Магнитожидкостные подшипники горнодобывающего оборудования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Управляющее напряжение (В)

Впрыск

(интенсивность

впрыска)

к

S371_384

Предварительный впрыск

t

К-

Время

Основной Последующий впрыск впрыск

Рис. 7. Зависимость управляющего напряжения и давления топлива от времени

Для предотвращения опорожнения аккумулятора через форсунку с зависшей иглой или клапаном управления, а также повреждения соответствующего цилиндра дизеля авторами предложено на входе топлива в форсунку устанавливать аварийный ограничитель подачи топлива. В нем используется принцип возникновения разницы давлений по обе стороны от клапана 1 (рис. 8) при прохождении топлива через его жиклеры 2. Сечение жиклеров, затяжка пружины 3 и диаметр клапана подбираются по максимальной продолжительности и расходу, т. е. по подаче топлива.

1 2 3

В Ы В О Д

Учитывая сказанное выше, можно сделать вывод, что установка системы впрыска Common rail на дизельных двигателях позволит повысить мощность на 35-45 %, уменьшить расход топлива до 15 %, снизить токсичность выхлопных газов на 20 % и уровень шумности до 10 %. Введение аварийного ограничителя оборотов двигателя повысит надежность и ресурс описанной выше системы и машины в целом. Это в итоге увеличит мощность двигателя, снизит расход топлива и токсичность выхлопных газов.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. http://www.masheka.ru/

2. http: //adt.by/content/view/629/5 8/

3. http://maz.by/

4. http://www.powertrain.ru/yamz650th.html

5. http://www.park5.ru/articles/1/311

6. http: //www. powertrain.ru/yamz650pr. html

7. http://www.floodovercar.ru/index.php/techdocs/38-cars-systems/89-common-rail.pdf

8. Дениелс, Д. Современные автомобильные технологии / Д. Дениелс. - М.: АстрельАСТ, 2003. - С. 72-77.

9. Система управления дизельными двигателями. -М.: Изд-во «За рулем», 2011. - С. 280-299.

Поступила 10.01.2012

Рис. 8. Аварийный ограничитель подачи топлива через форсунку

УДК 621.891

МАГНИТОЖИДКОСТНЫЕ ПОДШИПНИКИ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

Канд. техн. наук, доц. ГОРЛОВ И. В., доктора техн. наук, профессора БОЛОТОВ А. Н., ЗЮЗИН Б. Ф.

Тверской государственный технический университет

Магнитожидкостные подшипники [1] были созданы относительно недавно, но уже отмечены большие потенциальные возможности для применения в перспективных машинах и меха-

низмах горнодобывающих и горноперерабаты-вающих предприятий. Использование таких подшипников в узлах трения бурового, горнодобывающего оборудования обеспечит ему вы-

■■ Наука И эхника, № 6, 2012

сокие характеристики надежности, эффективную и экономичную работу. Основное достоинство магнитожидкостных подшипников заключается в том, что в широком нагрузочно-скоростном режиме они работают автономно в гидродинамическом режиме смазки за счет самоорганизующегося в магнитном поле замкнутого цикла поступления масла в зону трения.

Однако при высоких нагрузках на подшипник или малых скоростях вращения вала (например, в момент пуска или останова) толщина смазочной пленки недостаточна для разделения трущихся поверхностей и граничное трение становится доминирующим. В этом режиме происходит износ поверхностей, поэтому он менее предпочтителен, чем гидродинамический, но тем не менее избежать его не всегда удается. В отличие от известных подшипников, работающих при граничной смазке, в магнито-жидкостных 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 долговечных магнитожид-костных подшипников, работающих при граничной смазке в условиях вибраций и ударных нагрузок, заключается в правильном выборе материалов вала, втулки и смазочного масла.

Описание опытного подшипника. При граничном режиме смазки изучались свойства базового магнитожидкостного подшипника (рис. 1) с симметричной магнитной системой. Подшипник состоит из немагнитного корпуса 1, внутри которого установлены постоянный магнит 2, два осесимметричных магнитопрово-да 3 и немагнитная втулка 4. Втулка имеет одну или несколько смазочных канавок 5, расположенных в ненагруженной зоне подшипника. Конфигурация внутренних поверхностей маг-нитопроводов 3 выбирается в зависимости от требуемых характеристик магнитного поля в зоне канавок и области 6, где удерживается резервный объем магнитного масла. При любой конфигурации магнитопроводов 3 магнитное

поле между ними и валом 7 должно иметь градиент, направленный по оси в сторону магнита. Для замыкания магнитной цепи подшипника вал 7 должен быть изготовлен из магнитомяг-кого материала.

3 4 2

Рис. 1. Принципиальная схема магнитожидкостного подшипника

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.

Во втулке подшипника в центральной ее части выполнено кольцевое углубление, равное по ширине толщине магнита, поэтому втулка имеет две отдельные опорные 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, равное l/d = 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, коэффициент нагруженности s подшипника, работающего при граничной смазке, не должен быть более 1,0-1,5. Он рассчитывается по формуле

8 =

Рц2

где Р - удельное давление; ¥ - относительный зазор; п - коэффициент вязкости; ю - частота вращения вала.

■■ Наука иТ эхника, № 6, 2012

7

6

Исходя из этого определялись конкретные условия испытаний.

Схема установки, использованной для исследования радиальных подшипников скольжения, изображена на рис. 2. Отличительные особенности установки заключаются в следующем:

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

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

• самообеспечивается соосное расположение вала и втулки.

Рис. 2. Схема установки для исследования подшипников

Установка состоит из пространственной рамы, играющей роль несущей конструкции, включающей нижнюю плату 1, среднюю плату 2, верхнюю плату 3, соединенные стойками 4. К раме крепится привод из электродвигателя постоянного тока 5, муфты 6, планетарного редуктора 7, зубчатой передачи, передающей вращение валу 8. Вал 8 опирается на внутрен-

ние 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 противоположных сторон к нагрузочному узлу 10 прикреплены тяги 11 и 12 для передачи нагрузки от рычажной системы и для измерения суммарного износа с помощью индикаторов перемещений, закрепленных в стаканах верхней платы 3. Момент трения снимали с корпуса исследуемого подшипника и определяли с помощью тензобалки.

Диаметр вала, в контакте с которым работали опытные подшипники, равнялся 20 мм и был изготовлен из стали У8А или 40Х. Частота вращения вала изменялась от 1 до 30 с"1, контактные давления были в диапазоне 0,1-2,0 МПа (при длине втулки, равной диаметру).

Измерения износа производили дискретно через 5-7 ч. Измеряли суммарный износ втулки и вала после отключения электродвигателя и охлаждения подшипникового узла до комнатной температуры. За величину износа принимали разность между диаметральными зазорами в подшипнике до и после каждого цикла испытаний. Систематическая ошибка определения износа - не более 0,3 мкм.

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

Для соответствия требованиям узел трения машины СМЦ-2 был подвергнут переделке. Модернизированный узел трения машины СМЦ-2 представлен на рис. 3. На вал 1 шпиндельного узла опирается втулка 2 подшипника 3, смазываемого магнитным маслом. Корпус подшипника скольжения 4 установлен во внутреннем кольце шарикоподшипника 5, к наружному кольцу которого через призму 6 прикладывается радиальная нагрузка. В корпусе 4, выполненном из немагнитного материала, рас-

Наука И эхника, № 6, 2012

полагаются набор постоянных магнитов, маг-нитопроводов и втулка. Момент трения с корпуса подшипника скольжения воспринимается упругим элементом с приклеенными к нему тензорезисторами.

Для исследований были выбраны следующие сочетания материалов вала и втулки: полиамид - сталь, латунь - сталь, бронза - сталь, сталь - сталь, керамика - сталь. По конструктивным причинам втулка всегда была из немагнитного материала. Учитывая возможное абразивное действие частиц магнитного масла, материалы подбирали таких марок, у которых выше твердость. Втулки, изготовленные из цветных антифрикционных материалов -латуни ЛЖМц 59-1-1, бронзы БРАЖ9-4 и немагнитной стали 12Х18Н9Т, хотя и имеют достаточно высокую твердость для указанного класса материалов, но в то же время значительно уступают по твердости частицам магнетита.

Для сравнения один из вариантов втулки был изготовлен из полимерного материала -полиамида ПА-6. Предполагалось, что износостойкость этого и других относительно мягких материалов самопроизвольно возрастает при трении за счет установленного авторами эффекта упрочнения поверхности включениями из частиц дисперсного магнетита.

Рис. 3. Модернизированный узел трения машины СМЦ-2

Перспективным является применение для магнитожидкостных узлов трения деталей с оксидными керамическими покрытиями, полу-

ченными новым методом - анодированием в электролитическом разряде или иначе микродуговым оскидированием (МДО) [2]. 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. Установка для получения покрытий состояла 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 было около 6 и 2 г/л соответственно. Формовку покрытия осуществляли в течение 4-5 ч при плотности тока 0,10-0,15 А/см2 и напряжении, изменяющемся от 450 В в начале процесса до 670 В в конце.

В первые несколько десятков минут после начала процесса формовки покрытия происходило нарастание на поверхности рыхлого слоя, образованного из неорганических полимеров силиката натрия, частично прореагировавшего с алюминием. В этот период формовка покрытия протекала в режиме анодного искрового разряда. Затем искровой разряд переходил постепенно в дуговой. Температура в локальных областях на поверхности алюминия, где протекал дуговой разряд, повышалась настолько, что создавались условия для образования кристаллического оксида алюминия. Рост оксидной пленки продолжался около 3 ч, после чего ее толщина достигала критического значения, и если процесс не останавливали, происходило отслаивание покрытия.

Максимальная толщина оксидной пленки на поверхности алюминиевых 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

■■ Наука

иТ эхника, № 6, 2012

7

1

прочностью образуются на алюминиевом сплаве Д16. Адгезия оксидного слоя к металлу очень высокая - (2-4) • 108 Н/м2 что достигается за счет образования сильных химических связей. Все покрытия, 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 с уменьшением пористости диаметр, как правило, увеличивается. Изучение фазового состава оксидного слоя МДО-покрытия показало, что он в основном состоит из а- и у-модифи-каций АЬОз (корунда). В небольшом количестве в этом слое покрытия содержатся оксиды кремния (до 9 %), железа (до 2 %), натрия (до 2 %). Таким образом, МДО-покрытие имеет ге-терофазный состав, причем высокопрочная дисперсная фаза а-ЛЬОз окружена менее прочной дисперсионной (матричной) средой у-ЛЬОз.

Были проведены исследования, направленные на совершенствование технологии МДО. Достигнуто сокращение времени формовки МДО-покрытия в 1,5-2 раза при соответствующем уменьшении энергоемкости процесса. Ускорение процесса достигается в основном за счет более быстрого формирования технологического силикатного слоя определенной морфологии. Формовку покрытия первоначально в течение нескольких минут проводили в сильно концентрированном электролите, а затем продолжали в стандартном электролите.

С практической точки зрения представляется важным то, что удалось отработать технологию восстановления покрытия на локальных участках поверхности, с которых оно удалено в результате износа или по другим причинам [3]. Проблема восстановления заключалась в том, что в случае проведения формовки нового покрытия в обычном режиме происходит отслаивание оставшегося покрытия. По предложенной технологии восстановление проводится в специально подобранном силикатном электролите при малых плотностях тока в течение 2-2,5 ч.

Для экспериментальных исследований были выбраны МДО-покрытия, нанесенные на деформируемый алюминиевый сплав Д16. Покрытие наносили на рабочую поверхность

опытных образцов втулок с помощью катода, проходящего через нее. Материалом вала служила закаленная сталь У8А (HRC 60) или сталь 40Х, поверхность которой подвергали специальной обработки как для снижения абразивной составляющей износа, так и усталостного разрушения при трении.

Для придания поверхности стали 40Х высокой твердости в сочетании с удовлетворительной пластичностью ее подвергали двум различным видам термической обработки. В первом случае проводили закалку поверхности лазером с последующим отпуском (микротвердость около 8 ГПа). Во втором случае для обработки поверхности применяли усовершенствованный технологический процесс [4] лазерного оплавления с последующим глубоким охлаждением до температуры жидкого азота (микротвердость около 10 ГПа). Основные параметры обработки (удельная мощность, размер лазерного пятна, время сканирования) подбирали экспериментально такими, чтобы они обеспечивали получение аморфного (бескристаллитного) слоя толщиной не менее 0,2 мм на рабочих поверхностях узла трения, а также чтобы величины остаточных напряжений в поверхностных слоях были по возможности одинаковы.

Смазку подшипников проводили наиболее перспективным для практических целей магнитным маслом на основе диоктилсебацината. Масло имело намагниченность насыщения 24 кА/м, вязкость в магнитном поле (0,2 Тл) и при температуре 293 К - около 0,08 Па-с. При повышении температуры от указанной до 400 К вязкость масла снижалась всего в 2-2,5 раза, хотя у дисперсионной среды уменьшалась почти на порядок. Предельное напряжение сдвига у магнитного масла в полях, характерных для подшипниковых узлов (около 0,2 Тл), незначительно - 20-30 Па. Такие значения предельного напряжения сдвига несущественно изменяют динамику поступления масла в зону контакта и несколько повышают силу трения при пуске. Высокая объемная температура в подшипнике стимулирует развитие процессов деструкции и полимеризации в масле, а также окисление наночастиц. В используемое магнитное масло вводили специальную антиок-сидантную присадку, позволяющую длитель-

■■ Наука И эхника, № 6, 2012

но эксплуатировать масло при температуре до 450 К.

Все данные по трению и износу магнито-жидкостных подшипников при различных контактных давлениях обобщены в табл. 1. Суммарную интенсивность износа определяли как среднее по двум параллельным испытаниям, если расхождение между ними не превышало 10-15 %, в противном случае испытания повторяли. Продолжительность испытаний на износ подшипников с металлическими втулками была не менее 50 ч, а с упрочненными керамикой -200-300 ч. Данные в табл. 1 показывают, что износ контакта металл - металл значительно выше, чем контакта МДО - покрытие - металл. Трение в подшипниках с МДО-покрытием также ниже.

Таблица 1

Фрикционные свойства подшипников, имеющих втулки из различных материалов

Применение вала с аморфным покрытием позволяет снизить суммарную скорость изнашивания за счет большей стойкости к абразивному и усталостному износам вала. Нетрудно заметить, что износостойкость пары трения полимер - сталь в рассматриваемых условиях

оказалась низкой. По мнению авторов, это связано не только с низкой абразивной стойкостью полимера, но и с усиленным износом вала шаржированными в полимер частицами магнетита из масла.

В пределах всего срока испытаний интенсивность изнашивания подшипников с упрочненными втулками оставалась практически неизменной (рис. 4), а для подшипников с металлическими и полимерной втулками снижалась к концу испытаний, что, очевидно, связано с более интенсивным изнашиванием материалов в период приработки и изменением площади контакта вала с втулкой.

ДЛ, мкм 30

20

10

0 5 10 15 20 25 х, ч

Рис. 4. Динамика износа керамического покрытия при давлении 5 МПа и скорости 1,5 м/с для поверхности с микротвердостью: 1 - 9 ГПа; 2 - 18 ГПа

Интенсивность изнашивания МДО-покры-тий зависит от того, какой слой контактирует с валом. На рис. 4 для примера показаны кривые износа для случая, когда вал контактирует с самым прочным и твердым слоем, содержащим преимущественно оксид алюминия, и слоем, лежащим выше и имеющим худшие механические свойства из-за большого содержания в нем стеклообразных продуктов.

На рис. 5 приведены профилограммы поверхностей трения различных материалов. Видно, что на поверхности втулок из сравнительно мягких материалов (сталь, бронза) в результате абразивного износа появляются глубокие кольцевые риски, которые, конечно же, не способствуют переходу к гидродинамическому трению. Существенных изменений поверхности с МДО-покрытием после трения нет: поверхность сохраняет тот же класс шероховатости, что и исходная после тонкого шлифования, или становится даже более гладкой.

Материалы пары трения Условия трения Фрикционные свойства

Р, МПа v, м/с f Ih ■ 10-9

Сталь У8А -бронза БрАЖ9-4 1 3 5 0,6 1,1 1,5 0,11 0,11 0,12 0,90 3,10 4,20

Сталь У8А -латунь ЛЖМц 59-1-1 1 3 5 0,6 1,1 1,5 0,12 0,13 0,13 1,20 3,90 5,60

Сталь У8А -сталь 12Х18Н9Т 1 3 5 0,6 1,1 1,5 0,10 0,15 0,13 0,80 1,70 3,40

Сталь У8А -керамика 1 3 5 0,6 1,1 1,5 0,07 0,09 0,09 0,05 0,18 0,25

Сталь 40Х (закалка) -керамика 1 3 0,6 1,1 0,09 0,09 0,06 0,16

Сталь 40Х (аморфная) -керамика 1 3 0,6 1,1 0,08 0,09 0,05 0,14

Сталь У8А -полиамид 1 0,6 0,05 1,40

■■ Наука иТ эхника, № 6, 2012

ВУ2000 ГУ40

ВУ2000 1 ГУ40

Рис. 5. Профилограммы исходной (1) и изношенной (2) поверхностей материалов: а - сталь 12Х18Н9Т; б - бронза БрАЖ9-4; в - корундовая керамика (ВУ, ГУ - вертикальное и горизонтальное увеличение)

В Ы В О Д Ы

Из изложенного выше вытекает, что наиболее целесообразно втулки для магнитожид-костных подшипников оборудования, используемого в горнодобывающей промышленности, изготавливать из алюминиевых сплавов, а поверхности трения упрочнять методом МДО. Достоинства втулок с МДО-покрытиями следующие:

• сравнительно высокая износостойкость керамического материала покрытия и хорошие антифрикционные свойства;

• износостойкость возрастает по глубине покрытия, что можно использовать для приработки втулок, установленных с перекосом;

• покрытие может быть нанесено на алюминиевый антифрикционный сплав, и тогда даже после разрушения покрытия подшипник не окажется в аварийном состоянии;

• в процессе трения на поверхности покрытия втулки и соответственно на валу в результате абразивного действия магнитных частиц не образуются макронеровности, неблагоприятные для гидродинамического режима смазки;

• технология изготовления втулок с керамическими покрытиями достаточно проста и экономична.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Болотов, А. Н. Магнитожидкостные подшипники скольжения / А. Н. Болотов, В. В. Новиков, В. Г. Павлов // Трение и износ. - 2004. - Т. 25, № 3. - С. 286-291.

2. Болотов, А. Н. Применение микродугового оксидирования для получения керамического алмазосодержащего материала / А. Н. Болотов, В. В. Новиков, О. О. Новикова // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2006. -№ 3. - С. 87-92.

3. Способ электролитического нанесения антифрикционного покрытия на алюминий и его сплавы: пат. Рос. Федерации RU 2220233 С1 7С 25 D 15/00 / А. Н. Болотов, В. В. Новиков, Д. А. Зоренко. - 4 с.

4. Абрамов, Л. М. Применение аморфных композиционных покрытий для повышения износостойкости тя-желонагруженных зубчатых передач / Л. М. Абрамов, Ф. Л. Хмурович, И. Л. Абрамов // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел деталей технологического и энергетического оборудования. -Тверь, 2010. - Вып. 3. - С. 182-184.

Поступила 27.03.2012

■■ Наука И эхника, № 6, 2012

б

а

в

1

2

2

2