Разработка и исследование мелкомодульных зубчатых передач и малогабаритных подшипников качения с магнитожидкостными смазками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.04, кандидат технических наук Лапочкин, Александр Иванович

• Лапочкин, Александр Иванович
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лапочкин, Александр Иванович

Литературный обзор.

Глава 1. Магнитожидкостные смазки - новый вид смазок.

1.1 Введение.

1.2 Особенности работы пластичных смазок в зубчатом зацеплении и подшипниках качения.

1.3 Требования, предъявляемые к магнитожидкостным смазкам в узлах трения.

1.4. Выводы.

Глава 2. Выбор базовых масел и их испытания.

2.1 Требования, предъявляемые к базовым маслам магнито-жидкостных смазок и испытания их на дериватографе и приборе испаряемости ПИМ-ВВ.

2.2 Определение смазочных свойств базовых масел на машинах трения.

2.3 Выводы.

Глава 3. Исследования магнитожидкостных смазок на машинах трения.

3.1 Определение влияния концентрации магнетита на смазочные свойства магнитожидкостных смазок.

3.2 Влияние величины магнитного поля на коэффициент трения при различных условиях смазки на роликовой машине трения.

3.3 Определение удерживающей способности магнитожидкостных смазок.

3.4 Выводы.

Глава 4. Обзор существующих магнитных систем узлов трения, их преимущества и недостатки.

Глава 5. Испытание магнитожидкостных смазок в зубчатом зацеплении и подшипниках качения в среде воздуха и в вакууме.

Литературный обзор.

Трудно назвать другое столь распространенное явление в повседневной жизни, как трение. Оно сопровождает любые движения тел и накладывает отпечаток на характер этих движений. Без трения буквально нельзя ступить ни шагу. Трение - удивительный феномен природы. Оно подарило человечеству тепло и огонь, возможность услышать звуки скрипки, управление автомобилем, в короткое время остановить поезд. Без трения невозможна работа многих механических передач. Работа ременных передач, фрикционных вариаторов, тормозов и муфт полностью зависит от сил трения. Во всем мире ведутся работы по увеличению коэффициента трения колеса с дорожным покрытием, который повышает тяговую способность, увеличивает эффективность торможения и безопасность движения.

Трение изучали Леонардо да Винчи, М.В. Ломоносов, Амонтон, Кулон, Эйлер, Д.И. Менделеев, Рейнольде и многие другие ученые. В настоящее время трение изучали такие известные ученые, как Б.В. Дерягин, П.А. Ребиндер, И.В. Крагельский, Д.Н. Гаркунов и многие другие. За рубежом известными учеными в этой области являются Ф. Боуден, Д. Тейбор, М. Хебда, П. Джост и т.д.

Развитие науки и техники в последние десятилетия показало, что надежные и долговечные машины, оборудование и приборы могут быть созданы только при удачном решении теоретических и прикладных задач трения, износа и смазки.

До настоящего времени трение во многих его аспектах остается загадочным процессом. При трении ( и только при трении ) одновременно происходят механические, электрические, тепловые, вибрационные и химические процессы. Трение может упрочнить или разупрочнить металл, повысить или уменьшить в нем содержание углерода, насытить металл водородом или обезводородить его, превратить золото и платину в окислы, отполировать детали или сварить их. Трение является самоорганизующимся процессом, при котором с определенной последовательностью протекают явления, направленные на разрушение поверхности или же, наоборот, на создание целой серии систем, снижающих трение и износ.

При относительном перемещении одного тела по другому всегда возникает сопротивление движению в виде касательной силы, именуемой силой трения. Сила трения движения - сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленной к общей границе между этими телами. Мы знаем, что если толкнуть шар, лежащий на горизонтальной поверхности, то он будет постепенно замедлять свое движение и, наконец, остановится. Во всех случаях для передвижения с постоянной скоростью какого-нибудь тела необходимо прилагать непрерывно действующую силу, например при помощи двигателя. Преодоление сил трения в движущихся частях машин всегда ведет к потере энергии. Работа, затрачиваемая на преодоление сил трения, может достигать весьма значительной величины. В современном автомобиле на преодоление сил трения затрачивается около 20% мощности двигателя. В поршневом авиационном двигателе затраты на трение составляют около 9%, а в современном турбореактивном двигателе 1,5-2% [14].

По характеру относительного движения различают трение скольжения и трение качения. Иногда оба вида трения проявляются совместно, когда качение сопровождается проскальзыванием, например, в зубчатых и зубчато-винтовых передачах.

Сегодня с трением связана одна из самых острых проблем современности - износ машин и механизмов. Именно износ, более чем что-либо другое, ограничивает возможности конструирования и сокращает срок службы машин и механизмов. Даже незначительное удлинение срока службы машин и оборудования влечет за собой огромную экономию дорогостоящих материалов и денежных средств. Известно, что больше половины топлива, потребляемого автомобилями, тепловозами, и другими видами транспорта расходуется на преодоление сопротивления, создаваемого трением в подвижных сочленениях. В текстильной промышленности на преодоление сопротивления трения затрачивается около 80% потребляемой энергии. Низкий КПД многих машин обусловлен главным образом большими потерями на трение. Например, КПД глобоидного редуктора в приработанном состоянии составляет всего 0,65.0,70, а в такой распространенной паре, как винт-гайка, всего 0,25 [21]. Энергия при трении не просто теряется, а превращается в теплоту, нагревающую механизмы и узлы машины. Эта энергия должна быть диссипирована в окружающую среду, иначе перегрев пары трения может привести к выходу из строя узла и всего механизма в целом.

Для снижения трения и изнашивания широко используются смазочные материалы. По агрегатному состоянию они могут быть жидкими, пластичными, твердыми и газообразными. Наибольшее распространение в технике получили жидкие смазочные материалы (масла) и пластичные смазочные материалы (смазки). Смазочные масла (как и смазки) являются конструкционным элементом узла трения, во многом определяющим долговечность, надежность и потери на трение в трибосопряжениях. Эффективность использования смазочного материала в узле трения зависит от многих факторов: условий его применения (температуры, нагрузок, скоростей перемещения, характеристик окружающей среды и т.д.), режима эксплуатации машины или механизма (постоянных или переменных внешних воздействий, остановок.), конструктивных особенностей узла трения (типа, размера, характера движения трущихся поверхностей.), состава и свойства материалов, с которыми оно контактирует в процессе работы.

Как конструкционный материал узла трения смазка выполняет следующие функции:

1.Уменьшают трение, возникающее между сопряженными деталями;

2.Снижают износ и предотвращают задиры трущихся поверхностей;

3.Отводят тепло от трущихся поверхностей;

4.Защищают поверхности трущихся деталей и другие неизолированные части от коррозионного воздействия окружающей среды;

5.Уплотняют зазоры между сопряженными деталями;

6.Удаляют из зоны трения продукты износа, коррозии и прочие загрязнения.

Необходимость в маслах и смазках, способных одновременно удовлетворять всем требованиям, не существует. В зависимости от назначения и условий эксплуатации используемые смазки должны выполнять две-три основные функции.

Однако не это является самым важным. Гораздо важнее то, что трение является причиной износа и заедания трибосопряжений. Относительные размеры износа, например отношение потери массы машины или изделия к ее первоначальной массе, весьма малы, но износ приводит к выходу из строя всей машины или изделия в целом. Потери средств в машиностроении развитых государств вследствие трения и износа достигают 4-5% национального дохода. Исследования показывают, что примерно 80-90% отказов машин происходит из-за износа узлов и деталей машин, а также рабочего инструмента. За полный цикл эксплуатации машин эксплуатационные расходы, трудоемкость ремонта и затраты материалов на ремонт в несколько раз превышают затраты на изготовление новых машин. На ремонт расходуется пятая часть выплавляемого металла. Такие значительные расходы обусловлены недооценкой значимости проблем повышения износостойкости и долговечности машин, как ныне эксплуатируемых, так и проектируемых. Повышение износостойкости является одним из самых приоритетных направлений в развитии промышленности.

Управление трением - правильный выбор материалов по трению и износостойкости, рациональное конструирование подвижных сопряжений и оптимизация условий эксплуатации - может существенно продлить срок эксплуатации машин при незначительном увеличении их стоимости. Поэтому борьба с потерями от трения и износа машин в большинстве развитых стран стала государственной задачей.

Из практики известно, что трущиеся части машин представляют в машинах и механизмах самые уязвимые места. Для увеличения ресурса работы этих узлов и всего механизма в целом идут различными путями. Это замена трения скольжения на трение качения, подбор оптимальных пар трения, увеличение твердости поверхностей трения, смазывание узла современными высокоэффективными маслами и смазками и т.д.

Задача повышения долговечности узлов трения крайне усложняется, так как тенденция развития науки, техники и технологии производства неумолимо приводит к ужесточению и усложнению режима работы машин, а значит, и узлов трения по нагрузкам, скоростям, температурам, диссипируемым энергиям, вибрации, условиям воздействия различных газовых и жидких сред, воздействию радиоактивных излучений и т.д. Кроме того, конструкторы стремятся к уменьшению габаритов и удельных массовых характеристик узлов трения, что еще больше усложнит задачу.

Долговечность большей части машин и механизмов в значительной степени зависит от смазочных масел и присадок к ним. Выбор масла является таким же важным фактором, как и выбор материала и термообработки для деталей машин, поэтому смазочные материалы следует рассматривать как неотъемлемый элемент конструкции машин и механизмов [20].

К методам повышения долговечности узлов трения машин и механизмов относят не только применение новых материалов, покрытий, повышение точности расчетов и удачное конструирование узлов трения, но и в значительной степени повышение качества масел и, прежде всего, улучшение их противоизносных свойств, разработка эффективных противоизносных, противозадирных и антифрикционных присадок. По данным фирмы «Фиат» (Италия) долговечность двигателей увеличилась за последние годы на 50% только благодаря повышению качества применяемых моторных масел [22].

Также одной из важнейших инженерно-технических проблем является создание принципиально новых смазочных систем для машин и механизмов.

В зависимости от наличия смазочного материала различают следующие виды трения: сухое, граничное, смешанное и жидкостное. Отсутствие смазки в узле трения приводит к сухому трению, большому износу и к аварийной ситуации. Смазка резко снижает интенсивность изнашивания. Достаточно ввести в зону контакта деталей небольшое количество смазочного материала (толщина смазочного слоя примерно 0,1 мкм), как сила трения по сравнению с силой трения без смазочного материала может снизиться в 2. 10 раз, а износ сопряженных поверхностей трения до 1000 раз.[22].

Современные машины и оборудование содержат большое число узлов трения (от десятков до тысяч), которые испытывают высокие давления, температуры и скорости скольжения. В России и за рубежом разработаны специальные смазочные системы, которые автоматически, через строго определенный промежуток времени, подают в зону трения заданное количество смазочного материала. В настоящее время уровень технического совершенства машин во многом определяется степенью организации смазывания узлов трения.

Одним из таких узлов являются зубчатые передачи. К ним современная техника предъявляет все более жесткие требования, которые постоянно повышаются. В автомобилях, металлорежущих станках, в редукторах зубчатые передачи представляют собой весьма ответственные детали. Зубчатые колеса определяют плавность, точность и бесшумность работы всего механизма в целом. Одним из основных направлений в продлении срока службы всего механизма является правильный выбор смазочного материала. «Надо всегда помнить, что отсутствие надлежащей смазочной пленки в трущихся сочленениях угрожает машине неизбежной аварией» [21].

Большинство узлов трения работает со смазыванием, поэтому смазочные материалы должны обладать строго заданными свойствами. Эти свойства определяются величинами удельной и полной нагрузок в зоне трения, максимальной, средней и объемной температурами в зоне контакта, кинематикой движения в зоне трения (качение, скольжение, смешанное), видом материалов обеих деталей трения, характеристикой волнистости и шероховатости поверхностей в зоне трения, свойствами окружающей среды и тд.

Целью смазывания зон трения является получение преимущественно жидкостного трения, при котором потери на трение определяются лишь вязкостью смазочного материала и малы, а износ деталей практически отсутствует.

Различают жидкие (моторные, трансмиссионные, индустриальные и гидравлические масла), пластичные и твердые смазочные материала.

Каждый вид смазочного материала характеризуется основными параметрами: моторные масла - вязкостью, индексом вязкости, температурами застывания и вспышки, щелочным числом и зольностью; трансмиссионные масла - вязкостью, индексом вязкости, температурой застывания и смазочной способностью; пластичные смазки - реологическими свойствами и их стабильностью в условиях эксплуатации; твердые смазочные материалы - параметрами кристаллической решетки, плотностью, твердостью по Моосу, модулем упругости, температурой окисления и разложения.

Это лишь часть тех параметров, по которым производится контроль качества и соответствия смазок ГОСТу или ТУ.

В зубчатых передачах могут применяться как масла с различной вязкостью, так и различные пластичные смазки. Применение твердых смазок встречается значительно реже. Их применяют там, где узел трения работает при температурах застывания масел и пластичных смазок, при высоких температурах, при которых смазки разлагаются и испаряются. К этим случаям относятся также условия недопустимости присутствия жидкой среды, наличие глубокого вакуума и воздействие ионизирующего излучения, недоступность поверхностей трения для периодического подвода к ним смазочного материала и др.

Как было сказано выше, для нормального функционирования механизма необходимо разделять сопряженные элементы узла трения каким-либо смазочным материалом. Для этого должна существовать система подачи смазочного материала. Система смазывания трибологической системы может включать в себя следующие технические системы: устройства, создающие разность давления смазывающего вещества в системе смазывания (масляные насосы, насосы пластичной смазки, устройства гидродинамического смазывания); система транспортировки смазочной жидкости в зону трения или прилегающую к ней; устройства для измерения давления, температуры и объема смазочного материала; теплообменники, предназначенные для отвода тепла от охлаждаемого смазочного материала; устройства для очистки (фильтрации) смазочного материала от продуктов износа и разложения, выделяющихся в процессе работы узла трения.

Однако в конкретную систему смазывания узла трения могут входить не все из перечисленных технических систем. Например, в системах смазки зубчатых передач, как правило, нет масляных насосов и трубопроводов, а роль теплообменника выполняет корпус передачи.

Система смазки в значительной степени влияет на долговечность работы узла трения в целом. Известно, что для зубчатых передач наиболее приемлемо смазывание жидкими маслами методом окунания. Но в мелкомодульных зубчатых передачах такой вид смазывания чаще всего бывает неприемлем, так как такие узлы трения часто располагаются под переменным углом к горизонту, работают в условиях вакуума и невесомости, а также имеют ограничения по весу всей конструкции. Для них используют пластичные смазки с высокими объемно-физическими свойствами, твердые смазочные материалы, которые наносятся методом напыления. Весьма хорошие результаты дает ротапринтный метод смазывания, при котором паразитная шестерня выполнена из материала, который образует на поверхностях трения твердые антифрикционные пленки [23].

Несмотря на большое количество исследований в области смазок и масел, в настоящее время отсутствуют надежные критерии выбора смазки для определенной зубчатой пары, работающей в заданных условиях. Эта задача при наличии некоторых общих косвенных ориентиров в значительной мере остается по преимуществу эмпирической. В литературе имеются попытки обосновать применение тех или иных смазок для обычных редукторов. Однако, рекомендации, заложенные в них, имеют либо весьма общий характер, либо, наоборот, очень узкое применение. Поэтому до настоящего времени определение оптимальных смазочных средств в машино- и приборостроении в значительной мере остается уделом эмпирических поисков.

Мелкомодульные зубчатые передачи можно отнести по применяемым смазкам к узлам, имеющим как высокие скорости вращения (п=1000-15000 об/мин.) и малые удельные нагрузки (узлы первой группы), так и имеющим низкие скорости вращения (до1000 об/мин) и высокие удельные давления (узлы второй группы). Таким образом, привод, имеющий длинную кинематическую цепь из мелкомодульных зубчатых передач, должен в принципе смазываться двумя разными типами смазок. Однако на практике этого достич практически невозможно. Кроме того, во время эксплуатации возможно перемешивание смазок, что ухудшает их свойства. Поэтому, очевидно, целесообразно применять ту смазку, узлы групп которой преобладают в данном конкретном приводе.

Повышенный износ деталей во многих случаях является основной причиной, которая препятствует созданию машин и механизмов с высокими рабочими параметрами, функционирующих в вакууме, инертных и агрессивных средах, при облучении. Способы повышения долговечности узлов трения должны сочетать разработку новых конструкционных материалов, создание новых работоспособных смазочных материалов и методов смазки в экстремальных условиях.

Определенную перспективу имеют твердые смазочные материалы, способные снижать силы трения, выдерживать высокие контактные нагрузки, стабильные в вакууме, инертных средах и стойкие при облучении. Однако, их широкому использованию в машиностроении и приборостроении препятствует главным образом низкий ресурс работы узлов трения с твердыми смазками. Основной причиной этого недостатка является отсутствие методов, обеспечивающих длительную подачу смазки на трибосопряженные поверхности за счет циркуляции в механизме. Обычно твердые смазки применяют в виде покрытий, они входят в состав самосмазывающихся композиционных материалов или подаются на поверхности трения ротапринтным способом. Следует отметить, что для лучшего удержания твердых смазочных материалов в зоне трения им могут быть приданы магнитные свойства.

При нанесении покрытий на детали объем полезной смазки ограничен толщиной наносимых пленок, которая по ряду причин не превышает 20-30 мкм. У композиционных самосмазывающихся материалов смазка обеспечивается процессом изнашивания тел. Твердые смазки, как правило, диамагнитны и практически не реагируют на магнитное поле. Однако введение в состав смазок некоторого количества специальных ферромагнитных веществ придает им эти свойства, не ухудшая заметно смазочных характеристик. Так, например, смешение порошкообразных дисульфида молибдена и никеля в объемном соотношении 80% МоБг, 20% N1 придает смазке магнитные свойства, и полученная смесь поступает на детали при индукции магнитного поля ЗООГс и выше [23]. Вместо никеля могут быть введены и другие магнитные частицы, например кобальт. Тогда просто конструктивно решается вопрос размещения смазки. Применительно к зубчатым передачам детали располагают в закрытом картере, на дне которого в пределах действия магнитного поля находится твердая магнитная смазка. Именно такой метод расположения магнитоактивной смазки - вне зоны контакта, но вблизи поверхности трения, позволяет ее использовать.

Перспективность магнитного способа подачи смазки по сравнению с другими способами определяется прежде всего возможностью повысить ресурс работы механизмов за счет увеличения объема смазки, циркулирующей в узле трения в процессе его работы; лучшего удержания смазки на поверхности трения под воздействием магнитного поля; возможностью многократной подачи одних и тех же частиц смазки при их отрыве от поверхности трения. Рациональное формирование магнитного поля в области рабочих деталей создает возможность непрерывной подачи смазки на детали.

Современные механизмы, как правило, работают в условиях переменных силовых и кинематических режимов, когда целесообразно регулировать подачу смазки. Магнитный способ позволяет решить эту сложную задачу. Используя твердые магнитные смазки и увеличивая или уменьшая намагниченность рабочих деталей в зависимости от режимов работы механизма сопровождается изменением количества смазки, которое подается на трущиеся детали. Смазка должна иметь порошкообразное агрегатное состояние, когда ее отдельные частицы слабо связаны с общей массой смеси и располагаются вдоль магнитных силовых линий. Для того, чтобы смазку можно было ввести в зону контакта деталей, максимальный размер ее отдельных частиц должен быть в 2-3 раза меньше допустимого из условий заклинивания конструктивного зазора узла трения.

Форма частиц ферромагнитного вещества влияет на магнитную активность смеси. Придавая ферромагнитным частицам продолговатую форму, можно улучшить способность смазки поступать к деталям трения или увеличить долю смазки в смеси при одном и том же ее объеме. Смесь получается при механическом перемешивании исходных компонентов. Однако, этой операции не всегда достаточно и полученную смесь необходимо подвергнуть в присутствии магнитного поля дополнительной операции, например обжатию в контакте катящихся со скольжением роликов с целью увеличения адгезионных сил между частицами смазки и ферромагнитного вещества.

Другой способ, который позволяет придать частицам смазки магнитные свойства, это покрытие поверхности частиц дисульфида молибдена (или другого твердого смазочного материала) слоем ферромагнетика.

Присутствие магнитного поля способствует одновременной ориентации частиц. После этой обработки отдельные частицы исходных компонентов объединяются в более крупные частицы чешуйчатой формы с размером, зависящим от усилия прижатия роликов и напряженности магнитного поля. Магнитный способ подачи смазок достаточно универсален и может быть применен в узлах трения различных видов механизмов - зубчатых передачах, подшипниках скольжения, кулачковых механизмах и др. Разнообразны также способы его конструктивного решения, которое можно проиллюстрировать на примере зубчатых передач. Так, зубчатые колеса могут быть намагничены внешним магнитом, расположенным вне картера со смазкой, или магнитами, укрепленными на вращающихся шестернях. В обоих случаях шестерни должны располагаться в замкнутом картере из немагнитного материала, в котором размещается магнитоактивная смазка (рис. 1.1.). [23].

Рис. 1.1. Магнитно-порошковый способ смазки зубчатой передачи: 1 - магнитно-активная смазка.

В основе принципа регулирования подачи смазки лежит соответствие между величиной намагничивания тел и количеством подаваемой смазки. Регулировать намагниченность деталей трения можно с помощью электромагнита при изменении силы тока в катушке соленоида или перемещением магнита относительно деталей трения. В первом случае необходим источник электроэнергии, во втором - устройство перемещения магнита. В зависимости от условий общей компоновки агрегата может быть использован тот или иной способ регулирования подачи смазки на зубчатые колеса

В 60-е годы прошлого века появился новый вид материалов -магнитные жидкости. Это жидкости, подученные в области физической химии, представляют собой коллоидные растворы с частицами магнитной фазы однодоменного размера, обладающие постоянным магнитным моментом. Броуновское движение не дает магнитным частицам (их размер порядка 10 нм.) осаждаться под действием гравитационного и магнитного полей. Для предотвращения коагуляции ( слипания ) магнитных частиц в крупные конгломераты их поверхность покрыта слоем поверхностно-активного вещества, который выполняет роль структурно-механического барьера при сближении частиц и вызывает проявление отталкивающих сил между этими частицами. Такие жидкости представляют большой интерес, так как сочетают малую вязкость и текучесть обычных жидкостей и возможность управления ими при помощи магнитного поля.

Магнитные жидкости нашли наиболее широкое применение в магнитожидкостных герметизирующих устройствах, устройствах генерации и передачи звука, устройствах сепарации веществ, в механизмах передачи движения (муфты), демпферах, при сборе нефтепродуктов с водной поверхности [26].

Смазка, обладающая свойствами магнитной жидкости будет оказывать противодействие гравитационной и центробежной силам, а также противодействовать прерыванию смазочной пленки. Наличие твердых частиц магнитной фазы в магнитожидкостныой смазке не могут привести к заклиниванию узла трения, так как размер этих частиц значительно меньше условия заклинивания узла трения и их можно будет использовать как смазку в подшипниках качения. Кроме этого, частицы не будут оказывать абразивного воздействия на трибосопряженные поверхности, так как размер этих частиц значительно меньше того размера (порядка 2-5 мкм), при котором начинают происходить явления микрорезания [22].

В литературе имеются сведения по применению магнитных жидкостей в качестве смазки. Например, были проведены опыты по определению смазочных свойств магнитных жидкостей в вакууме по методу палец - плоскость при малых контактных давлениях, равных 0,331,66 МПа и скорости скольжения 1,2-6 м/с. Материал пальцев - сталь 20, материал диска - чугун СЧ-21 [24].

Там же описаны «исследования действия смазочной МЖ в зубчатых передачах». Исследования проводились на двухступенчатом цилиндрическом редукторе с корпусом из немагнитного материала. Магнитное поле подводилось к зоне трения при помощи наконечников (первая ступень) и по валам (вторая ступень). Были определены коэффициент полезного действия и момент страгивания в зависимости от времени.

В работе также описаны исследования по определению интенсивности изнашивания зубчатых колес, проведенные на машине Ниммана при контактных давлениях, равных 800 МПа. Интенсивность изнашивания зубчатых колес из незакаленной улучшенной стали 40Х при смазывании окунанием с маслом И-Г-А-68 составила 2,9 мкм/км, а для колес со «смазочной МЖ» - 4,1 мкм/км [26]. Интенсивность изнашивания зубчатых колес, работающих со «смазочной МЖ» была выше потому, что количество минерального масла было в 83 раза больше, чем «смазочной МЖ», "Но даже полученные значения интенсивности изнашивания находятся в пределах, допустимых для зубчатых колес механических передач, тем более, что зубчатые колеса работали в форсированном режиме" [26].

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование мелкомодульных зубчатых передач и малогабаритных подшипников качения с магнитожидкостными смазками»

Совершенствование современных узлов трения ведёт к возрастанию скоростей вращения и увеличению относительного скольжения трущихся поверхностей, а также увеличению удельных нагрузок в зоне контакта. Это, в свою очередь, ужесточает требования не только к материалам пар трения и качеству их изготовления, но и к качеству смазочных материалов, а также к способу подведения смазки в зону трения. Одним из возможных путей решения задачи увеличения ресурса узлов трения является использование магнитных жидкостей в качестве смазки.

Термин "магнитная жидкость" появился в научно-технической литературе в 60-х годах прошлого столетия. Широкое применение магнитные жидкости нашли в уплотнительной технике. При их помощи просто и эффективно разделяются такие среды как вакуум, воздух, пары агрессивных жидкостей и сами жидкости. Так же её применяют при сборе нефтепродуктов с поверхностей водоёмов. При наложении неоднородного магнитного шля у магнитной жидкости изменяется ее кажущийся удельный вес, что позволяет производить сепарацию немагнитных материалов по их плотности. Ведутся работы по применению магнитных жидкостей в медицине. Более чем 40-летняя эксплуатация магнитных жидкостей в различных отраслях науки и техники доказали их высокую эффективность.

Магнитные жидкости - это устойчивые магнитоуправляемые коллоиды высокодисперсных магнитных частиц с размером около 10 нм в жидкости-носителе, обладающие выраженными магнитными свойствами.

При этом сохраняются свойства обыкновенных жидкостей -текучесть, вязкость. В качестве дисперсионной среды может быть использована широкая гамма различных жидкостей. Это минеральные и синтетические масла, керосин, вода, кремний- и фторорганические жидкости, глицерин и т.д. Магнитные частицы могут быть изготовлены не только из магнитных металлов (железо, никель), но и из их оксидов (магнетит, ферриты), если они обладают магнитными свойствами. Для предотвращения седиментации (оседания) и коагуляции (слипания) магнитных частиц на их поверхности создаётся сольватный слой из поверхностно-активного вещества, который выполняет роль структурно-механического барьера при их сближении.

Возможность довольно просто удерживать магнитожидкостную смазку, которая обладает теми же свойствами что и магнитная жидкость, при помощи постоянных магнитов или электромагнитов, пропуская магнитный поток через зону трения и используя эффект втягивания магнитожидкостной смазки в зону с наибольшим градиентом магнитного поля, позволяет предположить, что магнитожидкостные смазки, изготовленные на базе магнитных жидкостей будут успешно использоваться в различных узлах трения. Применяя различные базовые масла [29], разную концентрацию магнитных частиц, используя широкий спектр присадок и добавок, которые изменяют параметры трения в ту или иную сторону, возможно применение нового ввда смазки в ответственных трибосопряженных узлах, таких как подшипники качения и мелкомодульные зубчатые передачи.

Магнитное поле выполняет функции по удержанию магнитожидкостных смазок непосредственно в зоне трения или в зоне, непосредственно примыкающей к ней, а также на открытых вращающихся поверхностях. Кроме этого, магнитные поля могут обеспечивать циркуляцию смазочной среды, что позволит охлаждать ее в процессе работы. Для обеспечения циркуляции магнитожидкостной смазки можно использовать переменные магнитные поля или термомагнитный эффект, заключающийся в том, что магнитное поле в большей степени воздействует на холодную магнитожидкостную смазку, чем на нагретую [30].

Магнитные поля создают путём намагничивания элементов узла трения или установки на них магнитных возбудителей, но чаще всего организуют магнитную цепь, состоящую из постоянного или электромагнита и магнитопровода. Частью этой цепи являются элементы пар трения. Как правило, предусматривают, чтобы градиент магнитного поля был направлен к зоне контакта пар трения для обеспечения удержания магнитожидкостной смазки в зоне трения и лучшего проникновения её между трущимися поверхностями.

При наложении магнитного поля в магнитожидкостной смазке частицы выстраиваются вдоль силовых линий и образуют каркас, подобный тому, который имеется в пластичных смазках, у них изменяется вязкость и, поэтому, их можно сравнивать между собой. Поэтому сначала рассмотрим область применения пластичных смазок, а затем сравним с предполагаемой областью применения магнитожидкостных смазок.

Заключение диссертации по теме «Трение и износ в машинах», Лапочкин, Александр Иванович

Общие выводы.

1. Магиитожидкостиые смазки могут применяться в малогабаритных подшипниках качения и мелкомодульном зубчатом зацеплении. Наличие твердых магнитных частиц не вызывает абразивного изнашивания трущихся поверхностей, т.к. их размер меньше того размера при котором начинают проявляться явления присущие абразивному изнашиванию. Это подтверждается испытаниями зубчатого зацепления, интенсивность изнашивания которого порядка 10"п-10"12.

2. Для зубчатых колес предпочтительной является магнитная система с охватывающим магнитным экраном, которая удерживает наибольшее количество магнитожидкостной смазки и обеспечивает наименьшую интенсивность изнашивания зубчатых колес. Для подшипников качения наиболее простой является схема, при которой магнитный поток проходит через кольца и тела качения.

3.Перенос материала сепаратора на кольца и тела качения шарикоподшипника при смазывании магнитожидкостными смазками на базовом масле из класса олигоорганосилоксанов аналогичен финишной антифрикционной безабразивной обработке (ФАБО), так как цвет перенесенного металла точно такой же, как и материал сепаратора.

4. Является перспективным направление по подбору различных добавок и присадок к магнитожидкостным смазкам, которое позволяет увеличить ресурс узла трения и уменьшить интенсивность его изнашивания.

90

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лапочкин, Александр Иванович, 2002 год

1. Ю.О.Михалёв, А.И.Лапочкин, С.И.Новикова. Исследования работоспособности магнитожидкостных смазочных материалов в подшипниках качения. Тезисы докладов V Всесоюзной конференции по магнитным жидкостям т.2 с.28. 1988, г.Плёс.

2. Ю.О. Михалёв, А.М. Земляков, А.И. Лапочкин, С.И.Новикова. Повышение работоспособности узлов трения с использованием магнитоактивных смазочных материалов. // Ракетно-космическая техника. М.: ЦНТИ " Поиск " 1988 серия 13, вып. 2 с. 60-77.

3. А.И. Лапочкин, Ю.О. Михалёв. Исследование работы магнитной смазки в зубчатом зацеплении. Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции по магнитным жидкостям с. 179. г. Плёс, 1985 г.

4. A.c. СССР N 1126767, МКИ F16N 15/00. Земляков А.М., Михалёв Ю.О., Лапочкин А.И. Узел смазки подшипника.

5. A.c. СССР N 1262173, МКИ F16H 57/04, F16N 15/00. Земляков А.М., Михалёв Ю.О., Сайкин М.С., Лапочкин А.И. Механическая передача.

6. A.c. СССР N 1335859, МКИ G01N 19/02. Михалёв Ю.О., Земляков А.М., Лапочкин АИ. Стенд с замкнутым силовым контуром для испытания магнитоактивных смазок в зубчатой передаче.

7. A.c. СССР N 1429679, Михалёв Ю.О., Земляков A.M., Лапочкин А.И. Узел смазки.

8. A.c. СССР N 1441864, Земляков А.М., Михалёв Ю.О., Лапочкин А.И. Подшипниковый узел.

9. А.С. СССР N 1627928, Земляков А.М., Лапочкин А.И. Способ пределения момента трения трибосопряжения.

10. А.С. СССР N 1820272, МКИ G01M 13/04. В.Ю.Егоров, Ю.О.Михалёв, А.А.Антипов, Лапочкин А.И. Стенд для испытаний подшипников в вакууме.

11. Мур Д. Основы и применения трибоники. Пер. с англ. Под ред. д-ра техн. наук И.В. Крагельского. С., Мир, 1978, с.488.

12. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твёрдых тел. Пер. с англ. Под ред. д-ра техн.наук И.В. Крагельского.М., Машиностроение, 1968, с.544.

13. Михалёв Ю.О.,Орлов Д.В., Трофименко М.И. Изучение реологических свойств высококонцентрированных ферромагнитных коллоидов в магнитном поле. Коллоидный журнал, 1980, N 4, с. 761-764.

14. Шлиомис М.И. Эффективная вязкость магнитных суспензий.-Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1971, N 6, с. 24112418.

15. Благодарный В.М. Расчёт мелкомодульных зубчатых передач на износ и прочность. М.: Машиностроение, 1985, с. 128.

16. Чернавский С.А., Ицкович Г.М., Киселёв В.А. и др. Проектирование механических передач.- М.: Машиностроение, 1967, с. 422.

17. Ю.О.Михалёв, А.М.Земляков, А.И.Лапочкин. Исследование работоспособности мелкомодульной зубчатой передачи с магнитными смазочными материалами. Трение и износ. № 2,1989, с. 250-256.

18. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Под ред. В.М. Школьникова. М. "Химия" 1989. 538 с.

19. А.К.Зайцев. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. 1948. 237 с.

20. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание.-М. Наука, 1970. 252 с.

21. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Т. 1,2. Под ред. д.т.н. проф. И.В.Крагельского. М. Машиностроение 1978.

22. Старосельский А. А., Гаркунов Д. Н. Долговечность трущихся деталей машин. М.: Машиностроение, 1967. 394 с.

23. Справочник по триботехнике. Т. 1,2,3. Под ред. Чичинадзе A.B.

24. Магнитные жидкости в машиностроении. Под ред. проф. Орлова Д.В., проф. Подгоркова B.B. М., «Машиностроение», 1993, 268 с.

25. Синицин В.В. Пластичные смазки в СССР. Москва. Химия. 1979. 272 с.

26. Папок К.К., Рагозин H.A. Словарь по топливам, маслам, смазкам, присадкам и специальным жидкостям. Москва, Химия, 1975. 392с.

27. Лапочкин А.И. Выбор базовых масел для новых магнитных смазочных материалов. Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (X Бенардосовские чтения) Т. 1 с.240. Иваново 2001.

28. Берковский М.Б., Медведев В.Ф., Краков М.С., Магнитные жидкости. М. Химия. 1989. 224 с.93