Разработка метода расчёта и конструкции магнитореологических трансфоматоров гидроопор тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат физико-математических наук Охулков, Сергей Николаевич

• Охулков, Сергей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Охулков, Сергей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КОНЦЕПЦИЯ ПЕРЕСТРОЙКИ ГИДРООПОР НА ЗАДАННЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТЫ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ

ЧЕТЫРЁХПОЛЮСНИКОВ.

1.1; Гидроопоры как современные средства, виброзащиты машин и силовых агрегатов.

1.1.1. Интегральные гидроопоры в частотной области.

1.1.2. Расчёт гидравлических инерционных виброизоляторов на основе теории четырехполюсников.

1.1.3. От технических требований к передаточным функциям*.

1.1.4. Полюса и нули передаточной функции гидроопоры.

1.1.5. Идеальная амплитудно-частотная характеристика гидроопоры.

1.2. Построение физической модели,гидравлической виброопоры по результатам эксперимента.

1.2Л. Дифференциальное уравнение состояния гидроопоры. •

1.2.2. Преобразование Лапласа. Передаточная функция Т(б) гидроопоры.

1.3. Модель.гидроопоры в частотной области.

1.3.1. Расчет коэффициентовшолиномов функций.Т(Б) гидроопор ОГ -90.

1.3.2. Расчёт приведённой массы и обобщённого гидравлического коэффициента трения инерционных трансформаторов гидроопор.

1.3.3 Нормировка полиномов У^) и Х(з) функции-Т(з).:.:.

1.3.4. Расчёт полюсов и нулей передаточных функций гидроопор.

Амплитудно-частотные характеристики гидроопор ОГ-90.

1.3.5: Частотные динамические показатели качества гидроопор.

1.3.6. Определение динамических резонансов гидроопоры ОГ-90.

1.3.7. Анализ зависимостей динамической податливости гидроопор.

1.3.8. Корневые годографы гидроопор 0Г-90.

1.3.9. Оценка распределения полюсов передаточной функции гидроопоры и их связь с показателями качества.

1.4. Концепция перестройки гидроопор на заданные резонансные частоты.

1.4.1. Необходимость в разработке концепции перестройки гидроопор.

1.4.2. Построение информационной модели гидроопоры.

1.4.3. Оптимальное управление гидроопорой с МРТ.

1.4.4. Поиск экстремума показателя динамического резонанса гидроопоры

1;5. Выводы по ГЛАВЕ IV.

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИЯ МАТНИТОЕЕОЛОГИЧЕСКИХ

ТРАНСФОРМАТОРОВ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ГИДРООПОР:.

2.1. Физические основы действия индукционных МЕТ гидроопор.

2.1.1. Установление характера течения МРЖ в дроссельных каналах МРТ гидроопоры при действии инерционной нагрузки.

2.1.2. Проводящие движущиеся среды в электромагнитном поле МРТ.:.

2.1.3. Плотность потока электромагнитной энергии для случая проводящей жидкости в магнитном поле МРТ.

2.1.4. Магнитовязкий эффект электропроводных жидкостей гидроопор:.

2.1.5. Магнитное давление.

2.2. Конструкция индукционных МРТ перестраиваемых гидроопор с внешним расположением возбуяедаемых электромагнитов:

2.2.1 Классификация магнитореологических трансформаторов.102:

2.2.2. Симметричные кольцевые МЕТ перестраиваемых^гидроопор

2.23'. Основные-конструктивные параметры индукционных МРТ.

2.2.4. Основные элементы конструкции индукционных МРТ.

2.2.5. Особенности работы магнитореологических гидроопор-.

2:з; Выводы поглаве 2:.:.:.:.:.:.;;.

ГЛАВА 3. ВОЗУЖДЕНИЕ И РАЗМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ОСТАТОЧНОЙ*

МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИЕЙ В ИНДУКЦИОННЫХ МЕТ.

3.1. Особенности применения дорогостоящих ферритовых элементов в

МЕТ и их замена элементами с остаточной, магнитной индукцией:.

3.1.1. Общие состояние проблемы.

3.1.2. Процессы намагничивания и размагничивания в ферромагнетиках.

3.1.3. Понятие глубины проникновения электромагнитной волны в проводящей среде.

3.1.4. Оценка глубины проникновения электромагнитной волны в поверхностный слой ферромагнитного сердечника ВЭ.

3.2. Расчёт магнитной цепи индукционного МРТ гидроопоры.

3.2.1. Постановка задачи к расчету магнитной цепи МРТ.

3.2.2. Расчетная эквивалентная схема магнитной цепи кольцевого МРТ.

3.2.3. Упрощённая схема возбуждения двух дроссельных каналов.

3.2.4. Отношение управляющих параметров перестройки UK//B.

3.3. Расчет параметров возбуяедающего электромагнита при заполненных магнитной жидкостью дроссельных каналах и при воздействии на гидроопору внешней силы.

3.3.1. Упрощённый расчет параметров ВЭ МРТ гидропоры с МЖ.

3.3.2. Основной вклад при работе МРТ вносит намагниченность МЖ.

3.4. Совместное возбуждение и размагничивание ферромагнитных-элементов индукционного МРТ при перестройке его по частоте.

3.4.1. Выбор управляющих параметров возбуждающих электромагнитов.

3.4.2. Расширение диапазона перестройки МРТ гидроопоры за счёт запаса ^ на напряжённость магнитного поля в зазорах ВЭ^.

315. Создание рабочего режима намагничивания индукционного «МРТ.

3.5.1. Выбор рабочего режима возбуждающих электромагнитов, индукционного МРТ.150'

3.5.2. Амплитудно - частотные характеристики блока возбуждения МРТ.

3.5.3. Блок возбуждения МРТ с формирователем двухполярных импульсов.

3.5.4. Принципиальная схема формирования модулирующих импульсов размагничивания.

3.5.5. Принципиальная схема и диаграммы напряжений в схеме формирователя модулирующих импульсов.

3.5.6. Перестройка по частоте МРТ методом «Включено — Выключено».

3.7. Выводы по ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4: МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДЫ ДЛЯ

ИНДУКЦИОННЫХ МРТ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ГИДРООПОР.

4.1. Реологические среды с магнитными наночастицами в МРТ.

4.1.1. Применение магнитореологических сред с наночастицами в МРТ.

4.1.2." Общие сведения о магнитных жидкостях.

4.1.3. Размерные эффекты в магнитных наночастицах МЖ.

Организация ¡магнитных-коллоидов в магнитном поле.

4.2.1. Структуры магнитных межкластерных связей в магнитном поле.

4.2.2. Ценочечно - ленточная модель МЖ в дроссельном канале МРТ.

4.2.3. Изменение концентрации и структуры ленточных молекулярных магнитных кластеров.;.

4.214. «Кластерные мембраны» магнитных наночастиц - гигантских исевдомолекул МЖ в индукционном дроссельном канале МЕТ.

4.3; Влияние наноструктур в МЖ на быстродействие МРТ гидроопор.

4.3-1. Необходимость знания влияния наночаспщ на быстродействие МРТ

4.3.2. Остаточная намагниченность наночастиц магнитной жидкости.

4.3.3.Появлениеаномальной магнитнойвязкостиМЖпослевоздействия постоянного внешнего магнитного поля. .1.

4.3.4., Ликвидации аномальноймагнитнойвязкостиМЖвМРТ.

4.3.5. Требования^кшеремагничиванию/релаксации наночастиц МЖ.

4.4. Выводы но ГЛАВЕ 4 -. 1.- v.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ПРОТЕК АНИ Я МРЖ ОТ В Е ЛИЧ ИНЫМ АПРЯ ЖЕН! I ОСТИ

ВНЕШНЕГОМАГНИТНОБОШОЛЖ. . . .:.

5.1.Установка для измерения средней скорости.Vcp МРЖ.

5.2. Динамика протекания магнитореологической- жидкости в дроссельных каналах при.дёйствии'внешних:магнитныхш0лей;:.:.!

5;2Л . Общие сведения по измерению потока и скорости МРЖ.'. . 194'

5.2.2. Деформация в зазоре возбуждающего электромагнита дроссельного канала из диэлектрической полихлорвиниловой трубки.,.:.

5.2.3. Установочные исходные: данные проведения эксперимента с МРЖ.

5.2.4. Проведение эксперимента по измерению средней скорости МРЖ.

5.2.5. Результаты эксперимента по измерению средней скорости МРЖ.

5.2.6. Подтверждение возникновения аномальной магнитной вязкости МЖ

5;3: Выводышо ГЛАВЕ 5:.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода расчёта и конструкции магнитореологических трансфоматоров гидроопор»

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. 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 (МЕТ). В них диссипация энергии колебаний; двигателя происходит в средах, с мапштореологическими жидкостями (МРЖ) и электрореологическими жидкостями (ЭРЖ), а теплоотвод в основном, обеспечивается металлическим корпусом.

Цель и 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 мапштореологическими 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 дляхоздания 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)иих концепцияуправлениявМРТ; c)- — разработка экспериментальной? установки- по измерению средней« скорости течения-МРЖ в дроссельном'канале от напряженности Н постоянного магнитного поля дляшодтверждения 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. '

Научнаяшовизна работы;;

Новыми являются; следз^ощие результаты работы: .

- Разработан^ метод расчета1 гидроопор1 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) гидроопррами.

- 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.1

- Установлено, что для виброгашения ударных нагрузок наиболее оптимально подходит применение МРЖ с доменами в несколько нанометров. Показаны модели образования «кластерных мембран» наночастиц МЖ в индукциониых дроссельных каналах.

- Разработаны экспериментальные установки по измерению средней скорости течения, скорости релаксации и времени релаксации МРЖ в индукционном дроссельном канале от величины напряженности И 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.

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 средстввиброзащиты.

Результаты диссертации бьши полученьгпри вьтолнении 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., ПотаповА.И., Гордеев Ъ.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 инердионно-демфирующими элементами для защиты операторов мобильных машин и инженерных сооружений рельсового и дорожного транспорта!1 Теория. Эксперимент. Компьютерное моделирование» (2007-2010 г.г.,№ 08-08-97057-Р). - Гранту РФФИ:: «Нелинейная; волновая динамика, и устойчивость роторных систем» (20 Г 1т., № 11-08-97066-РПоволжье).

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 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 дроссельных 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 см ).

• Построение МРТ с его магнитной системы для сильных (Bs = 2 Тл) полей ВЭ с железным ярмом. Решена задача управления МРТ с МЖ (Fe304) при Н8 = 140-103 А/м и М(Н) = 446-Ю3 А/м с минимальной остаточной индукцией I 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-Ю3 А/м, Т = 298 К), и влияние размера частиц МЖ на работу МРТ.

• Экспериментальные данные измерения скорости течения МРЖ в дроссельном канале (0,01-Ю,00 м/с) при атмосферном давлении в собственном поле 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. А.А. Благонравова РАН, НФ ИМАШ РАН, GOO «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 доя целей настройки' гидроопор на заданные частоты вибросигналов. Лично автором предложены: расчёт, динамических ха]рактеристйк гидроопоры -через нули и полюса её передаточной функции; построение физической модели гидроопоры с МРТ с САР; конструкцийи гидроопор с МРТ; проведён расчёт электромагнитной системы МРТ; разработана концепция построения блока управления МРТ.

Под непосредственным руководством соискателя с аспирантами Г1.Н. Морозовым и А.Н. 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.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Охулков, Сергей Николаевич

В р. 5.3. Выводы по ГЛАВЕ 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.