Разработка метода расчёта и конструкции магнитореологических трансфоматоров гидроопор

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................... 6
ГЛАВА 1. КОНЦЕПЦИЯ ПЕРЕСТРОЙКИ ГИДРООПОР НА ЗАДАННЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТЫ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ
ЧЕТЫРЁХПОЛЮСНИКОВ................................................... 19
1.1; Гидроопоры как современные средства, виброзащиты' машин- к силовых агрегатов..................................................... 19
1.1.1. Интегральные гидроопоры в частотной области.................... 26
1.1.2. Расчёт гидравлических инерционных виброизоляторов на основе теории четырехполюсников.............................................. 33
1.1.3. От технических требований к передаточным функциям;............. 34
1.1.4. Полюса и нули передаточной функции гидроогюры.................. 36
1.1.5. Идеальная амплитудно-частотная характеристика гидроопоры 37
1.2. Построение физической модели гидравлической виброопоры по результатам эксперимента............................................ 39
1.2.1. Дифференциальное уравнение состояния гидроопоры............• 39
1.2.2. Преобразование Лапласа. Передаточная функция Т(б) гидроопоры... 42
I
13. Модсльхидроопоры в частотной области.............................. 45
1.3.1. Расчет коэффициентов полиномов функций.Ць) гидроопор ОГ -90. 46
1.3.2. Расчёт приведённой массы и обобщённого гидравлического
коэффициента трения инерционных трансформаторов гидроопор............. 47
1.3.3 Нормировка полиномов У(з) и Х(б) функции Т(з) :....:............ 51
1.3.4. Расчёт полюсов и нулей передаточных функций гидроопор. Амплитудно-частотные характеристики гидроопор ОГ-90................... 53
1.3.5. Частотные динамические показатели качества гидроопор........... 59
1.3.6. Определение динамических резонансов гидроопоры ОГ-90;.......... 63
1.3.7. Анализ зависимостей динамической податливосги гидроопор........ 66
1.3.8. Корневые годографы гидроопор ОГ-90............................. 67
1.3.9. Оценка распределения полюсов передаточной функции гидроопоры
и их связь с показателями качества.................................... 68
1.4. Концепция перестройки гидрооиор на заданные резонансные частоты............................................................... 69
2
i-tf-ji-s. «чжн'»«*.!?:»''vHlirw-' ■ v:’TfV*'«:'s-T. -»• ляп л*4'^ j- i*r>'.T' tx-
1.4.1. Необходимость в разработке концепции перестройки гидроопор 69
1.4.2. Построение информационной модели гидроопоры................. 70
»1 * * * * ' ,
1.4.3'.'Оптималыюе управление гидроопорой с МРТ.................. 72
1.4.4. Поиск экстремума показателя динамического резонанса гидроопоры 74
1.5. Выводы по ГЛАВЕ Г. ....................................... 75
ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИЯ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ГИДРООПОР.......... 78
2.К.Физические основы действия.индукционных МРТ гидроопор 78
2.1.1. Установление характера течения МРЖ в дроссельных каналах МРТ гидроопоры при действии инерционной нагрузки..................... • 78
2.1.2. Проводящие движущиеся.среды в электромагнитном поле МРТ..... 91
2.1.3. Плотность потока электромагнитной энергии для случая . проводящей жидкости в магнитном поле МРТ ...................... 94
2.1.4. Магнитовязкий эффект электропроводных жидкостей гидроопор:.. 97
2.1.5. Магнитное давление. ...................................................... 100 •
2.2. Конструкция индукционных МРТ перестраиваемых гидроопор с
внешним расположением возбуждаемых электромагнитов:................ 102
2.2Л Классификация магнитореологйческих трансформаторов: ........ 102
2.2.2. Симметричные кольцевые МРТ перестраиваемых гидроопор: .... 102
2.2.3: Основные конструктивные параметры индукционных МРТ ’...... 109
2.2.4. Основные элементы конструкции индукционных МРТ.;............ 111
2.2.5. Особенности работы магнитореологических гидрооиор 112
2.3; Выводы по ГЛАВЕ 2:.................. ’...‘._i..’.....Л.... 114
ГЛАВА 3. ВОЗУЖДЕНИЕ И РАЗМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ОСТАТОЧНОЙ МАГНИТНОЙ 1ТОДУКЦИЕЙ В ИНДУКЦИОННЬГХ МРТ ................... 116
3.1. Особенности применения дорогостоящих ферритовых элементов в МРТ и их замена элементами с остаточной магнитной индукцией:...... 116
3.1.1. Общие состояние проблемы 7........................... 116
3.1.2. Процессы намагничивания и размагничивания, в ферромагнетиках... 119
в. • . • •
3.1.3. Понятие глубины проникновения электромагнитной волны в проводящей среде ............................................. 121
I *
3.1.4. Оценка глубины проникновения электромагнитной волны в
поверхностный слой ферромагнитного сердечника ВЭ.................... 123
3.2. Расчёт магнитной цепи индукционного МРТ гидроопоры............. 125
3.2.1. Постановка задачи к расчету магнитной цепи МРТ............... 126
3.2.2. Расчетная эквивалентная схема магнитной цепи кольцевого МРТ 127
3.2.3. Упрощённая схема возбуждения двух дроссельных каналов........ 128
3.2.4. Отношение управляющих параметров перестройки Uk/Ув........... 131
3.3. Расчет параметров возбуждающего электромагнита при заполненных магнитной жидкостью дроссельных каналах и при воздействии на гидроопору внешней силы.............................. 132
3.3.1. Упрощённый расчет параметров ВЭ МРТ гидропоры с МЖ......... 133
3.3.2. Основной вклад при работе МРТ вносит намагниченность МЖ 143
3.4. Совместное возбуждение и размагничивание ферромагнитных-элементов индукционного МРТ при перестройке его по частоте 147
3.4.1. Выбор управляющих параметров возбуждающих электромагнитов... 147
3.4.2. Расширение диапазона перестройки МРТ гидроопоры за счёт запаса на напряжённость магнитного поля в зазорах ВЭ:....................
3:5. Создание рабочего режима намагничивания индукционного МРТ. 150
3.5.1. Выбор рабочего режима возбуждающих электромагнитов-индукционного МРТ................................................... 150
3.5.2. Амплитудно - частотные характеристики блока возбуждения МРТ... 153
3.5.3. Блок возбуждения МРТ с формирователем двухполярных импульсов.... 155
3.5.4. Принципиальная схема формирования модулирующих импульсов размагничивания..................................................... 159
3.5.5. Принципиальная схема и диаграммы напряжений в схеме формирователя модулирующих импульсов................................ 159
3.5.6. Перестройка по частоте МРТ методом «Включено - Выключено» 161
3.7. Выводы по Г ЛАВЕ 3........................................... 162
ГЛАВА 4; МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДЫ ДЛЯ ИНДУКЦИОННЫХ МРТ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ГИДРООПОР:......................... 164
4.1. Реологические среды с магнитными наночастицами в МРТ......... 164
4.1.1. Применение машитореологических сред с ианочастицами в МРТ 164
4
4.1.2'.!Общие сведения о магнитных жидкостях........................ 165
4.1.3. Размерные эффекты в магнитных наночастицах МЖ ........... 169
4.2. Организация магнитных коллоидов в магнитном поле.................. 172
4.2.1. Структуры магнитных межкластерных связей в магнитном поле...... 172
4.2.2. Ценочечно - ленточная модель МЖ в дроссельном канале МРТ 174
.4.2.3. Изменение концентрации и структуры ленточных молекулярных.
. магнитных кластеров..... ........................................ 175
4.2.4. «Кластерные мембраны» магнитных наночастиц - гигантских
псевдомолекул МЖ в индукционном дроссельном канале МРТ................. 177
4:3; Влияние наноструктур в МЖ на быстродействие МРТ гидроопор... 178 4.3-1. Необходимость знания влияния наночастиц на быстродействие МРТ 178
4.3.2. Остаточная намагниченность наночастиц магнитной жидкости. .. 180
4.3.3; Появление аномальной магнитной вязкости МЖ после воздействия постоянного внешнего магнитного поля; ................................ 182
4.3.4. Ликвидации аномальной’магнитной вязкости-МЖ в МРТ..:............ 184
4.3.5; Требованиям псремапшчиванию/релаксации наночастиц МЖ......... * 189
4:4. Выводы но ГЛАВЕ 44..•.............................................. 189
ГЛАВА 5; ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ПРОТЕКАНИЯ МРЖ ОТ ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕННОСТИ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО?ПОЛЯ.....;.........................„ 191
5.1.Установка для1 измерения средней:скорости.Уср МРЖ. .................191
5.2./ Динамика: протекания магнитореологической, жидкости в' дроссельных каналах при.действии внешних магнитных.полей;. 194
5.2.1. Общие сведения по измерению потока и скорости МРЖ.......'...'.... ... 194
5.2.2. Деформация в зазоре возбуждающего электромагнита дроссельного канала из диэлектрической полихлорвиниловой трубки ;................ 196
5.2.3. Установочные исходные данные проведения эксперимента с МРЖ... 197
5.2.4. Проведение эксперимента по измерению средней скорости МРЖ ; 199
5.2.5. Результаты эксперимента по измерению средней скорости МРЖ 202
5.2.6. Подтверждение возникновения аномальной магнитной вязкости МЖ 204
5.3. Выводы поТЛАВЕ 5:.............................................. 211
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........ .................................................. 212
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ......................................... 214
ВВЕДЕНИЕ
Астуальность 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. 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 * резинометаллическис 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 н задачи работы.
Целями и задачами диссертационной работы являются - создание 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.
6
Исследовательские задачиг.
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 . наг основе-кольцевого индукционного МРТ и поглощения энергии в.магнитных жидких и вязкоупругих средах дляхоздания средствташения 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 управлениям МРТ;
c)' — разработка экспериментальной* установки- по;- измерению средней/ скорости течения-МРЖ в дроссельном жанале от напряженностиШпостоянного магнитного поля для подтверждения возникновения гистерезисных эффектов;.
d) - разработка экспериментальной установки по измерению скорости и времени релаксации МЖ от величины магнитной индукции В* постоянного магнитного поля для подтверждения возникновения аномальной магнитной вязкости МЖ в индукционном дроссельном; канале. .
Иаучнаяновнзнаработы.
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. Установлен вид её передаточной функции. Определены через нули и полюса передаточной функции АЧХ,
динамические податливость и резонансы гидроопоры. Разработана концепция перестройки гидроопоры на заданные частоты;
* - Осуществлено построение информационной модели гидроопоры, даны
общие сведения о системе с поиском экстремума показателей качества гидроопоры с МРТ и оптимальном управлении МРТ с применением микро-ЭВМ в системах автоматического регулирования (САР) гидроопорами.
- Подтверждён расчётом ,и экспериментально установлен характер течения МРЖ и ЭРЖ - турбулентное, .течение в дроссельных каналах МРТ гидроопоры при действии инерционной нагрузки.
- Рассмотрены физические основы действия и разработана конструкция МРТ гидроопор на основе кольцевого МРТ с элементами адаптивной настройки и электромеханического преобразования, установлена связь характеристик МРТ с их основными параметрами: . индукционными дроссельными каналами перегородки, расстоянием между осями- полюсов ВЭ; характеристиками ферромагнитных материалов. Предложены методы расчета магнитной цепи
. многополюсного МРТ гидроопоры. *
- Разработана концепция блока управления внешним электромагнитным полем при изменении динамических характеристик вибросигнала с цифровым* коммутатором схем источников намагничивающего тока ВЭ. ' • . .
- Установлено, что для виброгашения ударных нагрузок наиболее оптимально подходит применение МРЖ с доменами в несколько нанометров. Показаны модели образования «кластерных мембран» наночастиц МЖ в индукционных дроссельных каналах..
- - Разработаны экспериментальные установки по измерению средней скорости течения, скорости релаксации и времени релаксации МРЖ в индукционном дроссельном канале от величины напряженности Н и магнитной индукции В внешнего постоянного магнитного поля.
- Получены экспериментальные зависимости скорости течения, скорости релаксации и времени релаксации от напряженности Н и индукции В внешнего магнитного поля для индукционного дроссельного канала, предложены пути ликвидации аномальной вязкости МЖ в дроссельных каналах МРТ гидроопоры.
8
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 гидроопор с МРТ. Практическая ценность работы обусловлена её перспективной направленностью на создание современных эффективных средств виброзаициты.
Результаты диссертации были получены при выполнении работ по:'
- Плану основных заданийНФ ИМАШ РАН 2004-2008 г.г. по теме «Волны деформации в структурно-неоднородных материалах и элементах конструкций» (научные руководители, профессора Нрофеев 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 окружаюи1ую 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.,№ 08-08-97 0 5 7-Р).
»• .. " г*. * • • •.•*** * f •
; Гранту РФФИ:: «Нелинейная, волновая динамика и устойчивость
роторных.систем» (2011т., № 1.1-08-97066-Р_Поволжье);: ■. ' .. . .... / ’. : :•*
Методы исследования. • '
Теоретические исследования выполнены на,'.* основе теорий: четырёхполюсников, гидродинамики,. электромагнитного поля, магнитогидродинамики и методов расчета • элекгромагнитных систем. Теоретические исследования подтверждены экспериментами»' с использованием экспериментальных стендов, установок и компьютеров и метрологически обеспечены и проводены на базе лаборатории «Виброзащиты машин» НФ ИМАШ Института машиноведения им: A.A. Благонравова РАН:. Ряд экспериментальных данных получены на предприятиях ООО «Триботехника», ООО «Виброзащита».
Достоверность Полученные результаты и выводы согласуются с положениями механики сплошных сред, теории электромагнитного поля, магнитогидродинамики, и совпадением экспериментальных результатов с теоретическими расчетами.
Научные положения выносимые на защиту:
• Метод расчёта динамических характеристик гидроопор при их настройке на заданные частоты 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 дросселыплх каналах МРТ (турбулентное течение) при действии инерционной нагрузки. Экспериментально установлено отрицательное действие кавитации (снижение демпфирующих свойств на 4 дБ, при объёме газовых пузырьков до 1 см3).
• Построение МРТ с его магнитной системы для сильных (В§ = 2 Тл) полей ВЭ с железным ярмом. Решена задача управления МРТ с МЖ (Fe304) при Н6 = 140-103 А/м и М(Н) = 446-I03 А/м с минимальной остаточной индукцией сердечников при изменении динамических характеристик вибросигнала.
• Решение сложной технической задачи - создание режима намагничивания/размагничивания' сердечников. ВЭ МРТ, при изменяющемся синфазно управляющем магнитном поле с изменением частоты вибросигнала.
• Выявление свойств МЖ в магнитном поле (Fe304 -Н = 80-103 А/м и М(Н) = 446-I03 А/м, Т = 298 К), и влияние размера частиц МЖ на работу МРТ.
• Экспериментальные данные измерения скорости течения МРЖ в дроссельном канале (0,01*0,00 м/с) при атмосферном давлении в собственном иоле тяжести и 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 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. A.A. 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, позволяющие разрабатывать новое поколение гидроопор с МРЖ и МЖ.
Личный вклад соискателя: .
В совместных работах 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- полюсам её передаточной функции; построение физической модели гидроопоры-с МРТ с GAP; конструкцией гидроопор * с МРТ; проведён расчёт электромагнитной системы MPI'; разработана концепция построения блока управления МРТ.
Под непосредственным руководством* соискателя с аспирантами П.Н. Морозовым и A.Hi Осмехиным разработаны все экспериментальные установки и проведены все экспериментальные работы и 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 139 наименований. Также в диссертации содержится 89 рисунков и 27 таблиц. В конце каждой главы содержатся краткие выводы по решаемым задачам и рассматриваемым вопросам.
11
Содержание работы.
Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, научная и техническая новизна, кратко излагаются содержание и выводы диссертации;
Первая- глава «Концепция перестройки гидроопор на заданные резонансные частоты на основе теории четырехполюсников» связана с методом расчёта и исследованием качественных.характеристик (показателей) гидроопор по.экспериментальным зависимостям их АЧХи по их передаточным- функциям.
В'первоиглаве рассматриваются вопросы:
В р. 1.1. Гидроопоры' как современные средства виброзащиты машин и-силовых агрегатов : • '.
Вд. 1.1.1; Интегральные гидроопоры в .частотной области.
В- п. 1.1.21 Расчёт гидравлических инерционных виброизоляторов на; основе теории чегырехполюсников.... < ; \ л ■ V • ■ "
В-п. 1.1.3. От технических требований-к передаточным функциям: ..
• В д.. 1; 1.4. Полюса и нули передаточной функции гидроопоры.,
В п. 1.1.5. Идеальная амплитудно-частотная.характеристика гидроопоры.
В р. 1.2. Построение; физической/модели; гидравлической'виброопоры, по:-результатам эксперимента: : ’
В п. 1.2.1. Дифференциальное уравнение состояния гидроопоры.
В п. 1.2.2. Преобразование- Лапласа: Передаточная функция Т(б)' гидроопорьт. .
В р. 1.3. Модель гидроопоры в частотной области..
В п. 1.3.1. Расчет коэффициентов полиномов функцийТ(з)‘ гидроопор.ОГ -90.. ‘. . ...
В п. 1.3.2. Расчёт приведённой массы и обобщённого гидравлического коэффициента зрения инерционных трансформаторов гидроопор.
В п. 1.3.3 Нормировка полиномов У(б);и Х(б) • функции Т(б):
В п. 1.3.4. Расчёт полюсов и їіулей передаточных функций гидроопор. Амплитудно-частотные характеристики гидроопор ОГ-90.
В п. 1.3.5. Частотные динамические показатели качества гидроопор.
В п.. 1.3.6. Определение динамических резонансов гидроопоры.ОГ-90.
В п. 1.3.7. Анализ зависимостей динамической податливости гидроопор.
В п. 1.3.8; Корневые годографы гидроопор ОГ-90. '
В- п. 1.3.9 Оценка распределения полюсов передаточной функции гидроопоры и их связь с показателями качества.
В р. 1.4.. Концепция? перестройки- гидроопор.' на заданные резонансные частоты. •.
В п. 1.4.1. Необходимость; в разработке концепции перестройки . гидроопор.. . ’ ' V.............................................................................................................................................
Bin: 1.4.2. Построение информационной модели, гидроопоры.
В п.Т.4.3. Оптимальное управление гидроопорой.с МРТ..
В ш> 1.4.4. Поиск: экстремумам показателя динамического резонанса гидроопоры. •
В р; .1.5. Выводы по ГЛАВЕ 1.. . . .. " . / '
В главе 2. «Физические* основы действия-*.и» конструкция»• МРТ перестраиваемых гидроопор»> рассматривается/ новое* направление в конструкции гидроопор,-.на основе применения.ЭРЖ и МРЖ.
В главе 2 рассматриваются следующие вопросы: • < • '
B'pi 2.1. Физические основы действия МРТ гидроопор.
Вщ: 2.1.Г. Установление характера течения МРЖ в дроссельных каналах МРТ гидроопоры при действии инерционной нагрузки-.
В п. 2.1.2. Проводящие движущиеся среды-в .электромагнитном поле
мрт/ ! ,
В п; 2.1.3. Плотность- потока электромагнитной энергии для случая проводящей жидкости в магнитном поле МРТ.
В п. 2.1.4. Магнитовязкий эффект электропроводаых жидкостей.
В п. 2.1.5! Магнитное давление.
• В р. 2.2. Конструкция индукционных МРТ перестраиваемых гидроопор с внеишим расположением возбуждающих электромагнитов.
В п. 2.211. Классификация МРТ.
В п. 2.2.2. Симметричные кольцевые МРТ перестраиваемых гидроопор.
В.п. 2.2.3. Основные конструктивные параметры индукционных МРТ.
В.п. 2.2.4. Основные элементы конструкции индукционных МРТ.
В п. 2.2.5. Особенности работы магнитореологических гидроопор.
В р. 2.3. Выводы по ГЛАВЕ 2.
Глава 3 «Возбуждение и размагничивание ферромагнитных элементов с остаточной магнитной; индукцией МРТ гидроопор» посвящена вопросам возбуждения и размагничивания ферромагнитных элементов с остаточной магнитной индукцией. л *.*• •*’ /./- л ■*. .
, 4 ‘ , о " 1
В главе 3 рассматриваются следующие вопросы: •. .. •. •
В р. 3.1 Особенности применения дорогостоящих ферритовых элементов, в МРТ и их замена элементами с остаточной магнитной индукцией.
В п. 3.I.L.. Дано общие состояние проблемы, показана сложная задача создания магнитных полей с минимальной остаточной магнитной индукцией -при управлении потоком МРЖ в дроссельном канале и варианты ее решения. ;
В п. 3.1.2. Рассматриваются процессы намагничивания и размагничивания ферромагнетиках. ; ■ ’• ' • ' •.?• /'
В п. 3.1.3. Дано определение глубины проникновения электромагнитной волны в проводящей среде. ■- •. v! • !
В п. 3.1.4. Дана оценка глубины проникновения электромагнитной волны в поверхностный слой ферромагнитного сердечника ВЭ. Л ' .
В р. 3.2 Расчет магнитной цепи индукционного МРТ гидроопоры.
В п. 3.2.1. Постановка задачи к расчёту магнитной цепи МРТ.
В п. 3.2.2. Расчетная эквивалентная схема магнитной цепи МРТ.
В п. 3.2.3. Упрощенная схема возбуждения двух дроссельных каналов.
В п. 3.2.4. Отношение управляющих параметров перестройки UK//B .
В р. 3.3; Расчет параметров возбуждающего электромагнита при • заполненных магнитной жидкостью дроссельных каналах и при воздействии на гидроопору внешней силы.
В.п. 3.3.1.У прощенный расчет параметров ВЭ МРТ гидроопоры с МЖ.
В.п. 3.3.2. Основной вклад при работе МРТ вносит намагниченность МЖ.
В р. 3.4. Рассматривается совместное возбуждение и размагничивание
ферромагнитных элементов МРТ гидроопоры при перестройке его по частоте.
В п. 3.4.1. Выбор управляющих параметров ВЭ.
В п. 3.4.2. Расширение диапазона перестройки МРТ гидроопоры за счёт запаса на напряжённость магнитного поля в зазорах ВЭ;
В р. 3.5.Создание необходимого режима намагничивания МРТ.
В п. 3.5.1. Выбор рабочего режима ВЭ МРТ гидроопоры..
В п. 3.5.2. Амплитудно - частотные характеристики блока возбуждения МРТ гидроопоры. .. >’■
В п. 3.5.3. -Блок возбуждения. МРТ гидроопорьт с мостовым формирователем двухполярных импульсов.. . •; ’ . •’
В*, п. 3.5А.. Принципиальная ' схема- формированиях модулирующих импульсов сигналов-размагничивания. . - .
В* п. 3.5.5. Принципиальная.' схема, и диаграммы;.напряжений1 в схеме формирователя модулирующих импульсов;. • .
В' п. 3.5 .6. Перестройка МРТ' методом «Включено — Выключено»..
: 317. Выводы-по ТЛАВЕЗ-. -
• В* главе 4' ■ «Магнитореологическиег среды,, для', индукционных. МРТ ; перестраиваемых .гидроопор»! рассматриваются; свойства' и*’ характеристики наиболее перспективных магнитных заполнителей-МРТ гидроопор, оптимально подходящие для динамической регуляции-диссипаций энергии;
Вглаве 4 рассматриваются следующие допросы:
. • В-р.* 4.1. Реологические среды с магнитными наночастицами.
В п, 4.1.1. Необходимость-применения реологических сред с магнитными наночастицами'в инерционном МРТ.
В п;4.1.2. Общие сведения о магнитных жидкостях. ....
В п. 4.1.3. Размерные эффекты в магнитных наночастицах МЖ.
В р: 4.2. Организация магнитных коллоидов вмагнитном.поле.
В Д. 4.2.1. Магнитные межкластерные связи в магнитном поле.
В п. 4.2.2. Цёпочсчно-ленточная модель МЖ в дроссельном канале МРТ.
В п. 4.2.3. Изменение концентрации и- структуры ленточных молекулярных магнитных кластеров.
15'
В п. 4.2.4. «Кластерные мембраны» магнитных наночастиц - гигантских псевдомолекул МЖ в индукционном дроссельном канале МРТ.
В р. 4.3. Влияние наноструктур в МЖ на быстродействие гидроопор..
В п. 4.3.1. Необходимость знания влияния нанострукгур МЖ на быстродействиегидроопор; . . ■ ‘ • •
В п. 4.3.2. Остаточная намагниченность наночастиц магнитной жидкости;. В п: 4.3:3. Появление аномальной магнитной вязкости МЖ- после воздействия/постоянного внешнего магнитного поля.. •
В п. 4.3.4. Ликвидация аномальной магнитной вязкости МЖ в МРТ.-В п. 4.3.5;.. Требованиям перемагничиванию/релаксациинаночастиц МЖ. В р. 4.4..Выводы поТЛАВЕ 4..
В главе 5 «Экспериментальное, измерение скорости протекания МРЖ от величины • напряжённости- внешнего’ магнитного поля»’ приводятся экспериментальные данные измерения скорости течения МРЖ под действием/ постоянного магнитного поля, и их сопоставлёние с теоретическими расчетами. В главе ;5 рассматриваются следующие вопросы::-'
В р. 5.1. Установка-для измерения средней скорости Уср МРЖ..
В р: 5.2., • Динамика* протекания магиитореологической жидкости в дроссельных-каналах при действии‘.внешних магнитных полей;.
В п. 5.2.1. Общие сведения по измерению потока и-скорости МРЖ. \
• В п. 5.2.2. Деформация в> зазоре возбуждающего электромагнита дроссельного канала из диэлектрической полихлорвиниловой трубки.
В П..5.2.3. Установочные исходные данные проведения эксперимента. .
В п. 5.2.4. Проведение эксперимента по измерению средней скорости МЖ. В.п. 5.2.51 Результаты эксперимента измерения-средней скорости МРЖ.
В п. 512.6.Подтверждение возникновения аномальной магиитнойшязкости. В р..5.3. Выводы по ГЛАВЕ 5. '
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
' СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
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 на.-заданные частоты вибросигнала путём управления потоком магнитной . жидкости внешним магнитным полем. л.\. " ■
• .Предложено активное управление МРТ гидроопоры с замкнутой.' системой автоматического регулирования с применением микро-ЭВМ:
• Предложены физические .основы- действия; и конструкция МРТ гидроопор на основе кольцевого МРТ,. с элементами адаптивной настройки и электромеханического преобразования.. -• \ < . • Г
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 гидроопоры в; среднем 4. дБ, при наличии. газовых пузырьков объёмом до 1 см3): *■ ;
- • •'Осуществлен расчёт магнитной системы МРТ для.сильных (65 = 2 Тл)-полей ВЭ с железным ярмом. Решена задача управления-МРТ с МЖ.(Рез04) при Нб.= 140-103 А/м и М(И) = 446-I03 А/м с минимальной остаточной индукцией сердечников Вьст. 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 (Рез04 — Н!= 80-103 А/м и М(Н) = 446-I03 А/м, Т = 298 К);, и влияние размера частиц МЖ на работу индукционного МРТ. Для эффективного- управления скоростью дросселирования в канале, следует использовать МЖ, вязкость которых резко
изменяется во внешних магнитных полях. Чем круче будет кривая этой зависимости, тем легче будет управлять такой МЖ. .
• Получены данные эксперимента измерения', скорости течения . МРЖ (РсгОз) в дроссельном канале в постоянном магнитном поле при атмосферном давлении в собственном поле тяжести. Для Уср-, м/с - от 0,01-Ю,00. м/с от значений Н= 0 до Н = 142кА/м и значениях порогов «открывания/запирания» -от значений Н=101,152 кА/м/до- Н=141,614кА/м) в дроссельном канале. Произведено их сопоставление с теоретическими расчетами. '. ■
• Получены экспериментальные данные измерения значений скорости и времени релаксации МЖ (РегОз) от величины магнитной индукции В постоянного магнитного поля. Для Крсл , м/с - в диапазоне от 3,5*1 О*6 до 10*10-' м/с и для 1рсл., мин. - в диапазоне от 2,5 мин. до 7. мин. от значений магнитной? индукции от В =0,6/ Тл до В =1,2 Тл), подтверждающие возникновение кинематической аномальной магнитной: вязкоеги МЖ . в индукционном дроссельном канале: V аном. - в ^диапазоне от. 0,35*10? до 1,0*10'9 Ст. Что соответствует при р = 1,8-103 кг/м3 МЖ с динамической аномальной магнитной вязкостью в диапазоне от 0,63 до.1,8 Па*с (кг/м*с).—> 0,063 до 0,18 пуаз. •
• Построение*' МРТ гидроопор,. . на = принципах и конструкциях, рассмотренных в работе, позволяет создать новые виды.управляемых гидроопор, с обратной связью^ позволяющих настроить их на заданные частоты.
18
ГЛАВА 1-
КОНЦЕПЦИЯ ПЕРЕСТРОЙКИ ГИДРООПОР НА ЗАДАННЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТЫ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ^ ЧЕТЫРЁХПОЛЮСНИКОВ
I • • .
1.1; Гидроопоры как современные средства виброзащиты машин и: силовых агрегатов
■ Уровень шума и вибрации современных колёсных машин и агрегатов силовых установок стал: одним из главных показателей их качества и степени совершенства конструкции. Причиной: возникновения-• вибрации . и шума-является инерционные и газовые силы, в двигателе. Поскольку от этих сил в полной мере избавиться не удается,: даже используя дополнительные валы с .' дисбалансами, гасящими первоначальные силы, то виброизоляция- силового
•Г ■ * * , * • * • * * . ■ • .* •*
агрегата от корпуса автомобиля приобретает первостепенное значение; *
Задачами демпфирования колебаний силовых агрегатов машин ещё с 50-х - 60-х годов занимались: В.А. Глух, П И: Груздев, Д. Д.Дербаремдикер, Я.М. Певзнер, И:Г. Пархиловскищ Р.В; Рогенберг, Е.А. Чудаков, В.Г. Цимбалин.
; Дальнейшее развитие-работ в этом направлении, позволившее создать средства виброзащиты обусловлено работами В:Е.'Тольского, Н.Ф.' Бочарова, ; К.В. Фролова, В.Н. Ляпунова, В.Н. Луканина, Г\В: Латышева, Р Ф: Ганиева, Б.Н. Нюнина, Г.Д. Чернышева, Ф.М: Диментберга, Я.М. Певзнера [1-16]. Созданные на основе этих работ пассивные средства виброзащиты- автомобилей — резинометаллические виброопоры, гидравлические амортизаторы, пружины и звукоизолирующие материалы в настоящее время исчерпали свой потенциал. .
Возникла проблема поиска неординарных технических решений в области виброзащиты машин. Теоретические положения первого из них - активной виброзащиты автомобилей и водителей изложены в работах К.В: Фролова, A.B. Синева, В.Д: Шарапова. Однако, реализованные на основе теоретических положений средства, требовали дополнительных энергетических затрат, высокой трудоемкости и обладали малым ресурсом. В силу этих особенностей они не могли быть внедрены в массовое производство. Второе направление
19
связано с концепцией создания интегральных виброопор (гидроопор) с инерционными трансформаторами (ИТ), предполагающих использование для гашения вибрации иные физические принципы. В*, частности, совмещение в одной конструкции элементов структурного демпфирования и элементов диссипирующих энергию колебаний в средах с реологическими свойствами с помощью специально организованных дроссельных каналов. Впервые эффект диссипации энергии колебаний в средах с реологическими свойствами нашел применение в гидроопорах силовых агрегатов транспортных средств, разработанных фирмой Freidenberg (Германия) в 1979 году. Последующие годы ознаменовались лавинообразным потоком публикаций и патентов в области гидравлического демпфирования вибраций и ударов. Наибольшее число патентов, публикаций по этому направлению в США, Германии и Японии [137].
В России первые публикации относятся- к 1989 году (Гордеев Б.А., Образцов Д.И., Новожилов М.В. Применение диссипативных элементов в виброопорах силовых агрегатов машин. Препринт ИМАШ АН« СССР; Горький, 1989). Тогда же были разработаны и испытаны в Нф ИМАШ АН первые в СССР образцы гидравлических виброопор. Первые, успешно проведенные испытания гидроопор на автомобилях производства ОАО “ГАЗ” и ОАО*“ЗИЛ”, автобусах ОАО “ПАЗ” и ОАО*"ЛИАЗ" и на электровозах ВЛ 80С стимулировали работы по экспериментальным и теоретическим исследованиям, процессов в заполнителе с реологическими свойствами. К ним относятся работы Б.А. Гордеева, A.B. Синева, Ерофеева В. И., А.Г. Чистякова, А.И. Весницкого, С.О. Лазарева, В.В. Фролова, С.К. Карпова, B.C. Бакланова.В.С.
В настоящее время основными направлениями по решению проблемы виброзащиты машин и агрегатов являются внедрение систем виброизоляции с гидроопорами. Она заключается в установке между виброактивным и виброизолируемым объектами упругоинерционных элементов, настроенных на определенные частоты (рис.1.1) [17,19,21,22]. С конструктивно-компоновочной точки зрения эту проблему удалось решить в интегральных гидроопорах