ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 2, 2014
УДК 621.752.3
© 2014 г. Гордеев Б.А., Маслов Г.В., Охулков С.Н., Осмехин А.Н.
К ВОПРОСУ СОЗДАНИЯ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКОГО ТРАНСФОРМАТОРА, РАБОТАЮЩЕГО В ОРТОГАНАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
Рассматривается работа магнитореологического трансформатора, в котором дроссельные каналы заменены цилиндрическим зазором между двумя коаксиальными цилиндрами. Цилиндрический зазор, рабочая и компенсационная камеры заполнены магнитореологической жидкостью. Показано, что такая конструкция магнитореологического трансформатора предпочтительна для демпфирования ударных нагрузок.
При длительной работе гидравлических виброопор рабочая магнитореологическая жидкость может нагреваться выше 80° [1, 2]. Повышение температуры магнитореологической жидкости обусловлено внутренним трением ее слоев под действием внешнего вибросигнала [3, 4]. При этом вязкость магнитореологической жидкости снижается на порядок [5, 6].
Экспериментально установлено, что гидравлическая виброопора преобретает нелинейные свойства при наличии газовых полостей в рабочей жидкости. Это подтверждается тем, что в спектре выходного сигнала присутствуют более высокие гармонические составляющие, которых не было во входном вибросигнале [1]. При этом усиливаются турбулентные потоки рабочей жидкости во всех полостях гидравлической виброопоры, что приводит к увеличению диссипации энергии внешнего вибросигнала и, как следствие, к разогреву рабочей жидкости гидравлической виброопоры. Следствием турбулентного течения рабочей жидкости в дроссельных каналах гидравлической виброопоры является появление кавитационных пузырьков. Это явление приводит к возникновению микрогидроударов, разрушающих стенки дроссельных каналов и вызывающих появление в рабочей жидкости дополнительных металлических взвесей. Появившиеся металлические взвеси могут вызвать закупорку дроссельных каналов, что приводит к снижению демпфирующих характеристик на низких частотах входного вибросигнала [2—4].
Повышение температуры рабочей жидкости до 80° приводит к вырождению динамических резонансов амплитудно-частотной характеристики гидравлической виброопоры на заданных частотах вибросигналов [2].
Физическая модель магнитореологического демфера ударных нагрузок с цилиндрическим зазором. Существующие конструкции гидравлических виброопор содержат маг-нитореологические трансформаторы, которые управляются внешними ортоганальны-ми магнитными полями [1, 2, 5].
Целью настоящей статьи является создание новой конструкции гидравлической виброопоры, демпфирующей на ударные нагрузки. Для достижения заданных демпфирующих свойств необходимо учитывать изменение физических свойств рабочей жидкости при повышении температуры.
В физической модели цилиндрического магнитореологического трансформатора с электромагнитной системой из трех соленоидов (рис. 1) цилиндрический зазор 2 с
Рис. 1. Физическая модель цилиндрического магнитореологического трансформатора с электромагнитной системой из трех соленоидов Ь^, — и 1 — шток-поршень; 2 — цилиндрический зазор с магнитной жидкостью; 3 — цилиндрический корпус; 4 — соленоид; 5 — слой магнитной жидкости; 6 — обечайка; 7 — эластичная мембрана; 8 — основание маг-нитореологического демпфера
магнитной жидкостью образован внутренней и внешней цилиндрическими рабочими поверхностями основной диамагнитной камеры 3 и штока-поршня 1. На внешнюю поверхность диамагнитной камеры 3 устанавливаются соленоиды Ьь Ь2 и Ь3, которые создают продольные встречные магнитные поля с магнитными индукциями +В и —В. Соленоиды однонаправленных магнитных полей помещают в начале и в конце цилиндрического зазора. Соленоид Ь2 встречного магнитного поля размещают между соленоидами Ь1 и Ь3 однонаправленных продольных магнитных полей. Цилиндрический зазор (до 1,0 мм) с магнитной жидкостью возбуждается (индуцируется) переменным и ортоганальным (поперечным) магнитным полем.
Замедление и ускорение штока-поршня при работе магнитореологического трансформатора определяются возникающей силой Лоренца, Рл = qv х В, где V [м/с] — скорость штока-поршня в цилиндрическом зазоре; В [Тл] — магнитная индукция; q — заряд ионизированных ферромагнитных частиц магнитореологической жидкости.
Сила Лоренца в зоне одноименных полюсов соленоидов Ь1, Ь2 и Ь3 (рис. 1), возникает при движении штока-поршня в ортоганальных магнитных полях магнитореологического трансформатора и определяет наведенный осевой индуцированный ток в цилиндрическом зазоре. Вектор силы Лоренца направлен по нормали к направлению движения штока [5].
В области одноименных полюсов соленоидов Ь1 и Ь2 и Ь3 встречные электромагнитные поля +В и —В противодействуют друг другу и могут прекращать дросселирование магнитореологической жидкости в цилиндрическом зазоре. Этот эффект происходит в результате действия сил отталкивания встречных электромагнитных полей соленоидов Ь1 и Ь2 и Ь3 +В и —В. В итоге результирующее магнитное поле встречных электромагнитных полей соленоидов Ь1 и Ь2 и Ь3 в области одноименных полюсов становится не-
Рис. 2. Структурная схема экспериментальной установки испытания: а — в продольном магнитном поле соленоида; б — в поперечном магнитном поле возбуждающего электромагнита; МЖ — магнитная жидкость
однородным и ортоганальным, и его силовые линии в цилиндрическом зазоре с магни-тореологической жидкостью направлены по нормали к направлению движения штока.
Исходя из физической модели магнитореологического трансформатора можно осуществлять замедление и ускорение штока-поршня в индукционном цилиндрическом зазоре за счет магнитореологического эффекта в магнитной жидкости [5, 6].
Экспериментальные исследования предложенной модели. Проведенные экспериментальные исследования магнитореологического трансформатора в продольных и поперечных магнитных полях выявили зависимость его характеристик от температуры рабочей жидкости [1, 2, 5].
Экспериментальные исследования магнитореологичекого эффекта магнитной жидкости в магнитных полях показали, что наиболее информативным параметром, по которому можно судить о влиянии температуры на динамические характеристики (динамическую жесткость) цилиндрического магнитореологического трансформатора является скорость перемещений его внутреннего цилиндра в цилиндрическом зазоре.
Внутренний цилиндр изготовляли в виде металлического штока-поршня. Шток-поршень перемещался в цилиндрическом зазоре с магнитной жидкостью, который образован цилиндрическими поверхностями штока и диамагнитного (латунного) цилиндрического стакана. В экспериментах исследовали скорость перемещения штоков, изготовленных из различных металлических материалов с внешним диаметром 10 мм и длиной в 100 мм в латунном цилиндрическом стакане с калиброванной нагрузкой массой т. Скорость перемещения металлических штоков являлась функцией температуры и магнитной индукции внешних магнитных полей.
Выяснено, что повышение температуры магнитной жидкости вызвано не только силой электрического тока, питающего катушки соленоидов, но и внутренним трением слоев самой магнитной жидкости в цилиндрическом зазоре.
На (рис. 2, а) представлена структурная схема экспериментальной установки по выявлению воздействия температуры на скорость релаксации магнитной жидкости в ор-тоганальных магнитных полях с ультразвуковым фазовым измерителем микропереме-
щений 1 [7]. На (рис. 2) представлены соленоид и возбуждающий электромагнит 6 с отводами и проводящий шток-поршень 5 в малом коаксиальном зазоре латунного цилиндрического стакана. Перемещение штока-поршня 5 фиксируется ультразвуковым фазовым измерителем микроперемещений 1 [8].
При помощи ультразвукового фазового измерителя микроперемещений 1 по изменяющемуся фазовому сдвигу между опорным и отраженным от исследуемого объекта сигналами измеряли микроперемещения рабочего штока-поршня 5 с нагрузкой 3. Пьезоэлектрические преобразователи — излучатель 2 и приемник 4 акустических колебаний закреплены на консоли 8 и настроены на резонансную частоту 30 кГц [8].
Экспериментальные исследования по определению зависимости скорости релаксации магнитной жидкости при изменении температуры и магнитного поля проводили при разных режимах работы блока питания с целью создания различной индукции В внутреннего магнитного поля соленоида и оптимального выбора металлических штоков (рис. 2).
Соленоиды без ферромагнитного сердечника по условиям теплового режима применимы для создания однородных продольных полей с индукцией максимум 1,0 Тл. Применение возбуждающего электромагнита для создания однородных поперечных полей с металлическим сердечником и магнитной жидкостью в цилиндрическом стакане при определении магнитореологического эффекта диктуется требованиями получения наибольшего возможного значения магнитной индукции В до 1,5—2,0 Тл [5]. Фиксированный объем магнитной жидкости в цилиндрическом стакане усиливает магнитное поле соленоида до 10 раз, так как магнитная проницаемость магнитной жидкости цж = 10 [5].
Латунный шток-поршень в продольном магнитном поле соленоида. Испытания в продольном магнитном поле соленоида (рис. 2, а). С возрастанием магнитной индукции от 0,5 и до 1,5 Тл наблюдается незначительное увеличение скорости перемещения латунного штока-поршня в 1,6 раз (рис. 3). Данный факт указывает на то, что с повышением величины магнитной индукции В соленоида, в результате увеличения силы электрического тока происходит постепенное увеличение температуры каркаса катушки индуктивности до 40°, что приводит к постепенному уменьшению вязкости магнитной жидкости в цилиндрическом зазоре. В этом случае температура мало влияет на ее вязкость. Вязкость магнитной жидкости еще незначительно изменяется, оказывая сопротивление движению латунного штока-поршня в цилиндрическом зазоре. Подтверждением этому выводу являются полученные очень малые значения скорости перемещения латунного штока-поршня или скорости релаксации магнитной жидкости в цилиндрическом зазоре (рис. 3).
Внутри соленоида силы Лоренца не возникает, так как векторы скорости перемещения штока-поршня и магнитной индукции B коллинеарны. Вне соленоида магнитное поле в зоне
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.