ИССЛЕДОВАНИЕ МОМЕНТОВ ТРЕНИЯ МАГНИТОЖИДКОСТНЫХ ГЕРМЕТИЗАТОРОВ
Пахолкова Т.А. (ИГЭУ, г. Иваново, РФ)
Calculation of friction torque of magneto-liquid sealer is based on numerical simulation of velocity distribution of nanodispersed ferrofluid flow amid magnetic field within sealer machining gap. Algorithm and simulated results are presented. Experimental unit scheme for sealer intrinsic friction torque detection and the results of experiments for friction torque detection within sealer machining gap are given.
Магнитожидкостные уплотнения (МЖУ) относят к бесконтактным щелевым уплотнениям, работающим по принципу гидравлического зазора, в котором магнитная жидкость удерживается магнитным полем в рабочих зазорах между сопрягаемыми деталями.
МЖУ имеет ряд преимуществ по сравнению с применяемыми уплотнениями: обеспечивают практически полную герметичность, выдерживают достаточно высокий перепад давлений как в статическом, так и в динамическом режимах; просты по конструкции и изготовлению. Основной недостаток МЖУ – сложность обеспечения равномерности рабочего зазора из-за погрешностей изготовления и сборки деталей, а также люфта подшипникового узла. Эксцентриситет и биение вала приводят к появлению магнитной силы одностороннего притяжения вала, повышению собственных потерь на трение, а также снижению работоспособности МЖУ.. На величину рабочего зазора влияют величины шероховатости и волнистости сопрягаемых поверхностей.
Конфигурация полюса и соотношения размеров рабочего зазора влияют на рабочие характеристики МЖУ, к основным из которых относятся критический перепад давлений и потери на трение. Выбирая оптимальную конфигурацию полюса и размеры рабочего зазора, необходимо стремиться к повышению критического перепада давлений и снижению потерь на трение в МЖУ [1].
Для определения момента сопротивления вращения вала, обусловленного трением с магнитной жидкостью (момента трения) используется формула
|
|
(1) |
где 
– динамическая вязкость
жидкости, R – радиус вращающегося вала, соприкасающегося с
магнитной жидкостью; 
– окружная скорость вала; 
– зазор
между валом и полюсом заполненный жидкостью.
Рабочий зазор под зубцами описывается следующими зависимостями с прямоугольным профилем
|
|
(2) |
Если принять, что весь зазор
заполнен магнитной жидкостью, а вязкость ее не зависит от градиента скорости
сдвига и магнитной индукции, определим момент трения соответственно для полюсов
различной конструкции, проинтегрировав отношение 
по ширине полюса:
|
|
(3) |
,
|
|
(4) |
,
|
|
(5) |
,где w – угловая скорость.
Момент трения зависит от величины рабочего зазора и, следовательно, от шероховатости и волнистости поверхностей полюсов.
С целью исследования влияния размера рабочего зазора на изменение критического перепада давлений и потерь на трение была разработана установка (рис. 1), включающая стойку 1, подвижный вал 2, неподвижный вал 3, съемные полюсы 4 и 8, болты 5 и 13, диск 6, магниты 7, сменную втулку 8, гайку 10, хомут 11, корпус 12, индикатор 14, опору 15[2].
На рис. 2 показана фотография экспериментальной установки. Сменные втулки изготовлены из стали ст. 3 и при проведении экспериментов приводились во вращение со скоростью 10-5000 об/мин. Сменные полюсы 4 и 8 изготовлены из стали ст.3. Использовались магниты типа ИЖКГ из материала феррит стронция диаметром 20 мм с индукцией >= 0.3 (Вт, Тл) и коэрцитивной силой >= 185(кА/м).
Рисунок 1- Схема экспериментальной установки
1 – Стойка; 2 – подвижный вал; 3 – неподвижный вал; 4 – съемный полюс; 5 – болт; 6 – диск; 7 – магнит; 8 – съемный полюс; 9 – сменная втулка; 10 – гайка; 11 – хомут; 12 – корпус; 13 – болт; 14 – индикатор; 15 – опора
Наружная поверхность сменной втулки 8 обрабатывалась точением, шлифованием и алмазным выглаживанием с величиной шероховатости поверхности Ra, соответственно, 7,446мкм, 1,261мкм и 0,360мкм, влияющей на величину рабочего зазора между втулкой и полюсами 4 и 8. Корпус 12 соединяется через хомут 11 с индикатором 14 позволяющим измерять величину момента трения.
Рисунок 2- Фотография экспериментальной установки
На разработанной экспериментальной установке проведены исследования по определению магнитных моментов в рабочем зазоре герметизатора при разной скорости вращения втулок, имеющих разную величину шероховатости поверхности, и с магнитными жидкостями типов МКС-350-40, МКС-003-60, МКА-1-40, МКА-1-30.
На рис.3–5 представлены графики зависимости моментов трения от частоты вращения и величины шероховатости поверхности втулок для разных типов МЖ.
Рисунок 3- Зависимость моментов трения от частоты вращения втулок при величине шероховатости поверхности Rа = 7,446 мкм для разных типов магнитной жидкости:
1 – МКС-350-40; 2 – МКС-003-60; 3 – МКА-1-40, 4 – МКА-1-30; 5 – без магнитной жидкости
Рисунок 4- Зависимость моментов трения от частоты вращения втулок при величине шероховатости поверхности Rа = 0,261 мкм для разных типов магнитной жидкости:
1 – МКС-350-40; 2 – МКС-003-60; 3 – МКА-1-40, 4 – МКА-1-30; 5 – без магнитной жидкости
Рисунок 5- Зависимость моментов трения от частоты вращения втулок при величине шероховатости поверхности Rа = 0,360 мкм для разных типов магнитной жидкости:
1 – МКС-350-40; 2 – МКС-003-60; 3 – МКА-1-40, 4 – МКА-1-30; 5 – без магнитной жидкости
Таким образом выполнено определение собственного момента трения на основе численного моделирования распределения скоростей течения нанодисперсной магнитной жидкости в условиях магнитного поля в зазоре герметизатора. Представлены результаты расчетов и проведенных экспериментов.
Литература
1. Казаков Ю.Б., Страдомский Ю.И., Морозов Н.А., Перминов С.М. Герметизаторы на основе нанодисперсных магнитных жидкостей и их моделирование / Под общей редакцией Ю.Б. Казакова: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2010. – 184 с.
2. Казаков Ю.Б., Полетаев В.А., Пахолкова Т.А. Определение момента трения магнитожидкостного герметизатора с неоднородным магнитным полем на основе численного моделирования движения магнитореологической жидкости. // Вестник ИГЭУ. -Вып.4. -2010. -С. 47–51.