Снижение потерь на трение при вихревом течении магнитной жидкости добавками углеродных нанотрубок

Abstract

Магнитная жидкость является перспективным смазывающим материалом, например в подшипниках скольжения. С помощью магнитной системы магнитная жидкость удерживается в зазоре трения, что существенно упрощает конструкцию системы смазки. Известно, что при течении обычных смазок (минерального масла, воды) в зазоре между цилиндрами с ростом скорости вращения внутреннего цилиндра происходит переход ламинарного течения в вихревое. При этом резко возрастают потери на вязкое трение. Экспериментально исследованы потери на трение в широком интервале скоростей и возможности их снижения при вихревом течении магнитной жидкости в зазоре между цилиндрами. Выявлено, что при достижении безразмерной скорости – числа Тейлора, равного 41,2, – резко увеличивается угол наклона кривой момента трения, вязкие потери тоже возрастают, т. е. происходит смена ламинарного режима течения на вихревой. Средняя температура в слое магнитной жидкости достигает 60°C. Этот фактор приводит к повышению испарения жидкости-носителя (воды, минерального масла), что снижает ресурс работы смазки – магнитной жидкости. С целью уменьшения вязкого трения при вихревом течении магнитной жидкости в нее вводятся углеродные нанотрубки, представляющие собой цилиндры диаметром до 5,0 нм и длиной около 0,1 мм. Углеродные нанотрубки проявляют упругость при поперечном изгибе: под воздействием нагрузки изгибаются, а после ее снятия восстанавливают первоначальную форму. Они также способны удлиняться вдоль оси на 16 % и после снятия нагрузки возвращаться в исходное положение. Экспериментально получен эффект снижения трения (около 30 %) при вихревом течении магнитной жидкости введением углеродных нанотрубок в магнитные жидкости МНт-40 и МВ-32. Вероятный механизм уменьшения трения – способность нанотрубок деформироваться под воздействием пульсаций давления и скоростей вихревого потока и частично поглощать часть их энергии. Как показали эксперименты, существует оптимальная весовая концентрация добавки нанотрубок в магнитную жидкость (∼10⁻⁴), при которой наблюдается максимальный эффект снижения трения на 30 %. Таким образом, введение углеродных нанотрубок в смазку (магнитную жидкость) позволяет снижать вязкое трение и соответственно увеличивать диапазон рабочих скоростей, повышать ресурс смазочного узла.