ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 1, 2008
УДК 621.752
© 2008 г. Гордеев Б.А., Синев A.B., Копытов И.Н., Охулков С.Н.
ОСОБЕННОСТИ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИКИ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
С целью проверки теоретических и экспериментальных зависимостей динамических характеристик магнитореологических жидкостей и определения магнитных свойств были проведены эксперименты по измерению протекания их средней скорости в зависимости от величины напряженности внешнего магнитного поля. Рассмотрены вопросы по метрологическому обеспечению экспериментальных исследований и сформулированы требования к применяемым средствам измерения и контроля.
В работах [1, 2] исследованы процессы взаимодействия движущейся магнитореологи-ческой среды с внешними электромагнитными полями. Показано, что с помощью внешних полей можно управлять характеристиками магнитореологических трансформаторов, используемых в системах гашения вибраций. Первые экспериментальные работы в этом направлении показали перспективность применения магнитореологических трансформаторов в системах виброизоляции и ударных воздействий [3].
Однако они же поставили ряд вопросов метрологического характера, требующих разрешения.
1. Для измерения средней скорости Уср магнитореологических жидкостей в дроссельных каналах перестраиваемых гидроопор потребовалось разработать установку с бесконтактным магнитореологическим преобразователем (рис. 1). На первой платформе каркаса над преобразователем в дроссельном канале, устанавливается электромагнит, который возбуждается изменяющимся по величине постоянным током.
Возбуждающий электромагнит создает изменяющееся по величине магнитное поле в дроссельном канале для управления средней скоростью магнитореологической жидкости и располагается, как правило, между емкостью, заполненной магнитореологической жидкостью и магнитореологическим преобразователем. Сердечник возбуждающего электромагнита выполняется шихтованным, т.е. из листов электротехнической стали. Торцы его полюсов направлены навстречу друг другу (рис. 2), создавая зазор порядка 1,5-3 мм, в котором помещен дроссельный канал, выполненный из полихлорвиниловой трубки диаметром 6-8 мм и общей длиной 0,5-1 метр. Сечение дроссельного канала в этом месте деформируется и принимает в первом приближении форму (образующую) двухлепестковой "розы" (лемниската Бернулли) [4].
Бесконтактный магнитореологический преобразователь устанавливается на второй платформе под возбуждающим электромагнитом. Дроссельный канал в установке также проходит через преобразователь. Дроссельный канал соединен с емкостью, заполненной магнитореологической жидкостью и выполненной в виде стеклянной колбы с пробкой вверху и краником внизу, установленной и закрепленной на штативе посредством зажима.
Соединенный с емкостью дроссельный канал направлен вертикально и проходит последовательно через возбуждающий электромагнит (рис. 2) и преобразователь с дифференциальным измерительным усилителем. Усилитель выделяет и усиливает выход-
Рис. 1. Установка для измерения скорости V магнитореологических жидкостей: 1 - каркас; 2 - вспомогательный возбуждающий электромагнит; 3 - дроссельный канал из полихлорвиниловой трубки внутренним диаметром 7 мм и общей длиной 1 метр; 4 - бесконтактный магнитореологический преобразователь; 5 - первая платформа; 6 - емкость в виде стеклянной колбы с магнитореологической жидкостью 7; 8 -вторая платформа; 9 - верхняя пробка; 10 - нижний краник; 11 - штатив; 12 - зажим; 13 - приемная емкость; 14 - общая платформа установки; 15 - дифференциальный измерительный усилитель; 16 - частотомер; 17 - источник постоянного тока (блок питания) для возбуждения током электромагнита; 18 -осциллограф; 19 - трансформатор переменного напряжения; 20 - лабораторный стол Рис. 2. Вспомогательный возбуждающий электромагнит: 1 - сердечник из шихтованного железа, 2 - катушка возбуждающего электромагнита, 3 - дроссельный канал, 4 - трубка дроссельного канала, 5 - винты крепления
ной сигнал с преобразователя, представляющий разностное напряжение ~Дим(0, пропорциональное средней скорости магнитореологической жидкости в чувствительном элементе преобразователя.
Из емкости магнитореологическая жидкость поступает в дроссельный канал и проходит через возбуждающий электромагнит и преобразователь и далее стекает в приемную емкость, установленную на общей платформе установки.
К общей платформе установки закрепляется каркас, на котором произведен монтаж основных узлов экспериментальной установки с дифференциальным измерительным усилителем. Усилитель соединен с частотомером, подсчитывающим число импульсов выходного сигнала дифференциального усилителя. Выходной сигнал усилителя несет информацию о средней скорости магнитореологической жидкости.
Установка для измерения скорости магнитореологических жидкостей устанавливается на лабораторном столе, на котором также устанавливаются источник постоянного тока для возбуждения электромагнита, частотомер и осциллограф для регистрации разностного напряжения ~Дим(0, пропорционального средней скорости потока магнитореологической жидкости в преобразователе.
2. Выходные импульсы ^вых дУ - полупериоды на выходе дифференциального усилителя подсчитываются при помощи частотомера, тем самым определяется скорость Уср в дроссельном канале преобразователя (рис. 3). Определение скорости Vср в дроссельном канале преобразователя проводится по формулам Vср = Ьк/Гпж, Тпж = N1 = N/2^,, т = Гв/2 = 1/2^в, где
и
вых. ДУ
оп
Рис. 3
Рис. 4
Ьк - рабочая длина проходного дроссельного канала преобразователя; Тпж - время присутствия магнитореологической жидкости в дроссельном канале преобразователя; N -число импульсов, снимаемых с выхода дифференциального усилителя и подсчитываемое при помощи частотомера; т - длительность выходных импульсов дифференциального усилителя; Тв - время или период возбуждения преобразователя; - частота возбуждения преобразователя.
3. Чтобы построить зависимости скорости течения магнитореологической жидкости в дроссельном канале от величины напряженности внешнего магнитного поля, необходимо выбрать параметры вспомогательного возбуждающего электромагнита экспериментальной установки [5-7].
Принято, что проектирование возбуждающего электромагнита включает в себя расчет магнитной цепи для определения числа витков и силы тока.
Исходными данными для проектирования являются выбранные геометрические параметры ярма и полюсов электромагнита, напряжение возбуждения ив, удельная электрическая проводимость у проводника катушки индуктивности и магнитные характеристики |(Н) ферромагнитного материала, из которого изготовляется стальной магнито-провод электромагнита. Катушка индуктивности возбуждающего электромагнита намотана медным проводом диаметром 0,16 мм; сечением медной жилы 5пр = 0,02001 мм и содержит количество витков, равное N = 6580.
4. Магнитную цепь рассчитывают из условия получения требуемой напряженности магнитного поля И§ в воздушном зазоре 5 сердечника магнитопровода возбуждающего электромагнита [5, 6]. Магнитная цепь электромагнита показана на (рис. 4: ПР - поток рассеяния, ОП - основной поток).
При расчете необходимо иметь в виду, что при значениях Н5 < Нт снижается возбуждение электромагнита. При увеличении Н5 возбуждение становится выше, резко возрастает магнитодвижущая сила обмотки возбуждения и мощность, потребляемая возбуждающим электромагнитом. Оптимальное действующее значение напряженности магнитного поля в воздушном зазоре составляет Н5 = (1,65-1,8)Нт [5, 6].
Выбрав значение Нт, можно определить магнитный поток Ф5т, проходящий в воздушном зазоре. Магнитный поток в зазоре однозначно связан с потоком в возбуждающем электромагните Ф5 = кФв. Значение коэффициента к принимаем равным к = 1.
Рассчитаем требуемую напряженность магнитного поля в воздушном зазоре возбуждающего электромагнита установки. Для этого воспользуемся эмпирической формулой для магнитной индукции в магнитопроводе возбуждающего электромагнита [5, 6] В[Т] = (|л,0|л,е^Де)(ив/Ка) или то же самое для напряженности магнитного поля в магнитопроводе возбуждающего электромагнита
а
Ь
Де N, Uв
H = -VV, (D
le Ra
где Де - относительная магнитная проницаемость магнитопровода вспомогательного электромагнита; Nв - количество витков в катушке электромагнита; 1е - длина средней магнитной линии в магнитопроводе; Яа - активное сопротивление катушки электромагнита; ив - напряжение возбуждения электромагнита.
Активное сопротивление катушки электромагнита определяется как
Рм С, Pм2пNв r
rf _ г м пр _ г м в /ОЛ
Ка = _ S , (2)
^пр ^пр
где рм - удельное сопротивление материала проводника катушки; l - длина провода на катушке возбуждающего электромагнита; r - радиус катушки; S - площадь сечения провода катушки.
Измеренное активное сопротивление катушки индуктивности возбуждающего электромагнита составило величину, равную Яа = 400 Ом.
Подставив (2) в (1), получим
H = и . (3)
1е Рм2 Ш в
Требуемую напряженность магнитного поля в воздушном зазоре возбуждающего электромагнита установки можно рассчитать, подставив в (3) выражение для относительной магнитной проницаемости [5, 6] Де = 1е/5, где 5 - суммарная толщина воздушного зазора магнитопровода возбуждающего электромагнита (рис. 2). Числовое значение относительной магнитной проницаемости равно Де = 1е/5 = 140/3 = 46,66.
Таким образом, выражение (3) для H5 в воздушном зазоре сердечника магнитопровода возбуждающего электромагнита принимает вид
H5 = 5Рпр- U в. (4)
5 5Рм2ПГ в
Возьмем данные катушки индуктивности возбуждающего электромагнита экспериментальной установки, при воздушном зазоре сердечника магнитопровода 5 = 3 мм:
2 2 5пр = 0,02001 мм , r = 15 мм, рм = 0,0175 (Ом ■ мм /м) - удельное сопротивление медного
провода катушки. Далее определим H5 в воздушном зазоре 5 возбуждающего электромагнита.
Подставив в выражение (4) числовые значения исходных параметров электромагнита, получаем, что напряженность магнитного поля в воздушном зазоре магнитопровода возбуждающего электромагнита определяется выражен
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.