999. – С. 47–52.

Шец, С.П. Применение магнитожидкостных уплотнений в подшипниковых узлах сельскохозяйственной техники / С.П. Шец // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – М.: Колос, 1999. – №2. – С. 30.

Шец, С.П. Теоретическое обоснование работоспособности магнитной жидкости в комбинированном магнитожидкостном уплотнении / С.П. Шец // Новые идеи, технологии, проекты и инвестиции: сб. тез. докл. и выступл. на III Регион. науч.-практ. конф. - ярмарке. – Брянск, 2001. – С. 50 – 51.

Фертман, В.Е. Магнитные жидкости: справ. пособие / В.Е. Фертман. – Минск: Высш. шк., 1988. – 184 с.


Материал поступил в редколлегию 25.02.11.