Разработка метода расчёта и конструкции магнитореологических трансформаторов гидроопор
на правах рукописи
Охулков Сергей Николаевич РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЁТА И КОНСТРУКЦИИ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ГИДРООПОР Специальность: 01.02.06 Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Нижний Новгород 2011 г.
Работа выполнена в Нижегородском филиале Учреждения Российской академии наук Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН доктор технических наук
Научный консультант:
Гордеев Борис Александрович.
доктор физико-математических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Киселёв Михаил Иванович.
доктор физико-математических наук, профессор Дерендяев Николай Васильевич.
Нижегородский государственный технический
Ведущая организация:
университет им. Р. Е. Алексеева.
Защита состоится « 17 » ноября 2011 г. в 1500 час на заседании диссертационного совета Д 212.166.09 при Нижегородском государственном университете им. Н. И.
Лобачевского по адресу: 603950, ГСП 1000, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, д. 23, корп. 6.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственого университета им. Н. И. Лобачевского.
Автореферат разослан « 14 » октября 2011г.
Ученый секретарь диссертационного совета, / Л.А. Игумнов / доктор физико-математических наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
.
Актуальность работы.
Тема диссертационной работы “Разработка метода расчёта и конструкции магнитореологических трансформаторов гидроопор” продиктована актуальностью проблемы снижения уровней вибрации и шума транспортных средств и стационарных энергетических установок. Защита от вибрации является актуальной проблемой современного машиностроения, поскольку надежность и безопасность функционирования оборудования и работы оператора зависит от эффективности систем виброзащиты. Постоянное повышение скоростей движения и мощностей силовых установок приводит к возрастанию уровней и расширению вибрационного спектра колебаний, действующих на конструкцию, что обуславливает необходимость совершенствования виброзащитных систем и внедрение новых технических решений без снижения жесткости опор в заданной частотной области. Применяемые в промышленности резинометаллические опоры, демпфирующие вибрацию двигателя, имеют резонансный характер амплитудно - частотной характеристики (АЧХ);
малое время релаксации;
снижение демпфирующих свойств, при длительной работе опоры (теплоотвод от резиновой основы незначителен). В результате опора теряет со временем демпфирующие свойства. В настоящее время актуальной является задача разработки нового поколения виброопор, работа которых основана на иных физических принципах. Наиболее перспективным в настоящее время направлением является разработка гидроопор с магнитореологическим трансформатором (МРТ).
В них диссипация энергии колебаний двигателя происходит в средах с магнитореологическими жидкостями (МРЖ) и электрореологическими жидкостями (ЭРЖ), а теплоотвод в основном, обеспечивается металлическим корпусом.
Цель и задачи работы.
Цель диссертационной работы состоит в создании эффективных средств гашения вибрации и шума. Работа средств гашения вибрации основана на диссипации энергии колебаний в средах с магнитореологическими свойствами. При этом решались следующие исследовательские и технические задачи.
Исследовательские задачи:
a) – исследование качественных динамических показателей гидроопор по экспериментальным зависимостям их АЧХ и динамическим характеристикам, полученным через передаточные функции гидроопор;
b) – Установление характера течения МРЖ и ЭРЖ в дроссельных каналах МРТ гидроопоры при действии инерционной нагрузки;
c) – исследование свойств МРЖ и магнитных жидкостей (МЖ), исследование свойств и течения МЖ в проходном одиночном дроссельном канале в зависимости от направления и напряженности внешнего электромагнитного поля.
Технические задачи:
a) – разработка конструкции перестраиваемых гидроопор на основе кольцевого индукционного МРТ и поглощения энергии в магнитных жидких и вязкоупругих средах для создания нового поколения средств гашения вибрации и шума;
b) – разработка блока управления МРТ внешним электромагнитным полем при изменении динамических характеристик входного вибросигнала с цифровым коммутатором схем источников намагничивающего тока возбуждающих электромагнитов (ВЭ) и их концепция управления в МРТ;
c) – разработка экспериментальной установки по измерению средней скорости течения МРЖ в дроссельном канале;
d) – разработка экспериментальной установки по измерению скорости, времени релаксации МЖ и аномальной магнитной вязкости в индукционном дроссельном канале.
Научная новизна работы.
Новыми являются следующие результаты работы:
- Разработан метод расчета гидроопор при их проектировании по заданным требованиям на АЧХ на основе теории четырехполюсников. Построена физическая модель гидроопоры. Уста новлен вид её передаточной функции. Определены через нули и полюса передаточной функции АЧХ, динамические податливость и резонансы гидроопоры. Разработана концепция перестройки гидроопоры на заданные частоты;
- предложена информационная модель гидроопоры с МРТ и её оптимальное управление с применением микро-ЭВМ в системе автоматического регулировая (САР);
- рассмотрены физические основы действия и конструкция МРТ гидроопор на основе кольцевого МРТ с элементами адаптивной настройки и электромеханического преобразования, осуществлено построение магнитной системы МРТ;
- разработана концепция блока управления МРТ внешним электромагнитным полем при изменении динамических характеристик вибросигнала с цифровым коммутатором схем источников намагничивающего тока ВЭ МРТ гидроопоры;
- установлено, что для виброгашения ударных нагрузок наиболее подходит применение магнитореологических заполнителей – МРЖ с доменами в несколько десятков нанометров;
- разработаны экспериментальные установки по измерению средней скорости течения МРЖ в индукционном дроссельном канале, скорости и времени релаксации МЖ в магнитном поле.
- получены экспериментальные зависимости скорости протекания МРЖ, аномальной вяз кости, скорости и времени релаксации МЖ от величины внешнего постоянного магнитного поля.
Практическая ценность работы.
Проведенные исследования позволяют разрабатывать новое поколение гидроопор с МРЖ и МЖ с широким частотным и динамическим диапазоном с осуществлением обратной связи, дающей проводить настройку и выбор параметров гидроопор с МРТ. Практическая ценность работы обусловлена её прикладной и перспективной направленностью на создание современных эффективных средств виброзащиты.
Результаты диссертации были получены при выполнении работ по:
– Плану основных заданий НФ ИМАШ РАН 2004-2008 г.г. по теме «Волны деформации в структурно-неоднородных материалах и элементах конструкций» (научные руководители, профессора Ерофеев В.И., Потапов А.И., Гордеев Б.А.);
– Гранту РФФИ: «Теоретическое и экспериментальное исследование волновых процессов в подземных сооружениях и методы их подавления на путях распространения в окружающую среду» (2004-2007 г., №05-01-004406-а);
– Гранту РФФИ: «Системы виброизоляции с внутренними инерционно-демфирующими элементами для защиты операторов мобильных машин и инженерных сооружений рельсового и дорожного транспорта. Теория. Эксперимент. Компьютерное моделирование» (2007-2010 г.г., № 08-08-97057-Р).
– Гранту РФФИ: «Нелинейная волновая динамика и устойчивость роторных систем» (2011г., № 11-08-97066-Р_Поволжье).
Методы исследования.
Теоретические исследования выполнены на основе теорий четырёхполюсников, гидродинамики, электромагнитного поля, магнитогидродинамики и методов расчета электромагнитных систем. Теоретические исследования подтверждены экспериментами с использованием экспериментальных стендов, установок и компьютеров.
Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на базе лаборатории «Виброзащиты машин» НФ ИМАШ Института машиноведения им. А.А.
Благонравова РАН. Ряд экспериментальных данных были получены на предприятиях ООО «Триботехника» и ООО «Виброзащита».
Достоверность Полученные результаты и выводы согласуются с положениями механики сплошных сред, теории электромагнитного поля, магнитогидродинамики, а также совпадением экспериментальных результатов с результатами теоретических расчетов.
Научные положения выносимые на защиту:
Метод расчёта динамических характеристик гидроопор при их настройке на заданные частоты вибросигнала на основе теории работы режекторного фильтра.
Применение теории четырёхполюсников. В качестве модели использована модель режекторного фильтра с заданной передаточной функцией.
Метод перестройки гидроопор на заданные частоты вибросигнала путём управления потоком магнитной жидкости внешним магнитным полем.
Предложение по активному управлению МРТ гидроопоры с замкнутой системой автоматического регулирования с применением микро-ЭВМ.
Расчёт характера течения МРЖ в дроссельных каналах МРТ (турбулентное течение) при действии инерционной нагрузки.
Построение МРТ и проектирование его магнитной системы для сильных (В = 2 Тл) полей ВЭ с железным ярмом.
Решение сложной технической задачи управления МРТ с минимальной остаточной индукцией ферромагнитных сердечников ВЭ создание режима их Вост.
намагничивания/размагничивания, при изменяющемся синфазно управляющем магнитном поле с изменением частоты вибросигнала.
Выявление свойств МЖ в магнитном поле (Fe3О4 – Н = 80103 А/м и M(Н) = 446I03 А/м, Т = 298 К), и влияние размера частиц МЖ на работу индукционного МРТ.
Экспериментальные данные измерения скорости течения МРЖ в дроссельном канале при атмосферном давлении в собственном поле тяжести в диапазоне от Н = 0 кА/м до Н = 142кА/м, и сопоставление их с расчетами.
Экспериментальные данные измерения скорости и времени релаксации МЖ от постоянной магнитной индукции в диапазоне от В = 0,6 Тл до В =1,2 Тл, подтверждающие возникновение аномальной магнитной вязкости в индукционном дроссельном канале.
Внедрение результатов работы:
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, НФ ИМАШ РАН, ООО «Триботехника», ООО «Виброзащита».
Апробация работы:
Основные результаты диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них 5 тезисов докладов на международных и российских конференциях. По результатам исследований разработаны модели конструкций гидроопор с МРТ, которые позволяют разрабатывать новое поколение гидроопор с применением МРЖ и МЖ.
Личный вклад соискателя:
В совместных работах, отражённых в публикациях научному руководителю принадлежит постановка задачи и идея расчёта динамических характеристик гидроопор на основе теории четырёхполюсников и работы режекторного фильтра для целей настройки гидроопор на заданные частоты вибросигналов. Лично автором предложены: расчёт динамических характеристик гидроопоры через нули и полюса её передаточной функции;
построение физической модели гидроопоры с МРТ с САР;
конструкциии гидроопор с МРТ с ВЭ на основе гидроопор ОГ-90;
расчёт электромагнитной системы с ВЭ;
концепция построения блока управления МРТ с коммутацией ВЭ. Под руководством соискателя с аспирантами П.Н.
Морозовым и А.Н. Осмехиным разработаны все экспериментальные установки и проведены все исследования, обработка результатов измерений и сравнение их с теоретическими расчетами.
Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы лично автором. Вклад соискателя в проведённую работу составляет не менее 70-ти %.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из наименований. Также в диссертации содержится 89 рисунков и 27 таблиц. В конце каждой главы содержатся выводы по решаемым задачам и рассматриваемым вопросам.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, научная и техническая новизна, связанная с созданием эффективных виброзащитных устройств и практическая ценность выполненных исследований. Отражены основные положения, выносимые на защиту, кратко излагаются содержание и выводы диссертации.
Отмечаются работы российских и советских ученых в области Первая глава.
виброзащиты машин и силовых агрегатов. Исследованиями в данной научно-технической области ещё c 5060-х годов занимались: В.А. Глух, П.И. Груздев, А. Д. Дербаремдикер, И.Г.
Пархиловский, Р.В. Ротенберг, Е.А. Чудаков, В.Г. Цимбалин. Дальнейшие работы В.Е.
Тольского, Н.Ф. Бочарова, К.В. Фролова, В.Н. Ляпунова, В.Н. Луканина, Г.В. Латышева, Р.Ф.
Ганиева, Г.Д. Чернышева, Ф.М. Диментберга, Я.М. Певзнера позволили создать традиционные средства виброзащиты, которые исчерпали свой потенциал.
Возникла проблема поиска новых технических решений в области виброзащиты машин.
Теоретические положения первого направления - активной виброзащиты автомобилей – это работы К.В. Фролова, А.В. Синева, В.Д. Шарапова, ИМАШ РАН.
Второе направление - создание интегральных гидроопор, это работы Б.А. Гордеева, Ерофеева В.И, А.В. Синева, А.Г., О. О. Мугина, А. И. Весницкого, С.О. Лазарева, В.В. Фролова, С.К. Карцова, В.С. Бакланова, А. Г. Чистякова, Е. И. Абакумова. - ИМАШ и НФ ИМАШ РАН.
В настоящее время разработаны новые способы виброзащиты с использованием гидроопор (рис.1,а). Конструкции интегральных гидроопор содержат не менее двух камер, рабочую и компенсационную, заполненных рабочей жидкостью. Упругие свойства гидроопоры формируются в основном, за счет эластичной обечайки, к которой добавляется гидравлическая система. При этом жидкость является масс-инерционной и диссипативной компонентой.
Демпфирование колебаний в опо ре происходит за счет массы колеблющейся жидкости в полостях 3, деформации подвиж ной гофрированной мембраны и упругой перегородки 7, а также за счет дросселирования опреде ленного количества жидкости через перепускные каналы 8.
Рис. 1. а) Конструкция гидроопоры ГО – 90: 1 - плата;
2 - обечайка;
3 - жидкостные камеры;
4 корпус;
5 - мембрана;
6 - поддон;
7 - перегородка;
8 - перепускные каналы;
б) Базовая схема линейной системы виброизоляции с одной степенью свободы.
Одной из возможных дальнейших модернизаций гидроопоры является применение МРЖ, заполняющих рабочий объём гидроопоры. Основой такой модернизации гидроопор является активная рабочая среда с изменяющимися реологическими характеристиками. Модернизация предполагает использование гидравлических трансформаторов, настроенных на определенные частоты возбуждения вi, которые являются их основными элементами.
В главе рассмотрен метод расчёта динамических характеристик гидроопор на основе теории четырехполюсников, так как нет строгой концепции их расчета. Каждое новое поколение гидроопор (рис. 1,а) с заданными техническими требованиями дорабатывается, в основном экспериментально.
Актуальной является задача предварительной настройки гидроопор на заданные резонансные частоты, при изменяющейся нагрузке. Концепция перестройки гидроопор на заданные частоты включает построение физической модели гидроопоры, установление вида её передаточной функции, и рассмотрение её информационной модели.
В первой главе рассматривается порядок проектирования гидроопор по заданным техническим требованиям на АЧХ. По передаточной функции гидроопоры, определяется АЧХ гидроопоры и этап её конструирования, состоящий в выборе её структурной схемы и её элементов.
Так гидроопора установленная на основании (рис.1,б) содержит, наряду с обычно применяемыми пружиной и демпфером, дополнительный элемент – инерционный трансформатор mиm LA2.
с приведенной массой Динамическая жесткость гидроопоры без учета диссипативных характеристик и действия нагрузки массой m равна:
D1 ( s ) D12 ( s ) LA 2 s 2 cr ( A2 / E ). (1) В формуле (1) s - переменная преобразования Лапласа;
cr - жесткость упругой обечайки, Н/м;
А – площадь поршневого действия обечайки, м2;
L l / AT, кг/м4 - инерционное сопротивление, l – длина, м и AT - площадь сечения эквивалентного дроссельного канала, м2;
E емкость дополнительной камеры (рис.1,а,б).
Если на гидроопору устанавливается нагрузка массой m то, суммарная динамическая жесткость при действии на массу m силы F равна D2 ( s) D11 ( s) (m LA2 ) s 2 cr ( A2 / E ), (2) то передаточная функция по силе отношение вибрационной силы на выходе гидроопоры к смещению или скорости на её входе (рис.2, а) будет равна.
LA 2 s 2 cr ( A2 / E ) F1 ( s ) D T ( s). (3) F ( s ) D2 ( m LA2 ) s 2 cr ( A2 / E ) Передаточная функция гидроопоры и её коэффициент передачи меньше единицы, т. е.
T j K j 1 и они являются основными характеристиками, отражающими способность гидроопоры к виброгашению в заданном частотном диапазоне вибросигналов.
В общем гидроопора характеризуется нормированной передаточной функцией:
T (s) K (s 2 2 z s z2 ) /(s 2 2 p s p ), (4) где z p - действительные части нулей и полюсов, несущих информацию о гидравлическом коэффициенте трения рабочей жидкости в дроссельных каналах перегородки гидроопоры, при qz q p - добротностях нулей и полюсов, где q z z /2 z, q p p /2 p. Здесь полюса являются доминирующими по отношению к нулям.
Диаграмма полюсов и нулей, частотно-заграждающая или режекторная АЧХ гидроопоры (идеальная) изображены на рис. 2, б,в, где – круговые частоты возбуждения;
j – значения мнимых частей нулей и полюсов, несущих информацию о динамической жёсткости гидроопоры.
Рис. 2. а - Связь реакции y(t) системы (объекта) во временной области с возмущениями системы x(t);
б - Диаграмма полюсов и нулей передаточной функции гидроопоры;
в - Идеальная заграждающая или режекторная амплитудно-частотная характеристика гидроопоры.
В концепцию расчета динамических характеристик гидроопоры входит расчёт полюсов и нулей её передаточной функции Т(s), показателей динамических податливости и динамических резонансов на всех частотах вибрации. Для этого необходимо до предварительной настройки гидроопор на заданные резонансные частоты измерить их вибрационные характеристики (рис 3).
В главе выполнено построение физической модели по результатам эксперимента, для гидроопоры ОГ-90. Модель гидроопоры в частотной области составляется для того, чтобы проанализировать связь жёсткости гидроопор с полюсами их передаточных функций Т(s) и построить их качественные динамические характеристики для целей их дальнейшей разработки.
При построении физической модели гидроопоры применялось дифференциальное уравнение состояния вида:
(m mиm ) bzi y С zi y mиm bzi x С zi x, y x (5) где: левая часть уравнения (4) является выходным сигналом, а правая часть уравнения является её входным сигналом;
y z 2 и x z1 ;
m – масса нагрузки;
mиm – приведенная масса;
bzi – общий коэффициент трения;
Czi – жесткость обечайки, при этом жесткостью диафрагмы пренебрегаем и считаем, что давление в компенсационной камере равно атмосферному.
Рис. 3. Экспериментальные зависимости динамической жесткости гидроопор от частоты возбуждения для гидроопоры ОГ-90.
Общий коэффициент трения является суммой, которая состоит из коэффициента трения резиновой обечайки – b(1)zi и гидравлического коэффициента трения рабочей жидкости в дроссельном канале гидроопоры b(2)zi.
Далее проводим преобразование Лапласа над левой и правой частями дифференциального уравнения состояния гидроопоры (5).
Заменяем y на Y, а коэффициенты m ;
bzi и Czi на соответствующие производным коэффициенты a2;
a1i и a0i в левой части выражения (5). В правой же части выражения (5) заменяем коэффициенты mиm ;
bzi и Сzi при производных на коэффициенты b2;
b1i и b0i. При такой замене коэффициентов получим следующее выражение для дифференциального уравнения состояние гидроопоры, при вi = const, в виде:
a2 a1i y a0i y b2 b1i x b0i x.
y x (6) Продолжая выполнять преобразование Лапласа над частями уравнения (6) получаем выражение для передаточной функции гидроопоры.
Такая функция имеет вид:
b2 s 2 b1i s b0i Y(s)i T(s)i. (7) X(s)i a2 s 2 a1i s a0i Передаточная функция T(s) определяется относительно входного воздействия (рис.2, а), при этом предполагается, что все остальные входные воздействия на гидроопору равны нулю.
На рис. 4,а представлены зависимости АЧХ гидроопор ОГ-90 от частоты возбуждения fвi трех вариантов №№ 13, построенных на основе расчёта полюсов и нулей передаточных функций Т(s)1;
i, Т(s)2;
i и Т(s)3;
i по выражению (7). На рис. 4,б показана зависимость степени устойчивости гидроопор типа ОГ-90 от частоты возбуждения fвi, в полосе от 8,0 225 Гц, полученной в результате математического расчёта по полюсам передаточных функций Т(s)i.
Рис. 4. а) Зависимости АЧХ гидроопор ОГ-90 от частоты возбуждения fвi трех вариантов №№ 13;
б) График зависимости степени устойчивости гидроопор типа ОГ-90 от частоты возбуждения fвi, в полосе от 8,0 225 Гц.
На рис.5,а,б показаны характерные зависимости качественных показателей гидроопоры: а) относительной динамической податливости /0 и б) относительных динамических резонансов 0/ для трех вариантов гидроопор ОГ-90 для всего ряда частот возбуждения.
Зависимости строятся относительно показателей 0 на резонансных частотах.
Рис. 5. Характерные зависимости качественных показателей а) относительной колебательности (податливости) /0 и б) относительных динамических резонансов 0/ для трех вариантов гидроопор типа ОГ-90 для всего ряда их частот возбуждения.
Сравнивая расчётные зависимости АЧХ трех вариантов гидроопор ОГ-90 №№ 13 с их поученными экспериментальными зависимостями динамической жесткости гидроопор от частоты возбуждения (рис.3,а) видно, что наблюдается хорошее совпадение эксперимента и проведенного математического расчета, позволяющего на стадии разработки гидроопор построить их АЧХ.
Из графиков (рис.5,а,б) видим, что наиболее рациональным для гидроопор типа ОГ- вариантов №№1,2,3 является значение частот возбуждения fi = 25 Гц, и 75 Гц. При этих частотах возбуждения, степень устойчивости увеличивается, и податливость гидроопор максимальна, а показатели резонанса минимальны.
Диаграммы корневых годографов полюсов функций Т(s)1;
i, Т(s)2;
i и Т(s)3;
I гидроопор ОГ – 90 на комплексной S – плоскости в полосе частот перестройки показаны на (рис. 6).
Многие важные характеристики гидроопор можно получить из диаграмм корневых годографов их передаточных функций Т(s)i. Полюса функций Т(s)i гидроопор комплексно сопряжённые и симметричны оси Re в левой S – полуплоскости (S1,S2). Это указывает на то, что передаточная функция Т(s)i устойчива, и её полюса не лежат в правой S – комплексной полуплоскости, т.е. гидроопора в САР не подвержена к самовозбуждению.
Рис. 6. Корневые годографы гидроопор ОГ-90 вариантов №№ 13 во втором квадранте комплексной S – плоскости в зависимости от частоты возбуждения.
От значения и расположения полюсов функции Т(s)i зависит переходная характеристика гидроопоры. Переходная характеристика определена связью между параметрами и частотных показателей качества гидроопоры. Корни характеристического уравнения, расположенные ближе к мнимой оси дают составляющие переходной характеристики, которые затухают наиболее медленно.
По значению параметра можно приближенно оценить время регулирования, а по значению оценить значение перерегулирования переходной характеристики гидрооопоры: tр 3/ и e 100%.
Предварительная настройка гидроопор, требует рассмотрения концепции их перестройки на заданные резонансные частоты при изменяющейся нагрузке.
Концепция перестройки гидроопор устанавливает требования, правила, и условия, при которых настройка гидроопоры на заданные резонансные частоты осуществима. Кроме того, концепция определяет выбор параметров гидроопоры, влияющих на ее перестройку и указывает на ее совершенствование.
Концепция перестройки гидроопор на заданные резонансные частоты требует рассмотрения информационной модели гидроопоры. Осуществлённый в работе сбор информации (рис. 36) об интересующих частотных зависимостях гидроопоры, которые и являются информационной моделью гидроопоры, представлены при помощи специального математического аппарата, графиков, диаграмм и таблиц, необходимых в качестве исходных данных для целей последующей их переработки и настройки замкнутой системой автома тического регулирования МРТ гидроопоры на заданную частоту.
При создании информационной модели гидроопоры необходимо применять математическое и имитационное моделирование. При осуществлении процессов виброгашения в автоматическом управлении МРТ должен быть реализован принцип оптимального управления, что требует в процессах виброгашения решения достаточно сложной математической задачи методами математического программирования. Поэтому составной частью системы оптимального управления МРТ становится микро-ЭВМ. Принцип действия САР с микро-ЭВМ в самых общих чертах поясняется на рис.7.
На вход вычислительной микро-ЭВМ поступает информация о текущих значениях yвых c выхода МРТ гидроопоры, несущих информацию о внешних воздействиях на него, информация о задающих значениях АЧХ показателей динамического резонанса r1 и т. п. Вычислительное устройство микро-ЭВМ по заложенной в него программе вычисляет оптимальное управление u МРТ гидроопоры.
Рис. 7. Прямое цифровое регулирование МРТ гидрооопоры с микро-ЭВМ микропроцессорный блок МПБ1 выполняет функции регулятора.
Информационная модель гидроопоры позволяет выявить характерные признаки и особенности её частотных показателей качества.
Информационная модель необходима для:
1) Понимания, как гидроопора устроена, какова её структура, основные свойства, и взаимодействия с нагрузкой;
2) Определения наилучших способов управления гидроопорой при заданных внешних воздействиях;
3) Прогноза прямых и косвенных последствий реализации заданных способов и форм воздействия на гидроопору. Выработка концепции управления гидроопорой - другая цель моделирования. Какой режим работы гидроопоры выбрать для того, чтобы её работа была вполне безопасной и экономически наиболее выгодной?
Управление МРТ гидроопоры можно считать оптимальным, если САР обеспечивает в каждый момент времени показатель качества или эффективности процесса виброгашения в точке максимума для показателя колебательности или минимума для показателя динамического резонанса гидроопоры.
Для поиска экстремума, прежде всего, необходимо вычислить её качественные динамические показатели податливости и резонанса на всех частотах вибрации. Один из способов обнаружения экстремума функции одной переменной z=f(t) состоит в измерении производной z'=dz/dt, которая в точке экстремума должна быть равна нулю, и в оценке знака второй производной z''=dv/dt.
Для настройки гидроопоры на заданную частоту вибрации необходимы следующие требования (условия):
1. Гидроопора должна быть включена в замкнутую цепь обратной связи.
2. Для перестройки гидроопоры на заданные резонансные частоты в САР требуется учитывать экспериментальную зависимость динамической жесткости от частоты возбуждения гидроопор без обратной связи.
3. Необходимо, вычислить относительные динамические показатели податливости и динамических резонансов гидроопоры на всех частотах вибрации.
4. Динамическая жесткость настроенной гидроопоры на заданной частоте должна соответствовать определённому экстремуму зависимости относительных динамических показателей податливости и динамического резонанса.
5. Гидравлический коэффициент трения гидроопоры, настроенной на заданную частоту вибрации, должен быть таким, как и гидравлический коэффициент трения на собственной частоте ненастроенной гидроопоры.
Выполнение этих требований (условий) при настройке гидроопоры входит в концепцию перестройки гидроопор на заданные резонансные частоты.
При обычной рабочей жидкости в дроссельных каналах с заданной плотностью добиться настройки гидроопоры нельзя, т.к. необходимо уменьшать плотность рабочей жидкости. Также, уменьшение плотности рабочей жидкости, т. е. её инерционной массы и уменьшение динамической жесткости гидроопоры тоже не достижимо, т.к. её конструкция не допускает настройку на заданную частоту из-за её разрушения.
Это указывает на то, что рабочую жидкость необходимо использовать с другими свойствами, которые могут быть получены, если гидроопору настраивать принудительно, извне.
Полученные результаты приводят к следующему выводу: Для настройки гидроопоры на частоту необходимо использовать гидроопору с активным заполнителем – активной рабочей жидкостью, а саму настройку гидроопоры на частоту осуществлять извне при активном воздействии замкнутой САР.
Вторая глава. В главе рассмотрены физические основы действия управляемого индукционного МРТ гидроопоры. Установлен характер течения МРЖ в дроссельных каналах МРТ (турбулентное течение) при действии инерционной нагрузки. Установлено отрицательное действие кавитации (снижение демпфирующих свойств гидроопоры в среднем 4 дБ, при наличии газовых пузырьков объёмом до 1 см3).
Основой нового поколения гидроопор является рабочая среда с изменяющимися реологическими характеристиками. ЭРЖ и МРЖ оптимально подходят для динамической регуляции диссипаций энергии. При наличии магнитного поля, частички микронного размера, находящиеся в МРЖ намагничиваются и демпфирующие характеристики МРТ могут регулироваться с практически неограниченной точностью при времени реакции порядка 1,0 мс. В отсутствии магнитного поля, ЭРЖ и МРЖ свободно протекают через инерционные дроссельные каналы и сами не препятствуют своему свободному течению.
Рабочие ЭРЖ и МРЖ комбинируют в себе хорошую управляемость, высокую чувствительность к внешним воздействиям и высокую запасаемую энергию. Управление реологическими свойствами ЭРЖ и МРЖ позволяет использовать их в гидроопорах. Поэтому конструкция гидроопоры изменяется путем введения управляемых МРТ.
При приложении внешнего магнитного поля вязкость поляризованной МРЖ может возрастать в сотни раз пропорционально напряженности магнитного поля.
В инерционных МРТ движение проводящей среды в магнитном поле создает поперечную Э.Д.С., Fл =qvB - силу Лоренца, где: v [м/с] – скорость МРЖ в дроссельном канале;
В [Тл] – магнитная индукция;
q – заряд частиц МРЖ. Эта Э.Д.С. и определяет наведенный осевой индуцированный ток в дроссельном канале (рис.8).
Рис. 8. Протекание МРЖ в индукционном дроссельном канале, где: Vж – скорость протекания МРЖ;
H0 – напряженность однородного магнитного поля;
Ф0 и Фs – магнитные потоки основной и рассеивания;
– напряжение трения в точках сечения дроссельного канала.
Работа индукционных МРТ гидроопор основана на использовании магнитовязкого эффекта – свойства ЭРЖ изменять свое магнитное состояние под влиянием внешнего магнитного поля, (рис.9,а,б).
Рис. 9. а) – Нестабильность потока ЭРЖ;
б) – возрастание на частоте 36 гц динамической вязкости МЖ под действием магнитного поля в индукционном дроссельном канале.
Кроме того, действие индукционных МРТ основано на действии магнитного давления от магнитного поля ВЭ, которое делает возможным работу индукционного МРТ. При этом, наблюдается вид нестабильности (рис.9) радиальное и локальное сжатие в дроссельном канале потока ЭРЖ под действием магнитного поля и наведенного осевого тока. В МРТ ЭРЖ и МРЖ могут использоваться в как запорный клапан для жидкости текущей через дроссельные каналы, т.к. магнитное давление от ВЭ во много раз больше гидравлического давления от инерционной нагрузки (до 102 и выше раз).
В варианте гидроопоры (рис.10,а), видно, что дроссельные каналы выполнены в жестких перегородках ферромагнитного материала, закрепленных в её корпусе. У стальных сердечников ВЭ и перегородки точка Кюри 767°С, что в 5 раз выше нагрева МРЖ (150°С) – считаем магнитную проницаемость сердечников ВЭ МРТ постоянной. В конструкции МРТ перегородкой служит ферромагнитная цилиндрическая перегородка с диамагнитными дроссельными каналами малого внутреннего диаметра, порядка 1,5-2 мм, которые расположены симметрично по ее образующей. Для обеспечения полного возбуждения дроссельные каналы расположены посередине между полюсами возбуждающих электромагнитов и ферромагнитной перегородкой, где наблюдается наибольшая и интенсивность магнитного поля (рис. 10,а).
Рис. 10. Магнитогидравлическая виброопора МГО – 90 – М1: а) 1 – Обечайка;
2 – Опорная плата;
3 – Корпус;
4 – Поддон;
5 – Мембрана;
6 – Уплотнительное кольцо;
7 – Магнитная перегородка;
8 – Дроссельные каналы;
9 – Внутреннее стальное кольцо;
10 – Стальной стержень ВЭ;
11 – Внешнее стальное кольцо - ярмо;
12, 13 – Катушка и каркас ВЭ;
14 – Кожух. б) Места расположения индукционных дроссельных каналов в пространстве взаимодействия силовых линий поля МРТ (плоскость А-А): Нр - радиальная составляющая и Нк - касательная составляющие магнитного поля.
В любой точке пространства взаимодействия (пространство индукционных дроссельных каналов) (рис.10,б) магнитное поле рассматривается как сумма двух составляющих: радиальной направленной по радиусу к центру перегородки, и перпендикулярной ей касательной составляющей.
Третья глава посвящена вопросам возбуждения и размагничивания ферромагнитных элементов МРТ с остаточной магнитной индукцией. Как видно из (рис.10) конструкция гидроопоры изменяется путем введения новых управляющих элементов – ферромагнитных сердечников ВЭ МРТ.
Перед разработчиками стоят две противоречивые проблемы: с одной стороны необходимо усиливать напряженность управляющего магнитного поля, с другой стороны менять его полярность с частотой до 500 Гц.
Но, при напряженности магнитного поля порядка 140 кА/м в дорогостоящих ферритовых сердечниках, входящих в состав МРТ, остаточная магнитная индукция в них может достигать 30% от первоначальной.
Сложной задачей при управлении потоком МРЖ является создание магнитных полей с минимальной остаточной магнитной индукцией. Здесь могут иметь место три основных варианта: 1 вариант – магнитотвердые материалы в стержнях ВЭ при размагничивании высокие энергетические затраты. Требуется устранять остаточную магнитную индукцию. 2 вариант наиболее оптимальный – управление магнитным полем с магнитомягкимии материалами с минимальной остаточной индукцией, ее также требуется устранить. 3 вариант – магнитомягкие ферриты с высокой магнитной проницаемостью с узкой петлей гистерезиса имеют высокую стоимость.
Намагничивание и размагничивание ферромагнитных элементов МРТ происходит в их внешнем поверхностном слое, т.к. геометрические размеры входящих элементов в конструкцию МРТ гидроопор во много раз превышают эквивалентную глубину проникновения электромагнитной волны 2 / B, (8) где: В = 2fВ – угловая частота изменяющегося однополярного электромагнитного поля в магнитной перегородки;
– магнитная проницаемость;
– удельная электрическая проводимость.
В главе приведено решение одной из основных задач проектирования индукционного МРТ – определения магнитного потока, обеспечивающего требуемую напряженность магнитного поля, расчета МДС катушек ВЭ, числа их витков, сечения провода. Расчёт выполнен для сильных (В = 2 Тл) полей электромагнитов с железным ярмом для МЖ на основе (Fe3О4) при Н = А/м и M(Н) = 446I03 А/м, Т = 298 К.
МДС ВЭ FК 21,0 А в, вычисляется при числе N В витков из выражения:
FК I K N В [ А в]. (9) По току катушки I K FK /N В 30 10 А выбрано, число N В =715 её витков диаметром провода 0,14 мм марки ПЭВ-0,16. Число витков катушки ВЭ, при частоте fB и напряжении UK возбуждения, определяется из выражения, UK NВ. (10) 2 f BФ П Из выражения (10) определён магнитный поток ВЭ, UK 0,2 10 3 Вб.
ФП (11) 2 f B N В Напряжение на катушке ВЭ (UK.max = 85В), которое определяется напряжением питания UB и схемой соединения катушек, будет определяться из выражения, U K 2f B N ВФ П. (12) Тогда ток IЭ катушки ВЭ определяется выражением:
1 UK IЭ. (13) 2N В LЭ f B В главе рассмотрены вопросы управления внешним электромагнитным полем при изменении динамических характеристик входного вибросигнала.
На рис. 11,а показан закон изменения МДС ВЭ индукционного МРТ гидроопоры, по которому следует, что МДС ВЭ должна быть постоянной величиной во всём диапазоне перестройки МРТ гидроопоры.
АЧХ блока возбуждения МРТ гидроопоры для ВЭ представлены на рис.11,б.
Рис. 11. а) Изменения напряжения возбуждения и напряжения размагничивания сердечников ВЭ и размагничивания МЖ, от значений частоты перестройки fB;
б) Результирующие АЧХ блока возбуждения / размагничивания сердечников ВЭ и МЖ МРТ гидроопоры.
Как видно, из выражения (13), при выбранных управляющих параметрах перестройки МРТ гидроопоры – частоте fB и напряжении на катушке UK, отношение управляющих параметров перестройки должно быть величиной постоянной и определяться выражением, UK В Гц 2N В Ф П 2N В L Э I Э const. (14) fB Это очень важный факт, позволяющий создавать постоянный магнитный поток удержания в полюсе ВЭ МРЖ и перестраивать МРТ гидроопоры по частоте fB. Управляющие напряжения возбуждения / размагничивания сердечников ВЭ и МЖ подаются через схемы источников намагничивающего тока на ВЭ и при постоянных магнитных потоках должны возрастать по линейному закону от значений частоты перестройки fB (рис. 11,а).
Требуемые АЧХ блока возбуждения / размагничивания сердечников ВЭ и МЖ МРТ (рис.
11,б) формируется до высоковольтного (до 300В) выходного усилителя мощности. Здесь требуется применение усилителя с управляемым коэффициентом усиления.
Магнитный поток возбуждения ВЭ Ф 0, а также и ток возбуждения i 0 t, должны изменяться по прямоугольному закону. Возбуждающие электромагниты необходимо подключать через схему источника намагничивающего тока на основе мощного операционного усилителя.
Для создания рабочего режима намагничивания сердечников МРТ необходим блок возбуждения МРТ создающий рабочий режим намагничивания ВЭ. Управление магнитным полем в МРТ должно осуществляться посредством сформированного двухполярного сигнала с изменяющейся полярностью, при этом управляющее магнитное поле изменяться синфазно с изменением частоты внешнего вибросигнала, изменяя полярность.
Для такого возбуждения дроссельных каналов МРТ предлагается схема формирования двухполярного сигнала с изменяющейся полярностью, реализованная по схеме мостового формирователя двухполярных импульсов.
Для более полного возбуждения дроссельных каналов МРТ внешним магнитным полем необходимо временные интервалы действия сформированных разнополярных импульсов двухполярного сигнала с изменяющейся полярностью увеличивать, а временные интервалы действия модулированного сигнала размагничивания с удвоенной частотой вибрации 2С умень шать (например, до 1/8 периода действия вибросигнала, т.е. до Тр = ТC / 8, где Тр – время размагничивания). Это и реализуется блоке возбуждения. Диаграммы напряжений в точках блок схемы показаны на рис. 12.
Рис. 12 Диаграммы напряжений в блоке возбуждения МРТ.
Как видно из диаграмм напряжений (рис. 12) в блоке возбуждения МРТ для возбуждения/размагничивания ВЭ осуществляются предварительные операции над вибросилналом;
а) формирования;
б), в) разделения;
г), д) дифференцирования;
е), ж), з), и) ограничения, суммирования, формирования;
к). л) модуляции и суммирования.
Сформированный сигнал возбуждения/размагничивания (рис. 12,л) далее проходит через предварительный усилитель с возрастающей линейной АЧХ и цифровой коммутатор на схему источника намагничивающего тока (на высоковольтный (до 300В) выходной усилитель мощности), а затем на ВЭ МРТ гидроопоры.
Настройка по частоте МРТ гидроопоры должна осуществляться посредством включения выключения ВЭ управляемых дроссельных каналов при помощи комбинаций “открыто – закрыто” и достигается посредством цифрового коммутатора схем источников намагничивающего тока ВЭ. Управление цифровым коммутатором схем источников намагничивающего тока ВЭ может быть достигнуто при помощи коммутации полупроводниковых ключей аппаратным или программным способом, т.е. по заранее заданной программе, задаваемой экспериментально полученными АЧХ (рис. 3), либо расчётными АЧХ гидроопоры (рис. 4,а). А также зависимостями её показателей динамических резонансов (рис.5,б).
В результате изменяется динамическая жесткость перестраиваемого МРТ относительно статической жесткости без потери последней. Установлено, что изменением геометрии дроссельных отверстий и их числа можно изменять положение переходной зоны в частотной области АЧХ (рис. 3).
Для управления предварительной настройкой гидроопор с МРТ необходимо, прежде всего: 1. Сформировать управляющее напряжение возбуждения ВЭ. 2. Выбрать необходимый режим их намагничивания. 3. Осуществить правильное управление коммутатором в блоке возбуждения МРТ путем набора необходимой комбинации цифровых кодов программным способом.
При управлении процессом настройки по частоте МРТ гидроопоры с помощью полупроводниковых ключей коммутатора схем источников намагничивающего тока ВЭ применяется метод «включено-выключено». Для перестройки МРТ гидроопоры по методу «включено-выключено», необходимо отключить или включить несколько схем источников намагничивающего тока ВЭ при помощи полупроводниковых ключей, как только при перестройке по частоте МРТ достигается требуемое значение подавляемой частоты вибросиг нала. Это достигается по АЧХ гидроопоры, на основании которой можно подбирать цифровые коды коммутации ВЭ для целей виброизоляции или демпфирования объектов. Надлежащим выбором цифровых кодов коммутации ВЭ для МРТ гидроопоры одного типоразмера производится настройка передаточных характеристик в требуемом частотном диапазоне.
Для коммутации ВЭ необходимо применять схемы полупроводниковых ключей, состоящих из двух встречно-параллельно включенных тиристоров с управляющей схемой.
Глава четвёртая. В главе рассматриваются свойства и характеристики наиболее перспективных магнитных заполнителей МРТ гидроопор - ЭРЖ и МРЖ, которые оптимально подходят для динамической регуляции диссипаций энергии.
ЭРЖ и МРЖ имеют и существенный недостаток, связанный с размером (до 100мкм) и плотностью их частиц. Частицы ЭРЖ и МРЖ в основном микрометрового размера оказываются тяжелыми, что влечет за собой проблемы в их использовании в электромагнитном поле индукционного МРТ. Проблемой является и остаточная намагниченность магнитных заполнителей, из-за гистерезисных эффектов в них самих и которые необходимо устранять. Для ликвидации гистерезисных эффектов необходимо использовать МРЖ с возможно наименьшими размерами магнитных частиц с наночастицами, которые легче выстраиваются по силовым линиям магнитного поля, и с которыми легче разрушается упорядоченная структура кластеров при его снятии.
Поэтому перспективными являются МРТ с ферромагнитными жидкостями (МЖ). МЖ – стабилизированные коллоидные растворы ферромагнетиков в жидкости носителе, их магнитные свойства определяются содержанием твердой магнитной составляющей, до 25 объёмных %. МЖ – это высоко устойчивые коллоидные системы наночастиц магнитных материалов.
Намагниченность насыщения концентрированных МЖ достигает 500 кА/м в магнитных полях напряженностью 80 кА/м при сохранении их текучести.
Магнитная проницаемость МЖ мж 10. Величина намагниченности МЖ зависит от размера частиц и их объемной концентрации.
В главе изложены влияние доменной структуры наночастиц МЖ и их взаимодействие на работу индукционного МРТ.
Так с уменьшением размера наночастиц многодоменная структура МЖ становится энергетически невыгодной. Поэтому, с некоторого размера Lcrit, каждая наночастица представляет собой отдельный магнитный домен. В устойчивых коллоидах обычно размер частиц не превышает 10-15 нм (рис. 13,а).
Рис. 13. а) Зависимость Нс = f(L) коэрцитивной силы от размера частиц магнитной жидкости, где ширина доменной стенки. б) Кривые намагниченности M[А·м2/кг, (emu/g)] для магнитных наночастиц - Fe2O3 - 10NaCl в воде, при температурах 8 и 300 К.
Первый критический размер частиц МЖ соответствует переходу в однодоменное состояние. Для железа критический диаметр однодоменности равен примерно 17 нм, для оксида железа - Fe2O3 примерно 60 нм.
Второй критический размер частиц МЖ соответствует переходу в суперпарамагнитное состояние. Для магнитных частиц Fe2O3 суперпарамагнитное состояние возникает с 40 нм. Для частиц Fe с 12 нм. Признаком суперпарамагнетизма является отсутствие гистерезиса (рис.13,б).
Из примера (рис.13,б) можно сделать вывод: вследствие малых гистерезисных петель намагниченности насыщения М(Н) магнитных наночастиц МЖ присутствует и малое воздействие их на динамику протекания МЖ в дроссельном канале в зависимости от внешнего магнитного поля, которым можно и пренебречь.
В главе рассмотрены вопросы образования цепочечных агрегатов МЖ в дроссельных каналах при действии внешнего магнитного поля. Установлено, что коллоидные частицы МЖ в магнитном поле не являются однодоменными, а представляют собой агрегаты однодоменных частиц.
Cвойства МЖ в магнитном поле связаны с магнитодипольным взаимодействием наночастиц, которое приводит к их агрегированию. Магнитодипольное взаимодействие влияет на баланс сил межчастичного притяжения и отталкивания. В магнитном поле сильное взаимодействие агрегатов приводит к образованию агрегатов веревочного (цепочечного) типа.
В главе рассмотрено образование агрегатов цепочечного типа ведущее к увеличению вязкости МЖ в дроссельных каналах. Также рассмотрено образование «кластерных мембран» гигантских псевдомолекул магнитных наночастиц МЖ в магнитном поле дроссельных каналов. В работе рассмотрен «молекулярный» подход в образовании «кластерных мембран» из большого множества магнитных наночастиц - гигантских псевдомолекул (рис.14, б,в) (размер до 1,0 мкм) в индукционном дроссельном канале под действием магнитного поля.
Уникальные магнитные свойства гигантских псевдомолекул возникают при размерах магнитных наночастиц до 30 нм. При действии магнитного поля на дроссельный канал, через который протекает МЖ на основе окислов Fe2O3, Fe3O4, в нём возникают «кластерные мембраны» вдоль линий магнитного поля. Мембраны закрывают дроссельный канал, как это показано на (рис.14, б,в).
Рис. 14. а) Броуновское движение молекул МЖ без магнитного поля;
б) «Кластерные мембраны» из гигантских псевдомолекулах МЖ в магнитном поле дроссельного канала МРТ;
в) Образование «кластерной мембраны» гигантских псевдо-молекул МЖ в дроссельном канале МРТ в магнитном поле.
В главе рассмотрен вопрос появления аномальной магнитной вязкости МЖ после снятия воздействия внешнего магнитного поля (рис.15,а).
При измерении скорости протекания в дроссельном канале МЖ ПМС-20 выявилась особенность прекращение протекания МЖ (через несколько минут 3 8 мин) после выключения внешнего постоянного магнитного поля. Дать объяснение аномальной магнитной вязкости МЖ и пути её ликвидации можно на примере магнитной вязкости тонких магнитных пленок феррит гранатов (МПФГ) (рис.15,а).
На рис.15, а представлены:
1) – Сигналы возбуждения дроссельных каналов МРТ (tи) и размагничивания сердечников ВЭ (f1 = 1/Траз.).
2) – Сигнал размагничива ния МЖ (f2 = 1/Трелакс).
3) – Разнесённые во време ни сигналы: возбуждения дроссель ных каналов;
размагничивания сер дечников ВЭ;
размагничивания МЖ.
Рис. 15. а) Доменная структура в МПФГ с аномальной магнитной вязкостью при Т = 293 К сразу после выключения постоянного магнитного поля: (1) и через 20 с. (2), 40 с. (3) и 60 с. (4);
б) Диаграммы напряжений в блок схеме ликвидации аномальной магнитной вязкости МЖ в индукционном МРТ гидроопоры, где f2 = 1/Трелакс. частота размагничивания МЖ.
Так после выключения постоянного магнитного поля со временем, после диффузии атомов примеси в другие места, магнитные наночастицы получают возможность двигаться дальше, при этом МЖ медленно продолжает свое намагничивание. Ликвидировать аномальную магнитную вязкость МЖ возможно посредством переменного магнитного поля с частотой заполнения f2 (рис.15, б).
Глава пятая. В главе рассматривается проведение экспериментальных исследований динамики МРЖ. Приводятся результаты эксперимента, проведенного с целью изучения дина мических характеристик МРЖ. МРЖ жидкости имеют недостатки, связанные с их намагни чиванием при протекании их в дроссельном канале МРТ при воздействии постоянного магнит ного поля. При этом наблюдается гистерезис в протекании МРЖ в дроссельных каналах МРТ (рис.16,а). Гистерезис объясняется действием внешнего магнитного поля на домены в феррито вых сердечниках ВЭ, а также и на магнитные домены, обусловленные наличием вязкого трения в самой рабочей МРЖ. Определены значения порогов «открывания/запирания» - (до Н = 101, кА/м/до Н = 141,614кА/м) в проходном дроссельном канале при атмосферном давлении в собственном поле тяжести и произведено их сопоставление с теоретическими расчетами.
Рис. 16. а) Динамика протекания МРЖ в проходном дроссельном канале при атмосферном давлении в собственном поле тяжести в зависимости от внешнего магнитного поля;
б) Изменение магнитной индукции В за полпериода переменного магнитного поля Н в ферромагнитном сердечнике ВЭ по амплитуде В и времени – фазе.
В главе выявлено отрицательное действие аномальной вязкости. Для подтверждения возникновения аномальной магнитной вязкости МЖ в индукционном дроссельном канале было проведено фотографирование тонких магнитных плёнок МЖ в сильном постоянном вертикальном магнитном поле до В = 1,8Тл (рис.17,а) и после воздействия вертикального постоянного магнитного поля (рис.17,б).
Рис.17. а) – Тонкая магнитная пленка высококонцентрированной МЖ Fe2O3 ( = 0,25) при воздействии сильного верти кального постоянного магнитного поля при В = 1,8 Тл (поверхность МЖ рельефная игольчатая;
б) – Тонкая магнитная пленка МЖ после воздействия постоянного магнитного поля - аномальная магнитная вязкость МЖ (поверхность МЖ волнистая).
Так же для подтверждения возникновения аномальной магнитной вязкости высококонцентрированной МЖ Fe2O3 ( = 0,25) в индукционном дроссельном канале были проведены эксперименты по её обнаружению и её выявлению с целью установления значений аномальной магнитной вязкости, скорости и времени релаксации МЖ при разных магнитных индукциях В внешнего постоянного магнитного поля.
Результаты проведённого эксперимента по установлению скорости и времени релаксации МЖ от величины магнитной индукции В представлены на (рис.18,а,б).
Рис.18. Скорость и время релаксации МЖ( = 0,25) от величины магнитной индукции В постоянного магнитного поля.
На (рис.18,б) в скобках представлены значения кинематической аномальной магнитной вязкости МЖ аном от величины магнитной индукции В внешнего постоянного магнитного поля в стоксах, что соответствует при =1,8103 кг/м3 МЖ динамической аномальной магнитной вязкости аном от 0,63 до 1,8 Пас (кг/мс) 0,063 до 0,18 пуаз.
Характерный подъём и спад аномальной магнитной вязкости на (рис.18,б) обусловлены памятью МЖ - конечной скоростью движения магнитных частичек (10-7 10-3с) и задержкой образования обратной намагниченности магнитных частичек (10-7 с).
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ.
Разработан метод расчёта динамических характеристик гидроопор при их настройке на заданные частоты на основе теории работы режекторного фильтра.
При расчете применена теория четырёхполюсников. В качестве модели использована схема режекторного фильтра с заданной передаточной функцией.
Предложен метод перестройки гидроопор путём управления потоком магнитной жидкости внешним магнитным полем.
Предложено активное управление МРТ гидроопоры с замкнутой системой автоматического регулирования с применением микро-ЭВМ.
Подтверждён расчётом и установлен характер течения МРЖ в дроссельных каналах МРТ (турбулентное течение) при действии инерционной нагрузки. Экспериментально установлено отрицательное действие кавитации (снижение демпфирующих свойств на 4 дБ, при наличии газовых пузырьков объёмом до 1 см3).
Предложены физические основы действия и конструкция МРТ гидроопор на основе кольцевого МРТ, с элементами адаптивной настройки и электромеханического преобразования.
При проектировании МРТ осуществлено построение его магнитной системы для сильных (В = Тл) полей ВЭ с железным ярмом.
Предложена концепция блока управления МРТ с МЖ (Fe3О4) с Н = 140103 А/м и M(Н) = 446I03 А/м с минимальной остаточной магнитной индукцией Вост. сердечников при изменении динамических характеристик вибросигнала.
Предложено решение сложной технической задачи создание режима намагничивания/размагничивания сердечников ВЭ МРТ, при изменяющемся синфазно управляющем магнитном поле с изменением частоты вибросигнала.
Выявлены свойства МЖ в магнитном поле (Fe3О4 – Н = 80103 А/м и M(Н) = 446I03 А/м, Т = 298 К), и влияние размера частиц МЖ на работу индукционного МРТ.
Получены экспериментальные данные измерения скорости течения МРЖ в дроссельном канале (от 0,010,00 м/с) при атмосферном давлении в собственном поле тяжести и напряжённости поля от Н = 0 кА/м до Н = 142кА/м, проведено их сопоставление с расчетами.
Получены экспериментальные данные измерения скорости и времени релаксации МЖ, для Vрел. - от 3,510-6 до 1010-6 м/с и для tрел. - от 2,5 мин. до 7 мин. от постоянной магнитной индукции от В=0,6 Тл до В =1,2 Тл, подтверждающие возникновение аномальной магнитной вязкости в индукционном дроссельном канале.
ПУБЛИКАЦИИ Основные результаты диссертации были представлены на 4 российских и международных конференциях и в публикациях и реферируемых журналах:
Статьи, входящие в перечень изданий, утвержденных ВАК 1. Гордеев Б.А., Ерофеев В.И., Охулков С.Н., Синев А. В. Динамика протекания магнитореологической жидкости в дроссельных каналах при действии магнитных полей. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2007. № 2. С. 95-99.
2. Гордеев Б.А., Синев А.В., Копытов И.Н., Охулков С.Н. Особенности метрологического обеспечения проведения экспериментальных исследований динамики магнитореологических жидкостей. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2008. № 1. С. 95-99.
3. Гордеев А.Б., Гордеев Б.А., Ерофеев В.И., Охулков С.Н. Концепция управления магнитореологическими трансформаторами в гидроопорах при минимизации потребляемой энергии. // "Вестник машиностроения" 2008. № 8. С. 23-26.
4. Гордеев Б. А, Охулков С.Н., Осмехин А.Н., Горсков В.П. Факторы влияющие на разгерметизацию гидроопор при длительной их эксплуатации. // "Вестник машиностроения" 2011. № 7. С. 29 -33.
Статьи в журналахи сборниках, труды и тезисы докладов научных конференций 5. Гордеев Б.А., Охулков С.Н. Концепция физической модели гидравлической виброопоры, обусловленная экспериментом. Прикладная механика и технологии машино строения: сборник научных трудов. / под. ред. В.И. Ерофеева, С.И. Смирнова и Г.К. Сорокина – Н. Новгород: Издательство общества "Интелсервис", 2003. Вып. 2(6), с. 112 – 119.
6. Бугайский В.В., Морозов П.Н., Охулков С.Н. Проблемы предварительной настройки гидравлических виброопор на заданные резонансные частоты в условиях меняющейся нагрузки.
// Материалы IX международной научно-технической конференции по динамике и прочности автомобиля. 15-17 марта 2005 года. // Под редакцией чл.-корр. РАН Э.И. Григолюка. М.: МГТУ "МАМИ". 2005. 246 с. С. 42-44.
7. Гордеев Б.А., Бугайский В.В., Охулков С.Н., Морозов П.Н. Установка с бесконтактным магнитореологическим преобразователем для измерения скорости магнитореологических жидкостей. // Прикладная механика и технология машиностроения. Интелсервис. Нижний Новгород. 2005. С. 86-100.
8. Гордеев Б.А., Гордеев А. Б., Тумаков С. Ф., Охулков С. Н. Применение газогидравлических виброопор для снижения уровней шума и вибрации машин.// Прикладная механика и технология машиностроения. Сборник научных трудов. Н. Новгород. Издательство общества «Интелсервис» 2006. №1(9).С.140-149.
9. Гордеев Б.А., Бугайский В. В., Ерофеев В.И., Охулков С.Н. Частотный метод измерения деформации кручения на вращающихся валах машин и механизмов. // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Надежность и ресурс в машиностроении.
Выпуск № 16, 2006 С 62-70.
10. Гордеев Б.А., Бугайский В. В., Ерофеев В.И., Охулков С.Н., Морозов П.Н. Настройка гидроопор в условиях меняющейся нагрузки. // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Надежность и ресурс в машиностроении. Выпуск № 16, 2006. С. 70-75.
11. Гордеев Б.А., Бугайский В. В., Охулков С.Н., Морозов П.Н. Концепция построения физической модели гидроопоры. // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Надежность и ресурс в машиностроении. Выпуск № 16, 2006. С 75-79.
12. Гордеев А. Б., Охулков С. Н. Применение магнитореологических трансформаторов в гидроопорах. // Прикладная механика и технология машиностроения. Сборник научных трудов Н. Новгород. Издательство общества «Интелсервис». 2008. №1.(12) С.107-114. // Материалы XIII Нижегородской сессия молодых ученых. Н. Новгород. 2008 С. 74-75.
13. Гордеев Б.А., Булгакова С. А., Тумаков С.Ф., Охулков С.Н. Переходные процессы в магнитореологических заполнителях гидроопор при ударных нагрузках. // Восьмая Всеросийская научная конференция «Нелинейные колебания механических систем». Т2. 2008 г., С 85 – 90.
14. Охулков С.Н. Расчет магнитореологических трансформаторов при ламинарном движении рабочей среды. Доклад. // II Всероссийская конференция по волновой динамике машин и конструкций: Н. Новгород 2007 г.
15. Охулков С.Н. Влияние остаточной магнитной индукции магнитореологических трансформаторов на характеристики гидроопор. Доклад. Научная конференция "Проблемы Машиноведения" Ноябрь. 2008 г. Москва.
16. Гордеев А.Б., Булгакова, С.Ф. Тумаков, Охулков С.Н. Влияние газообразной фазы в рабочей среде на характеристики гидроопор. Доклад. // VIII Всероссийская научная конференция "Нелинейные колебания механических систем" Т.2 с.59-63. 2008 г.
17. Гордеев Б.А., Охулков С.Н., Осмехин А.Н. Влияние доменной структуры на работу магнитореологических трансформаторов. // Первая Всероссийская конференция "Проблемы механики и акустики сред с микро и нано-структурой: Н. Новгород. 2009. С. 21-22.
18. Гордеев Б.А., Охулков С.Н., Осмехин А.Н. Влияние наноструктур в магнитореологических средах на быстродействие гидроопор. //Первая Всероссийская конференция "Проблемы механики и акустики сред с микро и наноструктурой: Н. Новгород.
2009. С. 22-23.
19. Гордеев Б.А., Охулков С.Н., Привалов В.И. Магнитные наночастицы для магнитореологических трансформаторов. // Первая Всероссийская конференция "Проблемы механики и акустики сред с микро и нано-структурой: Н. Новгород. 2009. С. 23-24.
20. Гордеев Б.А., С.Ф. Тумаков, Охулков С.Н, Осмехин А.Н. Применение анаэробных герметиков для снижения виброактивности металлорежущих станков. // Прикладная механика и технология машиностроения, Н. Новгород, 2010. №2(17).
21. Осмехин А.Н., Горсков В.П, Охулков С.Н. Турбулентность и кавитация в рабочей среде гидроопор. // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. Выпуск № 4, ч. 3, 2011. С. 1027-1029.
Изобретение 22. Охулков С. Н. Патент на изобретение «Способ определения крутящего момента» за № 2196309 от 10 01. 2003 г., по заявке № 2000110472 от 24.04.2004г.