авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное агентство по образованию

Тверской государственный технический университет

А.Н. Болотов, В.Л. Хренов

Триботехника

магнитопассивных

опор скольжения

Монография

Тверь 2008

УДК 621.891

ББК 34.41

Болотов, А.Н. Триботехника магнитопассивных опор скольжения

[Текст]: монография / А.Н. Болотов, В.Л. Хренов. Тверь: ТГТУ, 2008. 124 с.

Рассмотрены научные основы создания принципиально новых типов магнитопассивных опор скольжения: магнитожидкостных подшипников и подшипников с магнитной разгрузкой. Приведены рекомендации по конструированию, расчету, выбору конструкционных материалов опор и методике оценки их функциональных свойств. Показано, что применение магнитопассивных опор в различных машинах и механизмах значительно улучшает их эксплуатационные свойства и расширяет область применения.

Монография предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием, исследованием и эксплуатацией машин и приборов, а также для преподавателей, аспирантов и студентов механических специальностей высших учебных заведений.

Рецензенты: зав. кафедрой магнетизма ТвГУ, доктор физико математических наук, профессор Пастушенков Ю.Г.;

зав. кафедрой строительных, дорожных машин и оборудования ТГТУ, доктор технических наук, профессор Кондратьев А.В.

Александр Николаевич Болотов Владимир Леонидович Хренов ТРИБОТЕХНИКА МАГНИТОПАССИВНЫХ ОПОР СКОЛЬЖЕНИЯ Монография Редактор Ю.Ф. Воробьева Корректор И.В. Шункова Технический редактор Г.В. Комарова Подписано в печать 25.12. Формат 60х84/16 Бумага писчая Физ. печ. л. 7,75 Усл. печ. л. 7,21 Уч.- изд. л. 6, Тираж 100 экз. Заказ № 2 С– Редакционно-издательский центр Тверского государственного технического университета 170026, Тверь, наб. Афанасия Никитина, ISBN 978-5-7995-0402-1 © Тверской государственный технический университет, ВВЕДЕНИЕ Подшипниковые опоры являются важнейшими элементами конструкции машин и механизмов. От эффективности их работы зависит качество выпускаемой продукции в машиностроении и приборостроении, химической, добывающей промышленностях, авиакосмическом произ водстве и т.д. Однако в последнее время часто оказывается, что традиционные подшипниковые опоры не удовлетворяют высоким требованиям надежности, долговечности, способности работать в экстремальных условиях, габаритным размерам. Это сдерживает создание новой техники с более высокими эксплуатационными характеристиками.

Поэтому задача совершенствования подшипниковых опор путем модернизации существующих, а особенно за счет создания принципиально новых, имеет приоритетное значение.

С начала восьмидесятых годов двадцатого века российские ученые одними из первых начали применять достижения физики магнитных явлений для решения триботехнических задач. Большие успехи достигнуты в таких направлениях, как трибомагнитное материаловедение, магнитоэнергетическое управление свойствами фрикционного контакта и т.д. Существенные результаты получены в разработке электромагнитных подвесов левитирующего типа – магнитоактивных опор.

Весьма продуктивен подход, разрабатываемый авторами. Он заключается в использовании магнитостатических взаимодействий, создаваемых постоянными магнитами для радикального снижения, вплоть до полного исключения трения, и для управления процессами смазки в подшипниковых опорах. Достоинство подхода заключается в многовариантности способов его реализации и отсутствии энергопотребления. Такие опоры получили название магнитопассивных.

Изначально были созданы магнитопассивные подшипники [1, 2], в которых для бесконтактной работы сопряженных поверхностей с относительным перемещением использовались магнитные силы взаимодействия между постоянными магнитами. Такие безызносные подшипники с чрезвычайно малым трением по своим нагрузочным характеристикам и размерам приближаются к традиционным (особенно после создания магнитов из сплавов на основе Sm-Co и Fe-B). Необходимо иметь в виду, что они способны обеспечить только одно- или двухмерную бесконтактную стабилизацию подвижного объекта.

На наш взгляд, более востребованными в настоящее время являются магниторазгруженные подшипники [3, 4], в которых практически любая по величине и направлению статическая нагрузка, вызывающая трение и износ, может быть бесконтактно скомпенсирована магнитостатическими силами. Тем самым положительные свойства подшипникового узла и механизма, в котором они установлены, могут быть существенно улучшены. Такие подшипники, несомненно, должны шире применяться в промышленности. Для этого необходимо, чтобы инженеры не только знали об их свойствах, но и имели представление о принципах конструирования, методах расчета, критериях выбора материалов, способах испытаний и т.д.

Основные достижения в этом направлении авторы попытались обобщить в одной из частей монографии.

Не менее интересным представляется использование магнито статических полей для управления процессами смазки подшипников магнитными маслами. Последние [5 – 8] являются одной из разно видностей магнитных жидкостей и поэтому обладают аномально высокой магнитной активностью. Магнитные масла используют для смазки разнообразных трибоузлов, но их применение в подшипниках качения, зубчатых и червячных передачах затруднено из-за проблем, связанных с удержанием масел в зоне трения. Известные магнитные системы [8 – 11] являются громоздкими, нерациональными и малоэффективными, поскольку не учитывают магнитогидродинамические эффекты. Кроме того, в подшипниках качения толщина смазочной пленки на контакте составляет доли микрометра, а в таких условия сильно проявляется негативная роль агломератов из твердых частиц, содержащихся в масле.

Наиболее успешным оказалось применение магнитных масел для смазки магнитопассивных подшипников скольжения, которые часто называют магнитожидкостными подшипниками [12]. Преимущество самосмазывающихся подшипников заключаются в том, что они способны длительное время работать автономно в гидродинамическом режиме трения за счет термомагнитной циркуляции лимитированного объема масла через зону трения. При этом их габариты соизмеримы с габаритами традиционных подшипников. Долгое время достоинства магнито жидкостных подшипников лишь декларировались [8 – 11, 13, 14], а детально проработанные и апробированные конструкции отсутствовали.

Современное состояние проблемы создания магнитожидкостных подшипников авторы изложили достаточно полно в первой части монографии. Приведенные в ней сведения, несомненно, окажутся полезными для инженерно-технических работников при разработке качественно новой техники.

1. МАГНИТОПАССИВНЫЕ САМОСМАЗЫВАЮЩИЕСЯ ОПОРЫ СКОЛЬЖЕНИЯ 1.1. Конструкция, принцип работы и некоторые свойства магнитожидкостных подшипников Рассмотрим разработанные радиальные, упорные и радиально упорные магнитожидкостные подшипники. Приведенные далее кон струкции подшипников, во-первых, являются общими, содержащими только принципиально важные элементы, которые должны быть адаптированы к конкретным условиям эксплуатации;

во-вторых, из большого разнообразия проработанных конструкций подшипников выбраны только те, которые показали хорошие свойства при эксплуатации в различных режимах.

При конструировании подшипников стремились, чтобы они удовлетворяли требованиям:

• простота изготовления;

• отсутствие в них дефицитных материалов;

• минимальная энергия полей рассеяния, используемых для удержания магнитного масла;

• использование только постоянных магнитов в качестве источников поля;

• минимально возможная величина магнитных полей, действующих на масло (чтобы не изменять коллоидную стабильность масел).

1.1.1. Радиальные магнитожидкостные подшипники Изучались магнитожидкостные подшипники, которые условно можно разделить на две группы. В подшипниках первой группы магнитное масло герметизирует немагнитное, которое используется для смазки.

Достоинство таких подшипников в том, что для смазки можно использовать традиционные масла со свойствами лучше, чем у магнитных.

В подшипниках второй группы непосредственно магнитное масло циркулирует через зону трения и смазывает ее.

Констpукции подшипников, относящихся к первому классу, приведены на рис. 1.1. Для подачи немагнитного масла в зазор между валом и втулкой на ферромагнитном валу 1 выполнена спиральная канавка. При вращении вала масло из одной полости рабочего объема подшипникового узла перегоняется в другую, где создается избыточное давление, и масло по сквозной канавке 2 втулки 3 возвращается обратно.

Констpукции предусматривают создание запаса масла в подшипнике с помощью различных магнитожидкостных уплотнений.

а б в Рис. 1.1. Схемы магнитожидкостных подшипниковых узлов, смазываемых немагнитными маслами Констpукции подшипников различаются типом магнитожидкост ного уплотнения. На рис. 1.1а подшипниковый узел состоит из корпуса 4, выполненного из ферромагнитного материала и являющегося одновременно магнитопроводом. В корпусе 3 запрессована втулка из немагнитного материала. С торцов к нему крепятся постоянные магниты с полюсными наконечниками 6. Неоднородное магнитное поле создается в зазоре между зубцами треугольного профиля полюсных наконечников и ферромагнитным валом 1. Магнитное масло, удерживаемое в неодно родном магнитном поле зазора, служит уплотнением рабочего объема подшипникового узла.

На рис. 1.1б подшипниковый узел отличается от вышеописанного конструкцией магнитожидкостного уплотнения. Хотя уплотнение (рис. 1.1а) способно выдержать больший перепад давлений, но при возможном износе втулки 3 начнется касание о вал 1 с износом зубцов полюсных наконечников, при этом произойдет ухудшение уплотняющих свойств и появится дестабилизирующая магнитная сила. Поэтому на вал жестко насажены кольцевые магнитопроводы 7 с прикрепленными к ним кольцевыми постоянными магнитами 5 и полюсными наконечниками 6.

Масло удерживается неоднородным магнитным полем в зазоре между зубцами полюсных наконечников и торцевыми поверхностями ферромагнитного корпуса 4.

В подшипниковом узле (рис. 1.1в) магнитожидкостное уплотнение выполнено следующим образом. На ферромагнитный вал 1 жестко насажены кольцевые магнитопроводы 7 с прикрепленными к ним кольцевыми постоянными магнитами 5 и полюсными наконечниками 6. В кольцевой зазор между зубцами полюсных наконечников и валом вставлен тонкостенный цилиндр 8 из диамагнитного материала, подвешенный с одного конца на эластичной резиновой мембране 9, которая крепится к торцу корпуса. При заполнении зазора магнитным маслом тонкостенный цилиндр центрируется в зазоре магнито-гидростатическими силами. Такая конструкция выгодно отличается тем, что уплотнение позволяет удер живать значительные избыточные давления (ввиду простого обеспечения малых зазоров), может стабильно работать при значительном износе пары трения вал-втулка и не создает магнитных дестабилизирующих сил.

Эксплуатация описанных подшипников показала, что их фрикционные свойства ниже, чем у подшипников с гладким валом, хотя различия не столь значительны и, по-видимому, могут быть еще уменьшены. Более важный недостаток заключался в том, что из-за малости объема смазывающего масла даже небольшие его утечки через уплотнения значительно снижали долговечность подшипников. Кроме того, трение в уплотнениях, как правило, в несколько раз превосходит трение в подшипниках. Учитывая эти недостатки, подшипники не нашли широкого применения.

В [8 – 11] описаны не только подшипники, подобные показанным на рис. 1.1, которые рекомендуется полностью заполнять магнитным маслом, но и уплотнения. Работоспособность подшипников оказалась очень плохой из-за того, что магнитное масло постепенно собиралось около зубцов уплотнений, где поле выше, и смазка трущегося сопряжения прекращалась.

На рис. 1.2 приведены наиболее перспективные подшипники второй группы. Подшипник, схема которого изображена на рис. 1.2а, состоит из немагнитного корпуса 1, внутри которого установлен постоянный магнит 2, два осесимметричных магнитопровода 3 и немагнитная втулка 4. Втулка имеет одну или несколько смазочных канавок 5, расположенных в ненагруженной зоне подшипника. Конфигурация внутренних поверх ностей магнитопроводов выбирается в зависимости от требуемых характеристик магнитного поля в зоне канавок и области 6, где удер живается резервный объем магнитного масла. При любой конфигурации магнитопроводов магнитное поле между ними и валом 7 должно иметь градиент, направленный по оси в сторону магнита. Для замыкания магнитной цепи подшипника вал должен быть изготовлен из магнитомягкого материала.

Подшипник работает следующим образом. При вращении вала магнитное масло из смазочной канавки магнитными силами прижимается к нему, намазывается на поверхность вала и заполняет радиальный зазор.

В конфузорной части зазора масло создает нагрузконесущий смазочный слой и под действием избыточного давления частично вытекает через торцы втулки в область с резервным маслом и там охлаждается. Более холодное резервное масло затягивается магнитным полем в смазочную канавку и восполняет потери масла в смазочном слое.

Специфическим при расчете подшипника является учет баланса поступления и расхода магнитного масла. Расход масла происходит из-за вытекания его через торцы втулки из нагруженной зоны. Внешнее подпирающее давление, создаваемое резервным маслом не уменьшает утечку, так как перепад давлений остается прежним.

Количественно расход можно определить по формуле [15] QP = 0,5ld 2 g, где – относительный зазор;

– угловая скорость;

l, d – длина втулки и ее внутренний диаметр;

g – безразмерный коэффициент.

а Рис. 1.2. Конструкции радиальных подшипников б в Рис. 1.2. Продолжение Аппроксимация табличных значений коэффициента g позволила получить выражение для расчета расхода масла:

QP = 0,5ld 2 Z 0,42 (d l )0,36 exp( 2,8Z ), где Z – относительный минимальный зазор между валом и втулкой.

Скорость поступления магнитного масла из смазочной канавки в общем случае определяется выражением (P P1 ) K, (1.1) QП = где K – коэффициенты формы канавки;

P1, P2 – давление масла в канавке, на краю втулки и в центе;

– коэффициент вязкости.

Для канавки прямоугольного сечения формула (1.1) преобразуется [16]:

[ AB ( A + B )]4 (P2 P ) 1, QП = 8l где А, В – ширина и высота сечения канавки.

Для канавки круглого сечения rK (P2 P ) 1, QП = 8l где rK – радиус сечения канавки.

Разность давлений на концах канавки, находящейся в неоднородном магнитном поле:

B P2 P = M dB, B где В1, В2 – индукция магнитного поля в точках, соответствующих P1 и P2;

М – намагниченность масла.

Учитывая, что намагниченность масла достигает насыщения в сравнительно малых полях, получим P2 P = M S (B2 B1 ), где MS – намагниченность насыщения масла.

Величина индукции магнитного поля в точках B = 0 H, а расчет значений напряженности магнитного поля Н1 и Н2 производится по формулам, приведенным в гл. 1. В стационарном жидкостном режиме трения должен соблюдаться баланс расхода и поступления смазки: QП=QР.

Магнитное масло не является ньютоновской жидкостью, поэтому коэффициент вязкости, входящий в расчетные формулы, должен выбираться с учетом магнитного состояния масла и скорости сдвига.

Приближенно коэффициент вязкости можно определить по формуле 2,5 + 2,7 a exp, = 0 1 + 2 1 0, b 0 1+ M B S где а, b – эмпирические коэффициенты;

0 – вязкость основы магнитного масла;

– скорость сдвига.

На входе в ненагруженную зону и далее давление внутри слоя жидкости снижается вплоть до отрицательного, смазка утрачивает способность заполнять весь зазор, возрастающий в тангенциальном направлении. В этом месте в ней протекают кавитационные явления, так как жидкость может выдерживать лишь небольшие растягивающие давления до образования пузырьков, наполненных паром или газом. В рассматриваемом подшипнике масло из резервуара будет стремиться заполнить пустоты в ненагруженной зоне. Однако процесс затруднен из-за малости радиального зазора и сравнительно высокой вязкости масла. Более вероятно, что в основном пустоты заполняются воздухом, прошедшим через пробку магнитного масла. При этом давление в ненагруженной зоне будет понижено, по сравнению с атмосферным, на величину, близкую к пробивному давлению pK пробки из масла.

Резервное масло прижимается к втулке около нагруженной зоны и способствует повышению давления в несущем слое на величину рК. Таким образом, грузоподъемность подшипника с магнитным маслом выше, чем у подшипника, работающего с немагнитным маслом, на величину порядка pK MSВ2.

Воздействие магнитного поля на смазочный слой приводит к изменению его реологических свойств в основном из-за появления вращательной вязкости и обратимой агрегации частиц. Приращение вязкости наибольшее, когда векторы индукции магнитного поля и скорости сдвига ортогональны. На практике, изменяя величину индукции магнитного поля, можно регулировать несущую способность подшипника, причем ее относительное изменение может достигать F F 1,5 / (1 ) при скоростях сдвига (M S B / 6 0 ).

В подшипниках можно использовать масло с тиксотропными свойствами. В состоянии покоя вязкость такого масла увеличивается под воздействием магнитного поля в десятки раз. После пуска подшипника вязкость резко снижается, но первоначально высокое ее значение облегчает переход к гидродинамическому режиму трения и позволяет снизить износ подшипников.

Магнитное масло имеет сложную коллоидную структуру, чувствительную к различным внешним воздействиям, в первую очередь, к термомагнитным. Для большинства используемых на практике магнитных масел предельно допустимая рабочая температура, при которой не происходит необратимых изменений структуры, не должна превыщать 400 К. Магнитное поле в подшипнике должно быть таким, чтобы gradB 60 Тл/м. В полях с более высокой неоднородностью нарушается агрегативная седементационная устойчивость масел, из масла может отделиться дисперсионная среда и оно потеряет магнитоуправляемость. В масле образуются агломераты из частиц с сильно выраженными абразивными свойствами.

Долговечность подшипника зависит как от качества магнитного масла, так и от количества резервного магнитного масла, объем которого может уменьшиться за счет испарения и из-за разбрызгивания под действием инерционных сил.

Нормальная работа подшипника может быть нарушена центробежными силами, действующими на резервное масло при вращении вала. При скорости, выше некоторой критической, масло отделяется от вала, поэтому не может поступать в смазочную канавку, чтобы восполнить утечки. Отделившееся от вала масло либо располагается на внутренней поверхности магнитопроводов, либо совсем выбрасывается из под шипника. Критическую скорость, пользуясь результатами, полученными в [9], можно рассчитать по формуле M S B d VK =, где B – градиент магнитного поля на краю втулки рядом с валом;

– плотность магнитного масла.

Благодаря простоте конструкции и высоким триботехническим свойствам, приведенный подшипник является базовым для большого количества разработанных технических устройств с ферромагнитным валом. Для примера на рис. 1.3а приведены зависимости коэффициента трения f в подшипнике от параметра ( – круговая частота, P – P давление).

Как и в традиционных подшипниках, смазываемых немагнитными маслами, коэффициент трения имеет минимальное значение при переходе от граничного к гидродинамическому трению. Однако величина трения несколько больше из-за высокой вязкости магнитных масел.

Динамика трения и износа в подшипнике в процессе длительных испытаний при граничной смазке показана на рис. 1.3б. Испытания проводились при давлении 1,8 МПа, скорости 0,06 м/с. Вал изготавливался из стали У8А, втулка из бронзы ОСЦ4-4-2,5. Приведенные данные подтверждают, что свойства магнитожидкостного подшипника не хуже, чем традиционных подшипников скольжения, смазываемых лучшими маслами [17 – 19].

Две другие конструкции радиального магнитожидкостного подшипника (рис. 1.2б, в) предназначены для работы с валом из немагнитного материала.

Подшипник (рис. 1.2б) состоит из корпуса 1, в котором закреплены два магнита 2 в виде полуколец, намагниченные вдоль оси во взаимопротивоположном направлении. К полюсам магнитов примыкают полукольцевые магнитопроводы 3, одновременно исполняющие роль втулок. Каждая втулка состоит из двух полуколец, а в месте их состыковки имеются клиновидные зазоры 4, заполненные резервным магнитным маслом 5. В клиновидном зазоре создается неоднородное магнитное поле с градиентом, направленным к валу 7.

Магнитное масло из клиновидного зазора прижимается к валу и по мере необходимости подается в зазор между валом и втулкой, значит, и в зону трения. Магнитное масло, которое выдавливается из конфузорной части зазора, вначале попадает в кольцевую канавку 6, а оттуда возвращается в клиновидный зазор.

В корпусе 1 подшипника (рис. 1.2б) установлен сплошной кольцевой магнит 2 с осевой намагниченностью. Внутри магнита вставлена втулка 3 с буртиками, выполненная из магнитомягкого материала. Втулка состоит из двух частей в виде усеченных цилиндрических колец. В сечении зазор между частями втулки имеет форму трапеции 5, сужающаяся часть которого обращена в сторону вала 6. Весь магнитный поток, создаваемый магнитом, проходит через зазор и удерживает в нем магнитное масло.

Непараллельность стенок втулки, образующих зазор, способствует подаче масла в рабочий зазор подшипника для его смазки.

а б Рис. 1.3. Триботехнические свойства магнитожидкостного подшипника при смазке магнитными маслами ММ-23.01.1 (1) и ММ-07.10.1 (2) Два последних подшипника были испытаны в составе шпинделей для обработки алмазов, и никаких отрицательных трибосвойств у них не обнаружено. Они отличаются предельно рациональным использованием магнитного поля, однако менее технологичны в изготовлении. Из них медленнее испаряется масло, они компактны, но часто возникают проблемы с подбором прочного и износостойкого материала для вала.

Поэтому окончательный выбор той или иной схемы подшипника зависит от конкретных требований к нему.

1.1.2. Упорные магнитожидкостные подшипники Простейший упорный подшипник скольжения представлен на рис.

1.4а. Он состоит из пяты 1 и подпятника 2, выполненных из немагнитных материалов. Источником магнитного поля является кольцевой постоянный магнит 3, жестко закpепленный на пяте. Геометрические размеры его подобраны таким образом, чтобы создать наибольшую напряженность магнитного поля в середине фрикционного онтакта пяты с подпятником.

Магнитное масло располагается в виде кольца на дорожке трения, а излишки около зоны трения и в центральной полости подпятника.

В подшипнике (рис. 1.4б) для улучшения условий смазывания трущихся поверхностей и облегчения циркуляции масла через фрикционный контакт в подпятнике 2 выполнены канавки 4, расположенные в радиальном наплавлении. Масло располагается кольцом на дорожке трения, излишки – около зоны трения, в центральной полости подпятника и канавках. При вращении пяты 1 магнитное масло, подвергшееся термомеханическим воздействиям в зоне трения, попадает в канавку, новые порции масла за счет магнитных сил намазываются на поверхность трения пяты и увлекаются в зону трения. В рассмотренных подшипниках трудно создать необходимую напряженность магнитного поля в зоне фрикционного контакта. Для обеспечения жесткости и грузоподъемности подшипника требуется пята большой толщины, что ведет к падению напряженности магнитного поля в зоне фрикционного контакта.

Проводились экспериментальные исследования упорных подшип ников на установке торцевого трения. Пята и подпятник подшипников изготавливались из немагнитных материалов: нержавеющей стали 12Х18Н9Т и латуни Л63. Постоянный магнит марки КС-37 диаметром 3 см3 создавал неоднородное поле с максимальной напряженностью около 60 кА/м. Испытания проводились в условиях граничной смазки при средней линейной скорости 1 м/с и давлении на контакте 0,38 МПа.

Подшипники заправлялись небольшим по объему (0,5 см3) количеством различных магнитных масел и для сравнения немагнитным.

б а в г д Рис. 1.4. Схемы упорных подшипников скольжения, смазываемых магнитными маслами Результаты испытания подшипника на рис. 1.4б приведены в табл. 1.1.

Таблица 1. Результаты фрикционных испытаний упорного подшипника при граничном режиме смазки магнитными маслами Масло Трибосвойства подшипника * T*,C Ih*, 10-11 *, ч f ММ-04.09.1 0,075 35 - ММ-23.01.1 0,065 35 7,6/3,5 ММ-07.10.1 0,09 40 1,3/0,7 ММ-16.09.1 0,06 30 4,7/4,0 МВП 0,07 35 - *f – коэффициент трения;

Т – объемная температура подшипника;

Jh – интенсивность изнашивания (Л63/12Х18Н9Т);

– время нормальной работы. МВП – немагнитное приборное масло.

Из табл. 1.1 следует, что подшипник, смазываемый магнитными маслами, гораздо дольше сохраняет работоспособность, чем смазываемый немагнитным маслом МВП, причем время наработки магнитожидкостных подшипников в основном ограничено структурной неустойчивостью магнитных масел. Подшипник без смазочных канавок (см. рис. 1.4а) на порядок менее долговечен.

Для увеличения напряженности магнитного поля в зоне фрикционного контакта в подшипниках (рис. 1.4в, г) пята 1 выполнена из ферромагнитного материала, к ней крепятся кольцевой или цилиндрический 3 (рис. 1.4г) постоянный магнит. Для предотвращения износа постоянного магнита его поверхность покрыта немагнитной пластиной 7, толщина которой превышает величину предполагаемого износа пластины.

Возможность герметизации упорного подшипника скольжения от воздействия окружающей среды, а также более рациональное исполь зование энергии магнитного поля реализована в констpукции подшипника, представленного на рис. 1.4д. Корпус 1 из ферромагнитного материала является магнитопроводом и имеет полюсные зубцы 2. В корпусе размещены кольцевой постоянный магнит 3 и подпятник 4 из немагнитного материала. Пята 5 имеет полюсные зубцы 6, аналогичные зубцам корпуса. Магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом, замыкается через пяту, межзубцовое пространство и корпус, имеет минимальные поля рассеивания. Магнитное масло располагается в неодно родном магнитном поле в зоне фрикционного контакта пяты с подпят ником, полостях корпуса, неоднородном поле межзубцового пространства.

В данной конструкции подшипника энергия магнитного поля используется не только для создания неоднородных магнитных полей, удерживающих масло, но и для создания магнитной силы, разгружающей фрикционный контакт. При смещении зубцов пяты относительно симметричного расположения с зубцами корпуса возникает магнито статическая сила, стремящаяся вернуть систему в исходное положение.

Конструктивно можно предусмотреть такое смещение пяты за счет уменьшения высоты подпятника. Разгружающее усилие может составить при использовании, например, магнитов из сплава SmCo5 до нескольких десятых мегапаскалей, что внесет существенный вклад в уменьшение трения и износа подшипника.

Экспериментально изучался подшипник, приведенный на рис. 1.4в.

Для работы подшипника в гидродинамическом режиме смазки поверхность подпятника изготавливалась с учетом рекомендаций, изложенных в [20]. Поверхность подпятника была разделена на шесть сегментов, причем отношение длины сегмента по средней окружности к его ширине равнялось единице. Каждый сегмент имел ступенчатую поверхность, высота ступеньки равнялась 20 – 30 мкм, а ее длина составляла третью часть от длины сегмента. Ступеньки получали путем размерной электрохимической обработки поверхности. Для увеличения напряженности магнитного поля в зоне фрикционного контакта, улучшения смазывания и циркуляции магнитного масла пята сделана из ферромагнитного металла (Ст.3) с размещенным в ней кольцевым постоянным магнитом 3 марки КС-37. Трение пяты 1 по подпятнику осуществляется через тонкую немагнитную пластину 7. За счет этого величина максимальной напряженности в зоне фрикционного контакта увеличена до 130 кА/м. Такое значение поля является более близким к оптимальному, т.к. при этом намагниченность используемых масел приближается к насыщению.

Были проведены долговременные испытания подшипника, смазы ваемого маслом ММ-11.01.1, при давлении 2 МПа и скорости скольжения 3 м/с. Испытания продолжались более 200 ч, при этом коэффициент трения составлял значение 0,04, а интенсивность изнашивания пяты и подпятника 10-12.

Более сложная конструкция упорного подшипника показана на рис. 1.5. Магнитожидкостный упорный подшипник имеет немагнитный корпус 1, в котором соосно установлены магнитопроводы 2, 3 из магнитомягкого материала. Магнитопроводы ступенчатой формы имеют внутренние цилиндрические 4 и конусные 5 поверхности. Между ними с зазором установлен кольцевой подпятник 6 из бронзы.

Высота подпятника больше высоты конусных поверхностей магнито проводов. В подпятнике радиально расположены верхние 7 и нижние каналы, соединенные вертикальными 9 каналами. Система каналов расположена по окружности кольцевого подпятника. На него опирается пята, состоящая из тонкой пластины 10, жестко закрепленной на кольцевом постоянном магните 11. Вращение и нагрузка пяте передается от водила 12. Рабочий объем подшипника заполнен магнитным маслом 13, которое располагается в диаметральных зазорах между магнитопроводами, в соединенных между собой верхних, нижних и вертикальных каналах.

Рис. 1.5. Схема магнитожидкостного упорного подшипника Магнитная цепь подшипника образуется источником магнитного поля – кольцевым постоянным магнитом, магнитопроводами, магнитным маслом. В зоне фрикционного контакта тонкой кольцевой пластины с подпятником, в сквозных верхних, нижних и вертикальных каналах с помощью конусных поверхностей магнитопроводов создается неодно родное магнитное поле с градиентом, направленным к центру фрик ционного контакта. Под действием этого поля происходит подача масла в зону трения.

Большую роль в работе всех подшипников играет термомагнитная конвекция в магнитной жидкости. Сущность заключается в том, что в магнитной жидкости, находящейся в неоднородных термомагнитных полях, происходит конвективное движение отдельных слоев. В обычных жидкостях конвекция возникает под действием архимедовой силы, и причиной является температурная зависимость плотности. В магнитной жидкости термомагнитную конвекцию вызывают объемные магнитные силы благодаря температурной зависимости намагниченности.

Термомагнитная конвекция способствует более интенсивному охлаждению подшипников, отводу тепла из зоны трения за счет более активной ее циркуляции через эту зону. Также термомагнитная конвекция приводит к перемешиванию резервного масла, препятствуя тем самым его расслоению. Например, в подшипнике (рис. 1.5) масло нагревается в зоне трения и за счет градиента магнитных сил выталкивается в область с меньшей напряженностью магнитного поля, т.е. перемещается по верхним каналам и стремится к донной части подшипника, где и охлаждается.

Охлажденное масло в донной части имеет большую намагниченность, и поэтому по вертикальному каналу стремится в зону фрикционного контакта. Так происходит термомагнитная циркуляция масла, которая снижает тепловую нагруженность подшипника.

1.1.3. Радиально-упорные магнитожидкостные подшипники Радиально-упорные подшипники способны воспринимать усилия со стороны вала, направленные произвольно. Такие подшипники сложны по конструкции, но и более универсальны. Как правило, они представляют собой механический узел, гармонично объединяющий в себе отдельно радиальный и упорный торцовый подшипники (исключение составляет лишь конический). Основная трудность, связанная с проектированием pадиально-упоpных магнитожидкостных подшипников, заключалась в том, чтобы исключить необратимое перетекание масла в процессе работы подшипника из одной части в другую. Основные схемы разработанных подшипников приведены на рис. 1.6.

Первый подшипник (рис. 1.6а) представляет собой вариант видоизмененного радиального подшипника (рис. 1.2б). Так же, как и прототип, он содержит корпус 1, сборный магнит 2 и две магнитные втулки 3, состоящие из двух полуколец. Во втулке 3а клиновидный зазор между полукольцами направлен сужающейся частью в сторону вала. Эта втулка воспринимает радиальные нагрузки. Во втулке 3б клиновидный зазор выходит на торцевую поверхность подпятника, которая и воспринимает осевые нагрузки. На валу из немагнитного материала, проходящем через подшипник, выполнен выступ 4 (пята), служащий для передачи осевых усилий от вала на подшипник. Все клиновидные зазоры 5, 6 заполнены резервным магнитным маслом 7, которое по мере необходимости поступает из зазоров в зону трения и возвращается после выхода из зоны обратно.

а б Рис. 1.6. Конструкции радиально-упорных подшипников Подшипник был изготовлен в нескольких экземплярах и испытыван в лабораторных условиях. Материал втулки – закаленная сталь У8А. Вал, диаметр которого 10 мм, имел корундовое покрытие, полученное анодно искровым оксидированием. Подшипники работали при скорости вращения вала 450 об/мин, радиальной нагрузке 0,7 МПа, осевой – около 0,1 МПа.

Для смазки использовалось магнитное масло ММ-14.01.1. Эффективный коэффициент трения при пуске доходил до 0,3, установившееся значение коэффициента было около 0,02. Подшипники проработали 1280 ч. К концу испытаний, продолжавшихся в течение шести месяцев, коэффициент трения возрос на 20 – 30 %. Причина заключалась в увеличении вязкости магнитного масла. Как выяснилось в дальнейшем, магнитное масло склонно к полимеризации, если не содержит антиокислительных присадок.

Износ превышал несколько микрометров. Эти данные, а также результаты измерения сопротивления между валом и втулкой показывают, что подшипники преимущественно работали в гидродинамическом режиме смазки.

Аналогичные подшипники хорошо работали в опытных образцах шпинделей для обдирки алмазов.

В отличие от вышеописанного следующий подшипник (рис. 1.6б) может работать как с магнитным маслом, так и немагнитным. В корпус подшипника вставляется втулка 2 из немагнитного материала, имеющая два симметрично расположенных пропила 3, трапецеидальных в радиальном сечении. К стенкам втулки в месте пропилов прикреплены пластины 4 из магнитомягкого материала, между которыми установлены магниты 5. Торец втулки и буртик 7 на валу образуют упорный подшипник. Неоднородное магнитное поле, создаваемое магнитом в зазоре между пластинами, удерживает резервное магнитное масло 6 и обеспечивает его прижатие к цилиндрической поверхности вала и плоской поверхности буртика 7. При вращении вала масло увлекается в зону трения и смазывает ее.

Преимущество этого и следующих подшипников перед показанным на рис. 1.6а в том, что для изготовления не требуется кольцевой магнит, который трудно сделать большим по диаметру.

Подшипник на рис. 1.7а представляет собой несколько измененный вариант подшипника на рис. 1.6б. Различие заключается в том, что втулка 2 подшипника выполнена из магнитомягкого материала, и поэтому магнит 3 непосредственно примыкает к стенкам клиновидного пропила 4. Вал обязательно должен быть изготовлен из немагнитного материала. Смазка поверхностей трения осуществляется магнитным маслом 6, выступающим из зазора между частями втулки 2а, б.

Подшипник (рис. 1.7б) содержит в корпусе 1 немагнитную цилиндрическую втулку 2. С одной стороны втулки имеется буртик, в него упирается под действием осевой нагрузки выступ 3 на валу из магнитомягкого материала. Втулку охватывает кольцевой магнитопровод 4, в разрезы которого вставлены постоянные магниты 5, намагниченные в одном направлении. Магнитное поле создается во всей области, ограниченной поверхностью втулки. Смазочное магнитное масло удерживается в полостях 6, 7 втулки, откуда поступает в зону трения.

Для экспериментальных исследований изготовлены подшипники, принципиально соответствующие конструкциям, показанным на рис. 1.7а, б, с диаметром вала 50 мм. Внешний диаметр подшипников около 120, длина около 55 мм. Поле создавалось постоянными ферритбариевыми магнитами марки 14БА25, для смазки использовалось сравнительно маловязкое диэфирное магнитное масло марки ММ-04.09.1. Подшипники надежно работали в гидродинамическом режиме смазки при умеренных нагрузках (до 1,5…2 МПа) и скоростях скольжения. При частотах вращения вала свыше 2000 – 2100 об/мин независимо от нагрузки подшипники начинают перегреваться от сильного фрикционного тепловыделения, возникает потребность в искусственном охлаждении. Несмотря на большие опасения, разбрызгивание масла из подшипника под действием центробежных сил не происходило.

а б Рис. 1.7. Конструкции радиально-упорных подшипников Конструкция радиально-упорного подшипника, принципиально отличающегося от последнего из вышеописанных, приведена на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Схема радиально-упорного магнитожидкостного подшипника Подшипник отличается тем, что он, являясь опорой, может играть роль уплотнения для герметизации газовых сред. В нем оригинальным образом бесконтактно воспринимается осевая нагрузка.

Подшипник состоит из немагнитного вала 1 с жестко закрепленными на нем магнитопроводами 2, 3 из магнитомягкого материала, которые имеют торцевые поверхности 4 и 5, причем диаметр 4-й больше диаметра 5-й. Магнитопроводы сопрягаются по поверхности, наклонной к оси вращения вала, с образованием между ними замкнутой канавки 6.

Наружные диаметры одинаковы и установлены во втулке 7 из бронзы.

Втулка жестко закреплена в кольцевом постоянном магните 8, к торцам которого примыкают полюсные наконечники 9 с зубцами из магнито мягкого материала, концентрирующими магнитный поток. Форма зубцов полюсных наконечников аналогична зубцам торцевых поверхностей магнитопроводов. Диаметральный зазор между ними составляет менее 0,2 мм. Магнитное масло 10 размещается в межзубцовом зазоре, полостях 11 и 12 подшипникового узла, канавке.

Магнитный контур образуется кольцевым магнитом, полюсными наконечниками, магнитным маслом, магнитопроводами. В межзубцовом зазоре за счет формы зубцов создается неоднородное магнитное поле.

Масло в межзубцовом зазоре служит уплотнением рабочего объема магнитожидкостного узла. При появлении знакопеременной осевой нагрузки происходит смещение зубцов магнитопроводов относительно зубцов полюсных наконечников, возникает магнитостатическая сила, стремящаяся вернуть вал с магнитопроводами в начальное симметричное положение. Дополнительная нагрузочная способность магнито жидкостного узла достигается с помощью магнитного масла. При смещении вала с магнитопроводом происходит изменение суммарного объема полостей из-за разности диаметров торцевых поверхностей магнитопроводов. Поскольку масло в полостях загерметизировано магнитожидкостным уплотнением, то в этих полостях создается повышенное или пониженное давление. Благодаря действию гидро статических сил увеличение осевой нагрузочной способности F = nPR 2, Z где n – количество зубцов;

Р – перепад давлений, выдерживаемый одним зубцом;

R – разность радиусов торцевых поверхностей магнитопроводов.

Радиальная нагрузка воспринимается втулкой. Магнитное масло из канавки под действием магнитных сил прижимается к втулке и принудительно смазывает ее. Отработавшее масло удаляется из зоны трения под действием гидродинамических сил, возникающих в смазочном слое, или за счет термомагнитной циркуляции масла через зону трения.

Все описанные подшипники компактны, просты в изготовлении. Их осевая длина такая же, как у традиционных гидродинамических подшипников, а радиальный размер незначительно больше.

Выбор конкретной схемы подшипника зависит от многих условий – диаметра и материала вала, имеющегося в наличии типоразмера магнитов, допустимой стоимости и т.д.

Сформулируем основные принципы, которыми следует руковод ствоваться при создании магнитожидкостных подшипников:

• подшипниковый узел должен представлять гармоничную механо магнитную систему, в которой механические элементы служат для формирования замкнутой магнитной цепи, а магнитные – для управления движением смазочного материала;

• магнитная система подшипника должна создавать поле в основном только в месте расположения резервного магнитного масла;

наличие поля по всей зоне трения необязательно;

поля рассеяния должны быть сведены к минимуму;

• полости с резервным магнитным маслом должны располагаться как можно ближе к фрикционному контакту;

масло поступает в зону трения непосредственно из этой полости или по каналу, вдоль которого также создается магнитное поле;

• резервное магнитное масло удерживается от растекания и разбрызгивания неоднородным магнитным полем, причем следует стремиться к уменьшению напряженности магнитного поля для улучшения сохраняемости масла;

• для создания саморегулируемого процесса смазки подшипника градиент магнитного поля должен быть направлен из резервуара в сторону зоны трения или область, из которой масло увлекается в эту зону вращающимся валом;

• смазочное масло, вытекающее из конфузорных зазоров зоны трения, под действием гидродинамических и инерционных сил должно удерживаться осесимметричным магнитным полем и в процессе движения по круговой траектории постепенно возвращаться в резервуар;

• внутри подшипника или в непосредственной близости от него не должно быть мест, в которых значение напряженности магнитного поля больше, чем в смазочной канавке, в противном случае масло перетекает в эту область и исключается из процесса смазки, поэтому целесообразно, чтобы магнитная система подшипника была симметричной.

1.1.4. Шпиндельные узлы с магнитожидкостными подшипниками Анализ развития прецизионной техники, в частности вычис лительной, показывает, что одной из важных проблем является повышение качества шпинделей различных вспомогательных устройств и механизмов.

Традиционные шпиндели с подшипниками качения и пористыми подшипниками скольжения не отвечают требованиям по долговечности, надежности, шумовым и точностным параметрам. В результате, не удается повысить плотность магнитной записи информации, улучшить качество обработки драгоценных камней. Одно из альтернативных решений проблемы заключается в применении для этих целей магнитожидкостных шпинделей, обеспечивающих устойчивое положение вала без механического контакта поверхностей в зоне трения.

Рассмотрим три пары шпинделей, различающихся схемами подшип ников, установленных в них, и компоновкой. Деление шпинделей на пары произведено лишь потому, что в таком сочетании проводились их сравнительные исследования, опытные образцы имели одинаковые размеры и изготавливались из одинаковых материалов.

Шпиндели (рис. 1.9) содержали магнитопассивные упорные и жидкостные радиальные подшипники. В одном варианте шпинделя радиальный подшипник смазывается немагнитным маслом, в другом – магнитным. В варианте на рис. 1.9а магнитное масло 7 герметизирует зазоры в месте выхода вала и предотвращает вытекание немагнитного масла, заполняющего внутренние полости;

в варианте на рис. 1.9б – заполняет весь свободный объем и удерживается магнитным полем.

Шпиндели предназначены для работы при вертикальном расположении вала.

Элементарный упорный магнитопассивный подшипник состоит из неподвижного кольцевого магнита 2 с двумя полюсными магнито проводами 3 в виде шайб и вала, через который замыкается магнитный поток и на котором имеются цилиндрические выступы высотой, равной высоте магнита с магнитопроводами 9. Там, где это возможно, цилиндрический выступ заменяется двумя зубцами 10. При осевом смещении вала 5 изменяется магнитная энергия системы, появляется возвращающая сила.

Рис. 1.9. Схемы шпинделей с магнитными подшипниками Радиальные магнитожидкостные подшипники в шпинделе (рис. 1.9б) принципиально были такие же, как подшипники, описанные в п. 1.1.1. Они состояли из немагнитной втулки 6, постоянного магнита 2 и цилиндрического магнитопровода 4. Втулка имела одну смазочную канавку в ненагруженной зоне.

В радиальном подшипнике шпинделя, показанного на рис. 1.9б, магнитная цепь по конструктивным причинам не симметрична относительно магнита. В данном случае возникает опасность необра тимого перетекания магнитного масла под воздействием гравитационных и термомагнитных полей в зазоры, расположенные с той стороны магнита, где отсутствует втулка. Как показывает опыт, процесс перераспределения резервного магнитного масла теоретически предсказать трудно, поэтому методы устранения нежелательных утечек подбираются эмпирически.

В рассматриваемом шпинделе на валу выполнен цилиндрический выступ (рис. 1.9б) со спиральной канавкой для возвращения вытекающего из подшипника масла в исходное состояние при вертикальном положении вала.

В радиальных подшипниках, смазываемых немагнитным маслом (см.

рис. 1.9а), роль втулок выполняли кольцевые магниты, одновременно создающие поля в упорных подшипниках. В местах соприкосновения вала с магнитами протачивалась канавка вдоль оси магнита для поступления масла в зону трения. Предполагалось, что подача масла в подшипник будет происходить под действием гравитационных сил через ненагруженную зону подшипника.

Для исключения образования воздушных полостей внутри шпинделя заполнение его немагнитным маслом осуществлялось посредством всасывания через зазоры на выходе вала. После заполнения шпинделя маслом зазоры герметизировались олеофобным магнитным маслом.

Экспериментально определялся интегральный момент трения в шпинделях в зависимости от скорости и радиальной нагрузки (осевая нагрузка на трение влияет незначительно). Шпиндели испытывались при вертикальном расположении вала. Габаритные размеры шпинделей: длина 55, диаметр 25 мм;

размеры кольцевых магнитов – 14104,5, 1484,5 мм, марка магнитов КС-37. Для смазки шпинделей использовалось магнитное масло вязкостью 0,5 Па·с и индустриальное немагнитное масло вязкостью 0,1 Па·с. Герметизация шпинделя с индустриальным маслом осуществлялась магнитным маслом на основе триэтаноламина.

Исследование шпиндельных узлов проводили на специальном стенде. Основные элементы стенда размещали на массивной стальной плите, имеющей высокую жесткость и установленной на специальных демпфирующих опорах. Исследуемый шпиндельный узел устанавливали во вращающихся центрах, один из которых имел возможность переме щаться вдоль продольной направляющей и обеспечивал закрепление шпинделей различных типоразмеров. Другой центр был соединен с валом электродвигателя через поводковую муфту. Частота вращения электродвигателя бесступенчато регулируовалась от 1 до 4000 об/мин.

Радиальная и осевая нагрузка на шпиндельный узел величиной до 200 Н создавалась бесконтактно с помощью постоянных магнитов. Для создания радиальной нагрузки до 2·104 Н служило коромысло, к которому подвешивались грузы. Нагрузка от коромысла к корпусу передавалась через подшипник качения, чтобы сохранялась возможность легкого поворота корпуса для измерения трения. Осевая нагрузка до 103 Н создавалась с помощью торсиона с малым сопротивлением закручивания.

Для измерения момента сил трения корпус шпинделя соединяли с тензобалкой. В месте выхода шейки вала шпинделя устанавливалась стойка, имеющая два взаимоперпендикулярных посадочных места для крепления датчиков перемещений, позволяющих измерять зазоры в подшипниках, а также биения вала. Траектория движения вала опреде лялась прибором Microsense 3401 с датчиками емкостного типа.

Полученные результаты приведены на рис. 1.10. Из-за различий в вязкости магнитного и немагнитного масел момент трения в шпинделе, смазываемом магнитным маслом, несколько выше, и это негативно сказывается на температурном режиме работы шпинделя. Равновесная объемная температура корпуса без принудительного охлаждения при нагрузке 10 Н и частоте вращения 15 с-1 составляет около 310 К. Для работы шпинделей в более жестких условиях трения необходимо исполь зовать магнитное масло с пониженной вязкостью, тем более что радиальные подшипники имеют существенный запас по несущей способности.

Шпиндель, смазываемый индустриаль ным маслом, более чувствителен к радиаль ным перегрузкам из-за меньшей несущей способности масляной пленки и вследствие того, что работает в режиме масляного голодания в результате лимитированного поступления масла. Опасение вызывала надежность магнитожидкостной герметиза ции шпинделя, однако в течение 70 ч разгер метизации не происходило.

Рис. 1.10. Зависимость момента трения в шпинделях от скорости:

а – подвес с магнитным маслом;

б – подвес с маслом;

1 – нагрузка 20 Н;

2 – нагрузка 10 Н Дискретный анализ износа узлов шпинделей показал, что наблюдается только износ поверхности валов в начальный период работы, который вызван незначительной неточностью втулок.

Экспериментальные нагрузочные характеристики магнитопас сивных подшипников в описанных шпинделях приведены на рис. 1.11.

Максимальная грузоподъемность шпинделей (см. рис. 1.9а, б) соответ ственно 52 и 33 Н. Жесткость магнитных подшипников при небольших смещениях вала составляет около 1 Н/мкм. Следует подчеркнуть, что полученное значение жесткости достаточно большое и недостижимо в других известных подшипниках, аналогичных по принципу работы.

Заполнение магнитопассивных подшипников магнитным маслом влияет на их нагрузочные свойства слабо, однако резко улучшает демпфирование колебаний. Энергия аксиальных колебаний вала рассеивается за счет диссипативных процессов внутреннего трения в магнитном масле. По оценкам логарифмический декремент затухания колебаний повышается на 2 – 3 порядка.


На рис. 1.12 показаны схемы шпинделей с другими, чем на рис. 1.9, радиальными подшипниками. В корпусе шпинделя на рис. 1.12а установлены магнитожидкостные подшипники, в кото рых втулка 6 с магнитами 3 состоит из двух частей, а клиновидный зазор между ними заполнен магнитным маслом 7.

Рис. 1.11. Грузоподъемность шпинделя при осевом смещении вала:

1 – подвес с магнитным маслом;

2 – подвес с маслом Шпиндель имеет вал 2 из немагнитного материала, поэтому для нормальной работы упорного подшипника на вал одевается насадка 8 из магнитомягкого материала, зубцы которой взаимодействуют с магнитопроводами 5. В другом шпинделе (рис. 1.12б) установлен видоизмененный типовой подшипник, который был описан в п. 1.1.1. Для уменьшения аксиальной протяженности подшипника резервное масло 7 удерживается между втулкой с буртиком и конусным магнитопроводом 4. Выступ 9 на конусном магнитопроводе служит для концентрации магнитного потока. Во втулке напротив выступов выполнены отверстия для поступления масла к валу.

Шпиндели различаются местом расположения упорных магнито пассивных подшипников. Расположение упорного подшипника на выходе вала из шпинделя выгодно тем, что подшипник может играть дополнительную роль магнитожидкостного уплотнения, защищающего шпиндель от пыли. При расположении подшипника в центре шпинделя повышается устойчивость движения вала.

Для исследований были изготовлены шпиндели, которые имели такие же габаритные размеры, как шарикоподшипниковые, используемые в накопителях информации персональных компьютеров. Диаметр корпуса шпинделей 26 мм, длина корпуса 45мм, диаметр вала 8 мм. В шпинделях применены ферритбариевые магниты марки 22РА220. Шпиндели приводились во вращение закрепленным на их корпусе вентильным электродвигателем с частотой вращения до 5000 об/мин. Для смазывания радиальных подшипников использовались диэфирные магнитные масла с вязкостью от 0,5 до 0,08 Па·с.

а б Рис. 1.12. Схемы магнитных шпинделей Эксперимент показал, что для шпинделя с шарикоподшипниками момент трения при номинальной частоте 3600 об/мин – 2,5 Н·см, тогда как у магнитожидкостных шпинделей – от 7 до 1,5 Н·см в зависимости от вязкости масла. Момент трения у первой конструкции (см. рис. 1.12а) меньше, чем у второй, но несущественно.

В процессе проведения испытаний время разгона вала до макси мальной частоты вращения с места составило 16 с, что несколько хуже, чем у шарикоподшипниковых шпинделей. Это объясняется в значительной мере повышенным пусковым моментом, возникающим за счет структу рирования магнитной жидкости во время стоянки. После оптимизации состава магнитного масла удалось довести время разгона до 10…12 с, что превосходит показатели шпинделя с шарикоподшипниками класса точности 2.

Дополнительно измерялись биения шейки вала, вращающегося в подшипниках, смазываемых магнитным маслом. Общие биения составили для первой и второй конструкции соответственно 16 и 8 мкм, неповто ряющиеся 0,75 и 0,25 мкм. Промеры вала и подшипников скольжения показали, что их отдельные параметры не соответствуют требованиям, заложенным в технической документации на изготовление. Так, диаметральный зазор в подшипнике первого типа составил 20 мкм вместо 8…16 по чертежу. Кроме того, ось вала имела изгиб до 20 мкм, а некруглость составила 3,5 мкм. Погрешности и неточности изготовления привели к столь высоким суммарным биениям. Однако неповторяющиеся биения значительно ниже, чем для шарикоподшипниковых шпинделей.

При использовании даже высокоточных шарикоподшипников класса точности 2 биения составляют не менее 2 мкм.

Упорные магнитостатические подшипники шпинделей выдержи вали нагрузку до 12 Н.

Полученные результаты позволяют положительно оценить триботехнические характеристики магнитожидкостных шпинделей. Они имеют момент трения такой же, как у шарикоподшипниковых шпинделей, но позволяют добиться снижения биений и вибрации вала.

Дополнительно эти же шпиндели испытывались с механическим упорным подшипником вместо магнитопассивного. Вал при этом опирался через шарик, закрепленный на его конце, на полярную поверхность магнита, который удерживал смазывающее контакт магнитное масло марки ММ-04.07.1. Осевая нагрузка составляла 15 Н, частота вращения 5000 об/мин, время испытаний 100 ч. К подшипнику был подведен индукционный датчик перемещений для определения износа.

При трении шарика из стали ШХ15 по магниту из сплава SmCo установившаяся интенсивность изнашивания составляла около 0,2 мкм/ч.

После нанесения на поверхность магнита покрытия из нитрида титана износ уменьшался до 0,15 мкм/ч. Для другой серии экспериментов на поверхности магнита закреплялась пластина из бронзы, в которой выполняли углубление вдавливанием шарика. В углублении делали радиальные канавки для поступления смазки, а ее поверхность покрывали нитридом титана. При такой конструкции упорного подшипника интенсивность изнашивания составляла 0,05 мкм/ч.

На рис. 1.13 изображены шпиндели, содержащие только подшипники скольжения, смазываемые магнитным маслом.

В шпинделе (рис. 1.13а) радиальные и осевые нагрузки со стороны вала 1 воспринимались втулками 5 из немагнитного материала, разде ленные шайбой 7. Резервное магнитное масло 8 удерживается между магнитопроводом 4 и стальным валом 1 магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом 3. При вращении вала спиральные канавки, имеющиеся на его поверхности, прокачивают масло через зазоры между втулками 5 и валом с цилиндрическим выступом. Таким образом осуществляется смазка трущихся поверхностей. Для возвращения масла в исходное положение служит канал 6. Магнитное масло, удерживаемое полюсными наконечниками 2, позволяет загерметизировать шпиндель от попадания каких-либо частиц из окружающей среды.

а б Рис. 1.13. Схемы магнитных шпинделей В шпинделе (рис. 1.13б) вал 1 центрируется одной удлиненной втулкой 7 из немагнитного материала. Для фиксации вала в осевом направлении на нем выполнены цилиндрические выступы 6, которыми вал упирается в торцы удлиненной втулки. Резервное магнитное масло заполняет свободный объем между магнитом 3 с магнитопроводом 4 и валом. При вращении вала лопатки 5, расположенные на боковой поверхности выступов 6, закачивают масло 9 через канал 8 в полость внутри втулки, затем оно проходит между трущимися поверхностями и смазывает их.

В последних двух шпинделях смазка осуществляется магнитным маслом, которое подается к трущимся поверхностям механическими методами, а не магнитными. Это позволяет сделать смазку подшипников обильной.

Опытные образцы шпинделей (рис. 1.13а) были изготовлены с диаметром вала 9 мм, корпуса – 30, длиной корпуса 55 мм. В каждом шпинделе установлено по два магнита марки КС-37 с размерами 24105 мм. Вал шпинделей изготавливался из стали У8А, закаленной до твердости 57НRC, втулки – из бронзы ОСЦЧ-4-2,5. Шпиндели заполнялись полностью магнитным смазочным маслом ММ-04.09.1.

Геометpические размеры деталей, обеспечивающих циркуляцию масла, выбраны в соответствии с рекомендациями, изложенными в [21].

Испытания проводились при частоте вращения вала 1200 об/мин и радиальной нагрузке 70 Н, приложенной к центру корпуса. Шпиндель (рис. 1.13а) проработал нормально около 40 ч, после чего стал перегреваться до температуры 70 – 80С на корпусе шпинделя из-за увеличения силы трения. Причина низкой долговечности шпинделя заключалась в том, что радиальные подшипники работали в граничном режиме смазки из-за наличия на валу спиральной канавки. Если в начале испытаний шпинделя масло подавалось в радиальные подшипники хорошо, то по мере их износа возрастал радиальный зазор и подача масла ухудшалась, что еще больше инициировало износ. Поэтому, чтобы добиться надежной работы шпинделя, следует в первую очередь оптимизировать геометрию вала.

Второй шпиндель (рис. 1.13б) успешно работал в течение всего срока испытаний – 560 ч. Момент трения в шпинделе составлял 1,2 Н·см после пуска и 0,65 Н·см в процессе работы. Зазор между валом и втулками увеличился незначительно – на 4…6 мкм, значит, только при пуске и остановке шпинделя подшипники работали в граничном режиме смазки, а остальное время – в гидродинамическом.

Таким образом, разработаны шпиндели с автономной системой смазки, которые обладают достаточно высокими триботехническими свойствами и долговечностью благодаря тому, что между сопряженными поверхностями вала и подшипников в основном отсутствует механический контакт.

Учитывая хорошие точностные и антивибрационные свойства магнитожидкостных шпинделей, можно утверждать, что во многих прецизионных узлах они будут иметь преимущество перед шпинделями с шарикоподшипниками.

1.2. Работа магнитожидкостных подшипников при различных режимах смазки 1.2.1. Работа магнитожидкостных подшипников при полужидкостной и гидродинамической смазке Исследования проводились на приборе, схема которого приведена на рис. 1.14. Прибор состоял из узла трения и узла магнитного нагружения. В узел трения входили радиальный магнитный подшипник с валом и датчики измерения толщины смазочной пленки и момента трения. Изучался подшипник с аксиальной магнитной системой, состоящий из втулки 1, полюсных наконечников 2 и магнита 3. Подшипник устанавливался в немагнитный корпус 4, на который надевался цилиндр 5 из магнито мягкого материала. На корпусе крепился индукционный датчик радиальных перемещений подшипника, который экранировался от воздействия внешних магнитных полей. К корпусу также крепился тензометрический датчик для измерения момента трения в подшипнике.

Вал, проходящий через подшипник, приводился во вращение от электродвигателя с регулируемой частотой вращения.

Втулка подшипника имела номинальный внутренний диаметр 10 мм и была разделена по длине на две одинаковые части радиальной канавкой шириной 8 мм, равной толщине магнита. Испытывались по существу два одинаковых подшипника, причем длина каждого составляла 10 мм. Втулка изготавливалась из латуни Л63, вал – из стали У8А. Для опытов были выбраны два подшипника, у которых радиальные зазоры между валом и втулкой 21 и 11 мкм. Шероховатость внутренней поверхности втулки Rа = 4,9 мкм, вала – Rа = 1,6 мкм.


Для смазки подшипника во втулках были выполнены аксиальные и прямоугольные в сечении канавки глубиной 1,5 мм, шириной 1 мм.

Канавки располагались в ненагруженной части подшипников под углом 180 к направлению действия нагрузки. Индукция магнитного поля в канавке 0,09 Тл, и приблизительно такое же поле было в зоне трения.

Подшипник заправлялся магнитным маслом в объеме 1 см3. Исполь зовались масла с различной вязкостью и намагниченностью.

Магнитное нагружение подшипника осуществлялось бесконтактно с помощью блока постоянных магнитов 6 с углом охвата узла трения в 120.

Постоянные магниты имели форму сегментов и радиальную намагни ченность. Притягиваясь к цилиндру 5, магниты создавали усилие, нагружающее подшипники. Магнитная нагружающая сила зависит от зазора L, и поэтому для ее изменения перемещали весь блок вращением гаек 8. Величину зазора и его постоянство в разных местах контролировали металлическими щупами. Нагружающая сила при уменьшении зазора изменялась от 0 до 500 Н. Использование магнитного нагружения позволило измерять с высокой точностью силу трения в подшипнике и динамические зазоры между валом и втулкой.

Рис. 1.14. Схема установки Для определения минимальной толщины смазочного слоя под шипник вместе с индуктивным датчиком разворачивался на соответ ствующий угол относительно линии действия нагрузки. В первом приближении угол определяли расчетным способом, а затем уточняли опытным путем. Точкой начала отсчета при измерении толщины смазочного слоя служило такое показание датчика, когда его ось совпадала с линией действия нагрузки, а вал не вращался.

Недостаток используемого способа измерения толщины слоя смазки заключался в том, что наконечник датчика контактировал с валом, и поэтому могла появиться систематическая ошибка от изнашивания.

Однако процесс измерения занимал такой короткий промежуток времени, за который контактирующие поверхности не могли износиться настолько, чтобы повлиять на результаты измерений.

Для определения границы между полужидкостной и гидро динамической смазкой пользовались электрическим методом. Между валом и втулкой создавали напряжение 50 мВ и измеряли силу тока.

Считали, что переход к гидродинамической смазке происходит после того, как пропадает металлический контакт между поверхностями, т.е. сила тока резко уменьшается.

Все исследования проводились при комнатной температуре.

Измерения силы трения и толщины смазочной пленки выполняли за очень короткий промежуток времени, чтобы исключить влияние разогрева масла.

Вязкость используемых масел при небольших скоростях сдвига определяли на магнитном ротационном вискозиметре МВР-6 в поле 0,22 Тл. Чтобы определить эффективную вязкость при высоких скоростях сдвига, воспользовались подшипником (рис. 1.14), который не имел смазочной канавки и был предварительно облегчен до веса 1,5 Н. В подшипник заливали несколько капель масла для заполнения зазора между валом и втулкой. Выше некоторой скорости вращения вал занимал коаксиальное положение во втулке, а масло заполняло весь зазор. В этом случае подшипник играл роль коаксиального вискозиметра с весьма малым зазором. Для используемого нами подшипника эксцентриситет между валом и втулкой становился несущественно мал при скорости сдвига свыше 4·103 с-1.

Графики зависимостей коэффициента трения в исследуемых подшипниках от скорости скольжения приведены на рис. 1.15. Графики получены при одинаковой удельной нагрузке на подшипник 1,13 МПа. Для увеличения объема экспериментальных данных аналогичные исследования проводились и при нагрузках 0,52 МПа;

2,05 МПа.

Рис. 1.15. Зависимость коэффициента трения от скорости при смазке маслом ММ-11.09.1 (1, 3);

ММ-11.04.2 (2, 4);

ММ-04.09.1 (5) для подшипников с номинальным зазором 21 мкм (1, 3) и 11 мкм (2, 4, 5) Смазка осуществлялась тремя магнитными маслами, различа ющимися вязкостью и намагниченностью: ММ-11.01.1 (намагниченность 26 кА/м), ММ-04.09.1 (24 кА/м), ММ-11.04.2 (35 кА/м). Реологические свойства масел отражены на рис.1.16. Здесь же приведены графики зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига, которая изменяется в диапазоне, характерном для масла, текущего в смазочной канавке. Видно, что масла имеют достаточно большое предельное напряжение сдвига и падающую от скорости сдвига зависимость пластической вязкости. При высоких скоростях сдвига, как и в исследованных подшипниках, пластическая вязкость не остается постоянной.

Установленные фрикционные кривые имеют такой же физико технический смысл, как и диаграмма Херси-Штрибека. Они отражают зависимость коэффициента трения от режима смазки – граничной, полужидкостной или жидкостной (гидродинамической). Различие заключается в том, что на диаграмме Херси-Штрибека коэффициент трения определяется как однозначная функция от некоторого безразмерного параметра, куда наряду со скоростью входит нагрузка и вязкость масла. В нашем случае такой параметр использовать не представляется возможным потому, что вязкость магнитного масла зависит от скороси сдвига, которая непостоянна в разных точках смазочного слоя.

а б Рис. 1.16. Реологические свойства магнитных масел В области граничной смазки коэффициент трения в подшипниках, смазываемых различными магнитными маслами, был выше, по крайней мере, 0,05. Этот диапазон (см. рис. 1.15) не охвачен. Нисходящая ветвь на кривых рисунка и часть восходящей соответствуют полужидкостной смазке.

С помощью электрических измерений было установлено, что полный переход к гидродинамической смазке происходит при скорости сколь жения в 1,5 – 2 раза превышающей скорость, соответствующую минимуму коэффициента трения.

Важный практический результат исследований заключается в том, что, увеличивая вязкость магнитного масла, можно добиться перехода к внутреннему трению, значит, исключить износ даже при достаточно малых скоростях скольжения. В обычных подшипниках, смазываемых немагнит ными маслами, также можно достичь этого, но сохранить эффект продолжительное время затруднительно.

Рассмотрим, в какой мере можно использовать классические методы расчета традиционных радиальных гидродинамических подшипников [15, 20] применительно к подшипникам, смазываемым магнитными маслами.

При проведении теоретических расчетов гидродинамических подшипников необходимо пользоваться данными, представленными в табличной или графической форме. Это не всегда удобно, особенно если требуется многократно повторять расчеты для оптимизации условий работы подшипника. Для выполнения инженерных расчетов на компьютере можно воспользоваться полученными формулами на основе аппроксимации известных данных.

Коэффициент трения в подшипнике 1,06 Z (0,22Z +0,36), f = 1,16Z 2 h – относительный зазор, d – диаметр вала;

Z = m – относи где = d тельная толщина минимальной смазочной пленки, hm – абсолютная l толщина;

= – относительная длина подшипника.

d Величина Z может быть определена в интервале 0,15 Z 0,75, если P известно число Зоммерфельда S 0 = (Р – давление на подшипник;

– угловая скорость) из уравнения 0, S = (0,52 1,9 ln Z )0,33Z exp[ (1,37 + 0,8 ln Z ) ].

Для того чтобы выполнить расчеты подшипника, необходимо знать вязкость масла в зазоре между валом и втулкой. Вязкость используемых масел различна в конфузорной и диффузорной областях зазора из-за ее зависимости от скорости сдвига. При расчетах принимается некоторая средняя вязкость, соответствующая скорости сдвига при коаксиальном расположении вала.

Результаты нескольких теоретических расчетов коэффициента трения и толщины смазочного слоя приведены в таблице 1.2, там же показаны соответствующие экспериментальные значения. Видно, что сходимость экспериментальных и расчетных значений параметров трения достаточно хорошая. Для достижения сходимости необходимо сделать следующее допущение: зазор между валом и втулкой равняется не экспериментально определенному n (номинальному), а увеличенному на суммарную высоту микронеровностей у втулки RZ1 и вала RZ2, т.е. зазор =n + RZ1+ RZ2.

Из-за шероховатости поверхностей поправка к величине номиналь ного зазора всегда должна быть сделана, особенно когда зазор сравним с высотой микрошероховатостей.

Таблица 1. Сравнение расчетных и экспериментальных значений коэффициента трения и минимальной толщины смазочной пленки Масло V, м/с мм Расчет Эксперимент h, мкм h, мкм f f ММ-11.09.1 0,17 21 0,025 11,7 0,026 ММ-11.09.1 0,17 21 0,022 10,1 0,024 9, ММ-11.04.2 0,24 21 0,023 10,3 0,024 8, ММ-11.04.2 0,24 21 0,020 9,3 0,022 8, Справедливость именно такой поправки можно считать обоснованной лишь экспериментально для исследуемых подшипников.

Анализируя значения параметров, характеризующих условия трения, при которых наступает минимум коэффициента трения, была установлена следующая закономерность. С точностью до 15 % минимум коэффициента трения наступает при значении числа Зоммерфельда, соответствующего критической толщине смазочной пленки hK = RZ1+ RZ2 в идеализированном гидродинамическом подшипнике, у которого зазор = n+RZ1+RZ2 и микровыступы поверхностей имеют одинаковую высоту. При указанной толщине пленки смазки внутреннее трение в реальном подшипнике является лишь преобладающим, потому что есть небольшое количество микровыступов с высотой, больше RZ, создающих внешнее трение. Но соотношение между различными видами трения при указанных условиях как раз такое, которое соответствует минимуму коэффициента трения.

На основании приведенных данных можно сделать вывод. Во первых, в магнитожидкостных подшипниках достаточно легко создать гидродинамический режим смазки, варьируя вязкостью масла. Во-вторых, с достаточной для технических целей точностью магнитожидкостные гидродинамические подшипники можно рассчитать с помощью класси ческих методов, но при этом следует особое внимание обратить на точное определение вязкости масла в зазоре при заданной скорости вращения вала.

1.2.2. Работа магнитожидкостных подшипников при граничной смазке При высоких нагрузках на подшипник или малых скоростях вращения вала толщина смазочной пленки недостаточна для разделения трущихся поверхностей и граничное трение становится доминирующим. В этом режиме происходит износ поверхностей, и поэтому он менее предпочтителен, чем гидродинамический, но избежать его не всегда удается. В отличие от известных подшипников, работающих при гранич ной смазке, в магнитожидкостных подшипниках содержится большое количество резервного масла и обеспечивается непрерывная регенерация его на фрикционном контакте. В подшипниках, например, заполненных немагнитным пластичным смазочным материалом, отсутствует механизм надежной подачи его в зону трения, а в подшипниках с пористыми втулками для поступления масла из пор подшипник предварительно должен разогреться за счет фрикционного тепла, т.е. заведомо он не может работать с малым трением.

Основная задача, которая должна быть решена для создания долго вечных магнитожидкостных подшипников, работающих при граничной смазке, заключается в правильном выборе материалов вала, втулки и смазочного масла.

Схема установки, использованной для исследования радиальных подшипников скольжения, изображена на рис. 1.17.

Отличительные особенности установки:

• простота конструкции позволяет проводить испытания практически всех приемлемых радиальных подшипников скольжения с различной структурой магнитной цепи;

• возможность проводить испытания двух подшипников в одинаковом нагрузочно-скоростном режиме, что позволяет быстро и надежно сравнивать эффективность работы различных конструкций и сокращает время для сбора статистического материала;

• самообеспечивается соосное расположение вала и втулки.

Установка состоит из пространственной рамы, играющей роль несущей конструкции, включающей нижнюю 1, среднюю 2, верхнюю плиты, соединенные стойками 4. К раме крепится привод из электродвигателя постоянного тока 5, муфты 6, планетарного редуктора 7, зубчатой передачи, передающей вращение валу 8. Вал опирается на внутренние кольца шарикоподшипников 9, запрессованных в стойках.

Различные конструкции подшипников скольжения, смазываемых магнит ными и традиционными маслами, размещаются в нагрузочных узлах 10.

Рис. 1.17. Схема установки для исследования подшипников Давление на подшипник создается набором грузов, приложенных через рычажную систему. С противоположных сторон к нагрузочному узлу прикреплены тяги 11 и 12 для передачи нагрузки от рычажной системы и измерения износа с помощью индикаторов перемещений, закрепленных в стаканах верхней плиты. Момент трения снимался с корпуса исследуемого подшипника и определялся с помощью тензобалки.

Вал 8 опирается на внутренние кольца шарикоподшипников 9, запрессованных в стойках 4. Различные конструкции подшипников скольжения, смазываемых магнитными и традиционными маслами, размещаются в нагрузочных узлах 10. Давление на подшипник создается набором грузов, приложенных через рычажную систему. С противо положных сторон к нагрузочному узлу 10 прикреплены тяги 11 и 12 для передачи нагрузки от рычажной системы и измерения износа с помощью индикаторов перемещений, закрепленных в стаканах верхней плиты 3.

Момент трения снимался с корпуса исследуемого подшипника и определялся с помощью тензобалки.

Диаметр вала, в контакте с которым работали опытные подшипники, 20 мм, изготовлен из стали У8А. Частота вращения вала изменяется от 1 до 30 с-1, контактные давления в диапазоне 0,1 – 2 МПа (при длине втулки, равной диаметру). При граничном режиме смазки изучались свойства базового магнитожидкостного подшипника (см. рис. 1.2а) с симметричной магнитной системой. Во втулке подшипника в центральной ее части выполнено кольцевое углубление, равное по ширине толщине магнита, поэтому втулка имеет две отдельных опорных поверхности. Для того чтобы создать условия для работы подшипника при граничной смазке в широком нагрузочно-скоростном диапазоне, выбрано отношение длины опорной поверхности к диаметру вала l/d, равное 0,25. Втулки подбирались по валу с таким условием, чтобы относительный диаметральный зазор был около 3·10-3. Учитывая, что суммарная высота микровыступов RZ вала и втулки составляла не менее 5 – 6 мкм, то коэффициент нагруженности подшипника, работающего при граничной смазке, должен быть более 1 – 1,5. Исходя из этого определялись конкретные условия испытаний.

Измерения износа производились дискретно через 5 – 7 ч. Измерялся суммарный износ втулки и вала после отключения электродвигателя и охлаждения подшипникового узла до комнатной температуры. За вели чину износа принималась разность между диаметральными зазорами в подшипнике до и после каждого цикла испытаний. Систематическая ошибка определения величины износа не более 0,3 мкм.

Для испытаний крупногабаритных подшипников с диаметром вала более 30 мм использовалась машина трения СМЦ-2, которая модерни зирована в основном для того, чтобы можно было измерять небольшие моменты трения и прикладывать радиальную нагрузку к подшипникам с диаметром корпуса более 150 мм.

Для удовлетворения требованиям узел трения машины СМЦ-2 был подвергнут переделке (рис. 1.18). На вал 1 шпиндельного узла опирается втулка 2 подшипника 3, смазываемого магнитным маслом. Корпус подшипника скольжения 4 установлен во внутреннем кольце шарико подшипника 5, к наружному кольцу которого через призму 6 прикла дывается радиальная нагрузка. В корпусе, выполненном из немагнитного материала, располагается набор постоянных магнитов, магнитопроводов и втулка. Момент трения с корпуса подшипника скольжения воспринимается упругим элементом 7 с наклеенными к нему тензорезисторами.

Рис. 1.18. Модернизированный узел трения машины СМЦ- Для исследований выбраны сочетания материалов вала и втулки:

латунь – сталь, бронза – сталь, сталь – сталь, керамика – сталь. По конструк-тивным причинам втулка всегда была из немагнитного материала. Учитывая возможное абразивное действие частиц магнитного масла, материалы подбирали таких марок, у которых выше твердость.

Материалом вала во всех случаях была закаленная сталь У8А (HRC 60).

Втулки, изготовленные из цветных антифрикционных материалов (латуни ЛЖМц 59-1-1, бронзы БРАЖ9-4 и немагнитной стали 12Х18Н9Т), хотя и имеют твердость, достаточно высокую для указанного класса материалов, но в то же время значительно уступают по твердости частицам магнетита.

Предполагалось, что износостойкость этих материалов возрастает при трении самопроизвольно за счет установленного нами эффекта упрочнения поверхности дисперсным материалом.

Перспективным является применение для магнитожидкостных узлов трения деталей с оксидными керамическими покрытиями, полученными новым методом – анодированием в электролитическом разряде [22, 23].

Сущность процесса получения покрытия сводится к электрохимическому окислению вентильного металла в режиме анодного искрового или микродугового разряда.

Для исследований были выбраны втулки из алюминиевого сплава с нанесенным на них корундовым покрытием. Покрытие получали по технологии, предложенной Г.А. Марковым и называемой им микро дуговым оксидированием (МДО-технология). Установка для получения покрытий состоит из конденсаторного источника тока и ванны с рубашкой охлаждения, заполненной водным электролитом. Базовым электролитом являлся водный раствор технического жидкого стекла и гидроксида натрия, содержание которых около 6 и 2 г/л соответственно. Формовка покрытия осуществлялась в течение 4 – 5 ч при плотности тока 0,1 – 0,15 А/см2 и напряжении, изменяющемся от 450 в начале процесса до 670 В в конце.

В первые несколько десятков минут после начала процесса формовки покрытия происходит нарастание на поверхности рыхлого слоя, образованного из неорганических полимеров силиката натрия, частично прореагировавшего с алюминием. В этот период времени формовка покрытия протекает в режиме анодного искрового разряда. Затем искровой разряд переходит постепенно в дуговой. Температура в локальных областях на поверхности алюминия, где протекает дуговой разряд, повышается настолько, что создаются условия для образования кристаллического оксида алюминия. Рост оксидной пленки продолжается около 3 ч, после чего ее толщина достигает критического значения, и если процесс не остановить, происходит отслаивание покрытия.

Максимальная толщина оксидной пленки на поверхности алюми ниевых сплавов, при которой еще сохраняется ее высокая адгезия к подложке, составляет около 100 мкм. Общая толщина покрытия, образующегося на поверхности металла, с учетом стеклообразного слоя около 300…400 мкм.

Микротвердость покрытия возрастает по мере уменьшения его толщины. Верхний стеклообразный слой имеет микротвердость 4 – 5 ГПа;

нижний, граничащий с металлом, 15 – 20 ГПа. Покрытия с наиболее высокой твердостью и прочностью образуются на алюминиевом сплаве Д16. Адгезия оксидного слоя к металлу очень высокая – (2 – 4)·108 Н/м2 и достигается за счет образования сильных химических связей. Все покры тия, полученные анодированием, имеют некоторую пористость. Оксидный слой МДО-покрытия содержит поры в пределах 5 – 15%, силикатный – до 40 %. Средний диаметр пор колеблется от 5 – 10 до 30 мкм, причем при уменьшении пористости диаметр, как правило, увеличивается. Изучение фазового состава оксидного слоя МДО-покрытия показало, что он в основном состоит из - и -модификаций Al2O3 (корунда). В небольшом количестве в этом слое покрытия содержатся оксиды кремния (до 9 %), железа (до 2 %), натрия (до 2 %). МДО-покрытие имеет гетерофазный состав, причем высокопрочная дисперсная фаза -Al2O3 окружена менее прочной дисперсионной (матричной) средой -Al2O3.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.