Применение магнитореологических жидкостей для виброзащиты от стохастических нагрузкок

УДК. 621.752.3

12 2 12 2 Б.А. Гордеев ' , А.Б. Дарьенков , С.Н. Охулков ' , А.С. Плехов

ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ ВИБРОЗАЩИТЫ ОТ СТОХАСТИЧЕСКИХ НАГРУЗКОК

Институт проблем машиностроения Российской Академии наук (ИПМ РАН)1,

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Объект исследования: демпфер стохастических нагрузок с магнитореологическим тррансформатором. Цель: применение магнитореологических жидкостей в системах демпфирования стохастических нагрузок силовых электромеханических установок и механического оборудования.

Результаты: Рассмотрены процессы, возникающие в магнитореологических жидкостях при действии стохастических нагрузок. Рассмотрены физические предпосылки управления характеристиками магнитореологических жидкостей с учетом внутренних электромагнитных полей.

Область применения: магнитореологические жидкости применяются в системах демпфирования стохастических нагрузок силовых электромеханических установок и механического оборудования.

Ключевые слова: магнитореологический трансформатор; магнитореологическая жидкость; дроссельный канал; обмотка соленоида; индуцированные импульсы; внутреннее управляющее магнитное поле.

Введение

Постоянное повышение мощностей силовых электромеханических установок и механического оборудования приводит к возрастанию уровней и расширению вибрационного спектра колебаний, влияющих на надежность и безопасность их функционирования, что обусловливает необходимость совершенствования виброзащитных систем и внедрение новых технических решений. Перспективной в настоящее время является разработка демпферов колебаний стохастических нагрузок с магнитореологическими трансформаторами (МРТ). В них диссипация энергии колебаний происходит в магнитореологических средах [1, 2, 3].

В работе рассматривается подход к решению актуальной задачи по исследованию свойств магнитореологических жидкостей (МРЖ) под действием стохастических нагрузок с учётом действия внутренних и внешних электромагнитных полей [4, 5]. Рассмотрены процессы, возникающие в МРЖ при действии стохастических нагрузок, также физические предпосылки управления характеристиками МРЖ с учетом внутренних электромагнитных полей. Ограничением выбора МРЖ для данных задач является появление индуцированных электромагнитных импульсов на обмотке соленоида, предназначенного для создания внутреннего управляющего магнитного поля. Амплитуда и длительность этих импульсов являются функцией стохастических нагрузок. Их влияние необходимо учитывать при разработке магнитореологических демпферов. Приводится схема экспериментальной установки для стохастических испытаний одноканального индукционного магнитореологического демпфера стохастических нагрузок, обсуждаются полученные результаты исследований.

Процесс создания интегральных демпферов (гидроопор) связан с применением МРЖ, в инерционных МРТ систем демпфирования вибрации и ударов для электротехнических комплексов [1- 3]. Поэтому одной из актуальных задач является исследование свойств МРЖ под действием нестационарных вибронагрузок. Возможность управления магнитной вязкостью МРЖ в дроссельных каналах МРТ под действием внутренних и внешних электромагнитных полей подтверждено экспериментально [4, 5].

При описании движения магнитореологических и электрореологических сред при действии магнитного поля принимаются следующие условия [4, 6, 7]:

ЮоТ<<1,

© Гордеев Б.А., Дарьенков А.Б., Охулков С.Н., Плехов А.С., 2015.

где Шо - ларморова частота прецессии для ионизированных молекул рабочей жидкости; т -среднее время свободного пробега ионизированной частицы, электропроводность - у - велика, следовательно

в ю п

— — «I,

4п у

где ш - частота внешнего сигнала, s - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

При дросселировании электрореологической жидкости в магнитном поле возникает индукционный ток с плотностью:

ц

С

где c - скорость света; H - напряженность внешнего магнитного поля; V - скорость протекания электрореологической жидкости [4, 7].

С целью проверки действия стохастического механического импульса на одноканаль-ный индукционный МРТ была создана экспериментальная установка для стохастических испытаний. Функциональная схема установки представлена на рис. 1.

j=1 [VH ],

2

Рис. 1. Функциональная схема экспериментальной установки для стохастических испытаний одноканального индукционного магнитореологического демпфера в момент механического удара падающего груза

На рис. 1 показано: 1 - измерительная линейка; 2 - указатель высоты с нониусом; 3 -шток; 4 - цилиндрический диамагнитный латунный груз; 5 - нижнее основание - силовой постоянный неодимовый магнит; 6 - индукционный МРТ с соленоидом; 7 - электронный запоминающий осциллограф; 8 - виброграмма механического удара; 9 - электрический индуцированный сигнал

Особенностью установки стохастических испытаний магнитореологического демпфера с индукционным МРТ является применение соленоида, в обмотке которого индуцируются электрические токи при перемещении стальной стержневой части винта-пробки в дроссельном канале. В качестве нижнего основания применён неодимовый постоянный магнит, создающий неоднородное магнитное поле и пронизывающее магнитореологический демпфер.

Неодимовые постоянные магниты обладают магнитной силой и магнитной индукцией до 1,45 Тл [8].

Были проведены эксперименты по выявлению на выходе соленоида МРТ разности потенциалов и1, возникающей в результате удара. При проведении экспериментов применялась МРЖ, с частицами магнетита (Бе3О4) в неоднородном магнитном поле неодимового постоянного магнита. Размер частиц МРЖ ё в пределах 60-100 нм.

Под действием ударного (рис. 1) механического импульса при движении МРЖ и перемещения стержневой части винта-пробки в дроссельном канале МРТ и воздействия постоянного магнитного поля неодимового постоянного магнита 5 в соленоиде МРТ наводятся -индуцируются электрические токи, которые на разомкнутой обмотке соленоида создают разность потенциалов и1. Разность потенциалов фиксируется электронным запоминающим осциллографом (рис. 1).

При проведении экспериментов были зафиксированы индуцированные электрические сигналы с экрана запоминающего осциллографа, что указывало на индукционные электрические токи, возникающие в соленоиде МРТ вследствие ударов цилиндрического парамагни-ного (латунного) груза (рис. 1).

На рис. 2 приведена осциллограмма индуцированного электрического сигнала на выходе индукционного МРТ соответствующая поглощённой энергии удара в 2,5 Дж. Это происходит при механическом ударе груза массой в 1,0 кг. Положительная амплитуда сигнала -620 мВ; отрицательная амплитуда - 800 мВ; период электрического импульса - 2,0 мс.

2В0ти л— 2.eee»w

Рис. 2. Осциллограмма индуцированного электрического сигнала на выходе индукционного МРТ при механическом ударе, высота падения груза 100 мм, масса груза 1,0 кг

Положительная и отрицательная амплитуды индуцированного электрического напряжения при механическом ударе зависят от высоты падения груза (рис. 3). Таким образом, высоты падения груза определяют величину энергии удара, которая гасится виброопорой с индукционным МРТ.

Наибольшая отрицательная амплитуда индуцированного электрического сигнала (рис. 3) после падения груза с высоты в 225 мм объясняется отдачей резинометаллической обечайки индукционного МРТ. Жидкостное магнитное трение МРЖ оказывает малое сопротивление течению МРЖ и перемещению внутри дроссельного канала стержневой части винта-пробки МРТ (рис. 1), так как скорость возврата рабочего объёма МРТ в исходное состояние большая. В этом случае скорость течения МРЖ в дроссельном канале МРТ наибольшая, а при наибольшей скорости течения МРЖ в дроссельном канале при действии постоянного магнитного поля в соленоиде индуцируется наибольшая отрицательная амплитуда электрического сигнала.

Магнитная сила, создаваемая движением МРЖ в дроссельном канале МРТ с проница-

емостью ц от давления в рабочей камере и магнитной индукцией внешнего магнитного поля постоянного магнита, определяется как I х В = -grad рм, где В - индукция магнитного поля, рм - магнитное давление [6, 7].

Рис. 3. Зависимости положительной и отрицательной амплитуд индуцированного электрического сигнала при механическом ударе груза от высоты H падения груза. Масса груза 1,0 кг:

1- отрицательная максимальная амплитуда сигнала; 2 - положительная максимальная амплитуда сигнала

Магнитное давление представлено в виде

Рм =

H2

8п

где ц - относительная магнитная проницаемость МРЖ. Для статических условий из уравнения следует, что

Р + Рм = 0 и Р = - Рм-Это означает, что в условиях статического равновесия любое изменение механического давления р МРЖ должно компенсироваться противоположным изменением магнитного давления рм, что должно быть отражено через единицы измерения в системе СИ.

В МРЖ создается градиент давления [7], уравновешивающий составляющую электромагнитной силы

тэ2 Ф Y • v • ц-B = — ,

dz

где единицы измерения в системе СИ [6]: у [См] - электропроводность МРЖ,

3 2 3

1См = А/В = с •А /(кг-м ); V [м/с] - скорость МРЖ в дроссельном канале; В [Тл] - магнитная индукция, 1Тл = В-с/м2 = кг/(с2-А); р[Па] =Н/м2 = кг/(с2-м); ъ [м] - длина дроссельного канала; ц = 10 - относительная магнитная проницаемость МРЖ.

Для магнитореологического демпфера «упругое» действие внешнего магнитного поля на МРЖ основано на его силовом воздействии. Здесь созданное им магнитное давление велико, по сравнению с остальными динамическими факторами: гидравлическим динамическим давлением и инерциальными силами [7], создаваемыми при течении МРЖ в дроссельном канале, когда

ц-H2 р • v2 ц-H2

>>--, —->> p ,

8л 2 8л

где р - плотность МРЖ.

Далее оценим магнитную силу магнитного поля в дроссельном канале соленоида, которая препятствует механическому давлению МРЖ в дроссельном канале при действии механического удара по МРТ.

Сила падающего груза массой m = 1,0 кг с высоты в Н = 0,6 м при скорости падения

уг = 0,6 м/с, ускорении свободного падения g = 9,81 м/с и длительности удара взятой из осциллограммы, равной ^ = 1,0 мс (рис. 2) определена как [6]:

1'0 •0'6.=600 Н.

F = m-v^

L

1,0 -10

-3

При такой силе удара груза создаваемое давление на опорную плату обечайки МРТ

(рис.1) площадью Son = 0,707-10 м2 определяется как [6]:

P=-

F

600 Н

S

ОП

0,707 -10-3 м2

= 848-10

Н

м

2

Определим магнитную силу - магнитное давление, создаваемое в дроссельном канале МРТ [7], при минимальной напряжённости магнитного поля Н = 20-10 А/м (рис. 4).

лЗ\2 _ ЛГ1Л ЛГ6

P

М

H2

8п

(20 -103)2 = 160 -106 А2/ 8я '

2/2 М .

Именно такое магнитное давление и создает магнитную силу, которая и препятствует механическому давлению МРЖ на входе/выходе дроссельного канала МРТ при действии магнитного поля постоянного магнита, и оно превышает гидравлическое давление МРЖ. Тогда отношение давлений pM ир будет равно:

P

М

P

160-10

6

= 188,6.

0,848-106

Здесь магнитное давление Рм от магнитного поля постоянного магнита в 188,6 раз больше гидравлического давления Р от действия инерционной нагрузки падающего груза, что составляет 45 дБ.

Отношение давлений Рм и Р показывает, что при работе магнитореологического демпфера желательна наибольшая намагниченность МРЖ.

На рис. 4 представлены зависимости динамической вязкости образцов МРЖ (МРЖ-1 и МРЖ-2) для различных значений напряженности магнитного поля Н.

45 40 35 30 25 20 15 10

t}(H), мПас МРЖ-2 •

* y^i * ___ _—•—' ♦ МРЖ-1

^ ___— # Н,КА/м

100

200

300

400

500

Рис. 4. Зависимости изменения динамической вязкости для МЖ-1 и МЖ-2 от напряженности магнитного поля

Выводы

В работе рассмотрен подход к решению актуальной задачи по исследованию свойств магнитореологических жидкостей под действием стохастических, в том числе ударных, нагрузок и действия внутренних и внешних электромагнитных полей в магнитореологиче-ском демпфере. Приведена схема экспериментальной установки испытаний магнитореологи-

ческого демпфера случайных нагрузок. Получены результаты исследований. Определена магнитная сила - магнитное давление магнитного поля в дроссельном канале соленоида МРТ, препятствующее механическому давлению МРЖ в дроссельном канале при действии механического удара по МРТ, что позволило оценить демпфирование механического удара.

Проведённый анализ положительной и отрицательной амплитуд индуцированного электрического сигнала при механическом ударе груза позволяет выбрать соответствующую МРЖ для различных МРТ электротехнических комплексов.

Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект №15-19-10026).

Библиографический список

1. Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипации реологических сред / Б.А. Гордеев [и др.]. - М., 2004. - 175 с.

2. Гордеев, Б.А. К вопросу создания цилиндрического магнитореологического трансформатора в ортогональных магнитных полях / Б.А. Гордеев [и др.]. // Проблемы машиностроения и надёжности машин. - 2014. - №2. - С. 15-21.

3. Гордеев, Б.А. Применение магнитореологических жидкостей в машиностроении / Б.А. Гордеев [и др.] // Приволжский научный журнал. - 2014. - № 4. - С. 29-42.

4. Гордеев, Б.А. Влияние внешнего магнитного поля на плотность потока энергии в магнито-реологическом трансформаторе / Б.А. Гордеев [и др.] // Проблемы машиностроения и надежность машин. - 2004. - №4. - С. 100-104.

5. Гордеев, Б.А. Течение и релаксация магнитореологической жидкости в дроссельных каналах гидроопор / Б.А. Гордеев [и др.] // Вестник машиностроения. - 2015. - №7. - С. 59-63.

6. Яворский, Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. - М.: Наука, 1964.

7. Кухаркин, Е. С. Инженерная электрофизика. Техническая электродинамика: учебник для вузов / Е. С. Кухаркин; под ред. П. А. Ионкина. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1982. - 520 с.

8. Михайлин, С.В. Постоянные магниты из магнитопластов / С.В. Михайлин, В.Д. Житковский // Справочник. - 1999. - №9(30). - С. 8-9.

Дата поступления в редакцию 15.10.2015

Gordeev, B. A.1,2, Darenkov A. B.2, Okhulkov S. N.1,2, Plekhov A. S. 2

STUDY OF MAGNETORHEOLOGICAL FLUIDS FOR VIBRATION ISOLATION BEARINGS UNDER SHOCK NAGRUZKAKH

Institute of problems of mechanical engineering Russian Academy of Sciences" (KIAM RAS)1, Nizhny Novgorod state technical University n. a. R. E. A^eev

The object of study: a shock damper with magnetorheological transformation.

Objective: the use of magnetorheological fluids in systems for damping of shock loads of power electromechanical installations and mechanical equipment.

Results: the processes that occur in magnetorheological fluids under the action of shock loads. The physical background of the management characteristics of magnetorheological fluids with regard to the internal electromagnetic fields.

Application field: magneto-rheological fluid used in the systems of damping of shock loads of power electro-mechanical installations and mechanical equipment.

Key words: magnetorheological transformer; magnetorheological fluid; throttle channel; the winding of the solenoid; induced pulses; controlling the internal magnetic field.