CC BY
13
УДК 699.058
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАГНИТОЖИДКОСТНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПОЖАРНОЙ ТЕХНИКЕ
А. П. СИЗОВ, В. А. КОМЕЛЬКОВ, А. В. ТОПОРОВ, М. В. ВИНОКУРОВ
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново E-mail: szveex@yandex.ru, komelkov@rambler.ru, lronaxe@mail.ru, vimifi@yandex.ru
Использование магнитожидкостных устройств в пожарной технике требует прогноза надежности их работы в экстремальных ситуациях. Это позволит длительно использовать технику специального назначения как в рабочем режиме, так и в режиме хранения. Одним из условия внедрения разработанных герметизирующих устройств, датчиков, демпферов является долговечность их работы. Данная работа посвящена разработке методики прогнозирования долговечности магнитожидкостных устройств.
Ключевые слова: пожарная техника; долговечность; магнитожидкостное устройство; магнитная жидкость; чрезвычайная ситуация.
THE TECHNIQUE OF DEFINITION OF DURABILITY OF A MAGNETIC FLUID DEVICES FOR USE
A. P. SIZOV, V. A. KOMELKOV, A. V. TOPOROV, V. M. VINOKUROV
Federal State budgetary educational Institution of higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo E-mail: szveex@yandex.ru, komelkov@rambler.ru, lronaxe@mail.ru, vimifi@yandex.ru
The use of ferrofluid-based devices in fire fighting equipment requires a forecast of the reliability of operation in extreme situations. This will allow long-term use of special-purpose equipment both in the operating mode and in the storage mode. One of the conditions for the introduction of the developed sealing devices, sensors, dampers, is the durability of their work. This work is devoted to the development of methods for predicting the durability of magnetic fluid devices.
Keywords: fire equipment; durability; magnetic fluid device; magnetic fluid; emergency.
В настоящее время для различных технических систем разработаны устройства, в которых используется новые материалы, обладающие магнитными свойствами и свойствами жидкости. На основе этих материалов создаются различные узлы и агрегаты для использования в технике в качестве уплотнений, датчиков, виброизоляторов и др. Магнитная жидкость нашла применение в технике, медицине, радиоэлектронике и других отраслях промышленности.
Наиболее распространенными устройствами, использующими магнитную жидкость, в настоящее время являются уплотнения, комбинированные уплотнительные устройства, быстроразъемные соединения, датчики угла
наклона, датчики температуры и давления, которые нашли широкое применение в пожарной технике [1].
Для увеличения области применения устройств с магнитной жидкостью их необходимо разрабатывать простыми и надежными, что может гарантировать долговечность их срока эксплуатации и минимизировать отказы техники, предназначенной для работы в различных условиях, особенно связанных с ликвидацией чрезвычайных ситуаций.
При эксплуатации узлов с магнитной жидкостью в экстремальных условиях на них оказывает активное воздействие окружающая среда: перепад температур, влажность, огне-тушащие вещества, удары, повышенная запыленность [2].
© Сизов А. П., Комельков В. А., Топоров А. В., Винокуров М. В., 2019
В магнитожидкостных устройствах их функциональные параметры обеспечиваются устойчивым взаимодействием магнитной жидкости с магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом или электромагнитным полем, при условии, что магнитная жидкость не должна расслаиваться на твердую и жидкую фракции.
Уже сегодня существуют технологии, позволяющие производить магнитные жидкости, длительное время безотказно работающие на космических объектах без проведения какого-либо дополнительного регламентного обслуживания. Применение магнитожидкостных устройств в различных отраслях науки и техники позволило накопить определенный опыт их проектирования и эксплуатации.
Основным элементом в таких устройствах является магнитная жидкость, основной недостаток которой заключается в старении, что снижает долговечность всего узла и выход из строя техники.
Поэтому возникает необходимость разработки методики ускоренных испытаний магнитной жидкости, чтобы по её начальным параметрам определить долговечность изделия.
Начальными параметрами являются объемная концентрация феррочастиц С„ и намагниченность магнитной жидкости 10.
с„ = ■
dT(h dni
(1)
где сЦ, - плотность феррочастиц; с?дс - плотность дисперсионной среды.
Намагниченность магнитной жидкости [3]
/0=п-гп-1(О, (2)
где п - число феррочастиц в единице объема; т - магнитный момент ферромагнитной частицы;
/_ (9 - функция Ланжевена.
На основании данных, полученных в результате эксперимента, проведенного на ротационном вискозиметре «Реостат 2», рассчитана и построена зависимость изменения момента трения Мтр в магнитожидкостном устройстве от частоты вращения вала п (при диаметре вала с1в=12-10"2м) (рисунок).
Мтр, н см
0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 ОД 0,05 0
Л
Му т
„Мо
—^
20
40
60
80
100
120
140
П
Рисунок. Зависимость изменения момента трения в магнитожидкостном устройстве
от частоты вращения вала
В эксперименте использовалась магнитная жидкость, применяемая в рабочих магнитожидкостных устройствах и обеспечивающая долговечность на протяжении нескольких лет.
Величина М0 обусловлена существованием в магнитной жидкости предела текучести. Стабильность М0 и стабильность установившегося Мтр характерны для магнитожидкостных устройств, имеющих высокую долговечностью при герметизации вращающихся валов [4].
В случаях использования магнитожидкостных устройств в технике, задействованной для ликвидации чрезвычайных ситуаций, на них могут воздействовать также огнетушащие вещества: вода, газ, порошок, аэрозоль, вода с добавками поверхностно активных веществ. Для обеспечения устойчивости данных узлов к таким воздействиям разработано комбинированное уплотнение, состоящее из сальникового, магнитожидкостного и торцового уплотнений [6].
Положительным моментом применения данной комбинации является увеличение долговечности работы устройства за счет уменьшения потерь на трение уплотнительного элемента при вращении вала из-за внедрения магнитной жидкости в зону трения [5]. Этот процесс осуществляется благодаря магнитному и агдезионному взаимодействиям магнитной жидкости с микронеровностями. Тонкая пленка, образующаяся на поверхности вала, обеспечивает его работу в условиях полужидкостного трения.
Увеличение долговечности сальниковой набивки в присутствии затворной жидкости, уменьшающей трение в сальнике, определяется по формуле (3):
<3)
где 1|, \.2 - ресурсы уплотнения при давлении Р1 и Р2
Особое внимание уделяется магнито-жидкостным уплотнениям, в которых магнитная жидкость выступает в роли затвора, обеспечивая герметичность узла. Такая комбинация особенно необходима в оборудовании, используемом в процессах, связанных с образованием горючих и взрывоопасных смесей.
Одновременно с выполнением функции герметизатора магнитная жидкость должна создать условия увеличения долговечности работы уплотнения. Это может быть обеспечено подбором пар трения и носителя для магнитной жидкости с учетом физико-химических параметров уплотняемой среды, а также использование комбинации торцового уплотнения с магнитожидкостным. Все это создает условия для образования полужидкостной смазки пар трения, так как магнитная жидкость, затекая в микронеровности вала, уменьшает износ рабочей кромки манжеты,
Список литературы
1. Анализ надежности узлов техники, используемой в чрезвычайных ситуациях при применении в ее узлах уплотненительных устройств с магнитной жидкостью / Сизов А.П. [и др.] // Материалы II конференции, посвященной Всемирному дню гражданской обороны. М.: Академия ГПС МЧС России, 2018. С. 132-139.
2. Физико-технические основы применения нанодисперсных магнитных жидкостей в пожарной и аварийно-спасательной технике / Сизов А.П. [и др.] // Сборник материалов Международной научно-практической конференции, посвященной Году гражданской обороны (Современные пожаробезопасные материалы и технологии). Иваново, 2017. С. 342346.
понизит величину пускового момента, что в итоге положительно скажется на увеличении долговечности работы узла. Все это присуще комбинации магнитожидкостного и манжетного уплотнений.
Проведенные испытания комбинированного уплотнения подшипниковых узлов в лабораторных и производственных условиях при температуре 250°С показали положительные результаты. Применение данного типа уплотнений позволило увеличить долговечность работы подшипников качения в подшипниковом узле при смазке его консистентной смазкой. Использование комбинированного уплотнения позволило увеличить диапазон рабочих температур применяемых смазочных материалов.
В технике широко распространены статические уплотнения, с помощью которых обеспечивается герметизация неподвижных соединений. В частности, статические уплотнения также используются в комбинированных герметизаторах. Однако под действием уплотняемой среды происходят процессы их старения. Следует отметить, что процессы старения статических герметизаторов происходят и в самих герметизаторах, и в местах их контакта с герметизируемым узлом машины, что зачастую связано с материалом уплотнителя и конструкцией герметизируемого узла. Совместимости материала уплотнителя и уплотняемой детали возможно достичь за счет использования в уплотняемом зазоре промежуточного материала, нейтрального по отношению к материалу уплотнителя и к материалу уплотняемой детали. В качестве такого материала предполагается использовать магнитную жидкость, которая будет удовлетворять данным требованиям за счет выбора соответствующего материала носителя.
References
1. Analiz nadezhnosti uzlov tekhniki, ispol'zuemoj v chrezvychajnyh situaciyah pri primenenii v ee uzlah uplotnenitel'nyh ustrojstv s magnitnoj zhidkost'yu / Sizov A.P. [et al.]. Materialy II konferencii, posvyashchennoj Vsemirnomu dnyu grazhdanskoj obo-rony. M.: Akademiya GPS MCHS Rossii, 2018, pp. 132139.
2. Fiziko-tekhnicheskie osnovy primeneniya nanodispersnyh magnitnyh zhidkostej v pozharnoj i ava-rijno-spasatel'noj tekhnike [Physical and technical bases of application of nanodispersed magnetic liquids in fire and rescue equipment] / Sizov A.P. [et al.]. Sbornik ma-terialov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchennoj Godu grazhdanskoj oborony (Sovremennye pozharobezopasnye materialy i tekhnologii). Ivanovo, 2017, pp. 342-346.
3. Zhenkun Li, Decai Li, Yibiao Chen, Yilong Yang, Jie Yao Influence of Viscosity and Magnetovis-cous Effect on the Performance of a Magnetic Fluid Seal in a Water Environment Tribology Transactions Is-sueume 61, 2018, issue 2, pp. 367-375.
4. Peng Zhang, Kwang-Hee Lee and Chul-Hee Lee Wear Behavior of Rotary Li Seal Operating in a Magnetorheological Fluid Under Magnetic Field Conditions Journal of Tribology 140(2), 022201 (Sep 29, 2017) (8 pages).
5. Патент 2663438 Российская Федерация МПК F16J 15/43. Комбинированное магнитожидкост-ное уплотнение / А.П. Сизов [и др.]; публ. 06.08.2018, Б юл. №22.
3. Zhenkun Li, Decai Li, Yibiao Chen, Yilong Yang, Jie Yao Influence of Viscosity and Magnetovis-cous Effect on the Performance of a Magnetic Fluid Seal in a Water Environment Tribology Transactions Is-sueume 61, 2018, issue 2, pp. 367-375.
4. Peng Zhang, Kwang-Hee Lee and Chul-Hee Lee Wear Behavior of Rotary Li Seal Operating in a Magnetorheological Fluid Under Magnetic Field Conditions Journal of Tribology 140(2), 022201 (Sep 29, 2017) (8 pages).
5. Patent 2663438 Rossijskaya Federaciya MPK F16J 15/43. Kombinirovannoe magnitozhidkostnoe uplotnenie [Combined magnetic fluid seal] / A.P. Sizov. [et al.]; opubl. 06.08.2018, Byul. №22.
Сизов Александр Павлович
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
Профессор, доктор технических наук, профессор, Лауреат премии Правительства Российской Федерации E-mail: szveex@yandex.ru Sizov Alexander Pavlovich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
Professor, doctor of technical sciences, professor, Laureate of the Government prize of the Russian Federation E-mail: szveex@yandex.ru
Комельков Вячеслав Алексеевич
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, начальник кафедры
E-mail: komelkov@rambler.ru
Komelkov Vyacheslav Alekseevich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy
of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense,
Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of technical sciences, head of department
E-mail: komelkov@rambler.ru
Топоров Алексей Валериевич
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: lronaxe@mail.ru
Toporov Aleksej Valerievich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy
of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense,
Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of technical sciences, associate professor
E-mail: lronaxe@mail.ru
Винокуров Михаил Владимирович
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново старший преподаватель E-mail: vimifi@yandex.ru
Vinokurov Mikhail Vladimirovich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy
of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense,
Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
senior lecturer
E-mail: vimifi@yandex.ru
