Введение к работе
Актуальность работы.
Тема диссертационной работы «Управление магнитореологическим демпфером ударных нагрузок ортогональными магнитными полями» продиктована актуальностью проблемы защиты от ударных воздействий в современном машиностроении, поскольку надежность и безопасность функционирования оборудования в основе работы которого используются ударные импульсы зависит от уровня вибрации в широком спектре частот. Постоянное повышение мощностей силовых установок ударного действия приводит к возрастанию уровней и расширению вибрационного спектра колебаний действующих на конструкцию, что обуславливает необходимость совершенствования ударозащитных систем и внедрение новых технических решений без снижения жесткости опор в заданной частотной области.
Применяемые в промышленности резинометаллические демпферы ударных нагрузок, имеют резонансный характер амплитудно-частотной характеристики (АЧХ); малое время релаксации; снижение демпфирующих свойств, при длительной работе демпфера (теплоотвод незначителен). В результате демпфер теряет основные свойства. В настоящее время актуальной является задача разработки демпфирующих средств нового поколения, работа которых основана на иных физических принципах. Наиболее перспективным в настоящее время является разработка магнитореологических демпферов (МР-демпферов) с магнитореологическим трансфоматором (МРТ). В них поглощение энергии ударных импульсов происходит в средах с магнитными жидкостями (МЖ). Однако, такие демпферы подвержены действию температурных полей, что приводит к ухудшению демпфирующих свойств. Установлено, что с ростом температуры МЖ невозможно предварительно настроить МР-демпфер с МРТ на заданные частоты, при изменяющейся нагрузке, из-за неизбежного падения с ростом температуры гидравлических коэффициентов трения МЖ.
Научная проблема.
В данной работе ставилась задача исследования зависимости параметров МРТ от температуры рабочей жидкости и характеристик ортогональных магнитных полей. Выяснено наличие остаточного гистерезиса в МЖ. Построены частотные характеристики с учетом изменения температуры МЖ. Выявлены критерии характеризующие движение жидкости как функции изменения магнитных полей. Выяснено что, в цилиндрическом зазоре при некоторых значениях магнитной индукции возникают магнитные цепочки в МЖ которые тормозят движения и приводят к более сильному нагреву рабочей среды. Выявлено, что для устранения этого явления, отрицательно влияющего на работу МРТ необходимо изменить направление магнитного поля.
Цель и задачи работы.
Цель работы заключается в разработке метода построения ударогасящих систем принцип действия, которых основан на взаимодействии магнитореологических коллоидов с магнитным и температурным полем. В работе решались следующие исследовательские и технические задачи.
Исследовательские задачи:
Разработка концептуальной модели МР-демпфера с индукционным МРТ;
Исследование эффектов аномальной магнитной вязкости МЖ;
Применение математического аппарата, на основе теории четырехполюсников позволяющего рассчитать динамические характеристики МР-демпфера;
Исследование процесса дросселирования МЖ в магнитных полях;
Исследование влияния температурного поля на динамические свойства МР-демпфера.
Технические задачи:
Разработка экспериментальной установки для измерения скорости релаксации МЖ;
Разработка экспериментальной установки для измерения оптимального содержания количества растворенных газов в рабочей камере МР-демпфера.
Научная новизна.
Новыми являются следующие результаты работы:
Разработан метод расчета МР-демпфера при его проектировании по заданным требованиям на АЧХ на основе теории четырехполюсников. Построены физические модели МР-демпферов в ортогональных магнитных полях. Предложен метод перестройки МР-демпфера на заданные частоты;
Рассмотрены физические основы действия и конструкция МР-демпфера на основе кольцевого МРТ с элементами адаптивной настройки и электромеханического преобразования, осуществлено построение магнитной системы МРТ;
Разработана магнитная система кольцевого МРТ с возбуждающими электромагнитами (ВЭ), которые создают внешние электромагнитные поля при изменении динамических характеристик вибросигнала. Возбуждающие электромагниты МРТ управляются схемами источников намагничивающего тока;
Установлено, что для гашения ударных нагрузок наиболее оптимально подходит применение магнитореологических заполнителей - МЖ с доменами размером от нескольких десятков нанометров;
Разработана экспериментальная установка с ультразвуковым фазовым измерителем микроперемещений для измерения скорости релаксации МЖ;
Установлено оптимальное содержание растворенных газов в рабочей камере МР-демпфера влияющее на его демпфирующие характеристики;
Практическая значимость работы.
Проведенные исследования, предложенный метод расчёта динамических характеристик МР-демпферов, позволяющий разрабатывать новое поколение виброгасящих средств с применением МЖ в широком частотном диапазоне, с осуществлением обратной связи, которая дает возможность проводить настройку и выбор параметров МР-демпферов. Практическая ценность диссертационной работы обусловлена её прикладной направленностью на создание современных эффективных средств виброзащиты. Результаты диссертации были получены при выполнении работ по:
Плану основных заданий НФ ИМАШ РАН 2009-2012 г.г. по теме «Разработка моделей и методов расчета нелинейных волновых процессов, хаотической синхронизации и формирования кластерных структур в машинах, создание высокоэффективных адаптивных систем виброзащиты» (научный руководитель, д.ф.-м.н. профессор Ерофеев В.И.);
Гранту РФФИ: «Системы виброизоляции с внутренними инерционно-демпфирующими 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 теории четырёхполюсников, гидродинамики, электромагнитного поля, магнитной гидродинамики и методов расчета электромагнитных систем. Теоретические исследования подтверждены экспериментами с использованием стендов.
Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на базе лаборатории «Виброзащиты машин» Нижегородского Института проблем машиностроения РАН. Ряд экспериментальных данных был получен на предприятии ООО «Триботехника».
Достоверность.
Полученные результаты и выводы согласуются с положениями механики сплошных сред, теории электромагнитного поля, магнитной гидродинамики, а также сходимостью экспериментальных результатов с результатами теоретических расчетов.
Научные положения, выносимые на защиту.
Метод расчёта динамических характеристик МР-демпферов при их настройке на заданные частоты на основе теории работы режекторного фильтра;
Применение теории четырёхполюсников для получения более точной модели ударного демпфера с заданной передаточной функцией. Применена модель МР-демпфера с заданной передаточной функцией;
Метод перестройки МР-демпферов путём управления потоком магнитной жидкости внешними ортогональными магнитными полями;
Выявление свойств МЖ в магнитном поле и влияние размера частиц МЖ на работу индукционного МРТ;
Определение скорости релаксации магнитной жидкости по полученным экспериментальным данным;
Определение оптимального содержания растворенных газов в рабочей камере демпфера влияющие на его демпфирующие характеристики по экспериментальным данным.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на международных и российских научно-технических конференциях, в том числе:
Первая Всероссийская конференция "Проблемы механики и акустики сред с микро и нано-структурой. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009 г.;
IX Всероссийское совещание-семинар "Инженерно-физические проблемы новой техники". Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 г.;
XXII Международная Инновационно-ориентированная конференция молодых учёных и студентов МИКМУС-2010. Будущее машиностроения России. Москва, Институт машиноведения им. А.А.Благонравова РАН, 2010 г.;
Международная научно-техническая конференция Ассоциации автомобильных инженеров "Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров" посвященной 145-летию МГТУ "МАМИ", Москва, МГТУ «МАМИ», 2010 г.;
IX Международная молодежная научно-техническая конференция "Будущее технической науки". Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2011 г.;
Х Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Н.Новгород, ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2011 г.;
XXIII Международная Инновационная конференция молодых ученых и студентов МИКМУС-2011. Москва, Институт машиноведения им. А.А.Благонравова РАН, 2011 г.;
Х Всероссийское совещание-семинар "Инженерно-физические проблемы новой техники". Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012 г.;
VII Международная научно-практическая конференция STAR Russia 2012: "Компьютерные технологии: решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности". Н.Новгород, ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2012 г.;
IX Всероссийская научная конференция "Нелинейные колебания механических систем" им. Ю.И. Неймарка. Н.Новгород, ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2012 г.
Личный вклад соискателя.
В совместных работах научному руководителю принадлежит постановка задачи и идея расчета динамических характеристик МР-демпфера на основе теории четырехполюсников и режекторного фильтра для целей настройки его на заданные частоты вибросигналов. Автором предложена концепция построения физической модели МР-демфера. С помощью предложенного акустического ультразвукового фазового метода автором измерено время релаксации и скорости дросселирования магнитной жидкости и обнаружено явление аномальной магнитной вязкости рабочей жидкости, а также проведены все необходимые расчеты. Научными сотрудниками к.ф.-м.н. С.Н. Охулковым и В.В. Бугайским, совместно с автором разработаны экспериментальные установки и проведены исследования.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 103 наименований. В работе содержится 70 рисунков и 38 таблиц. В конце каждой главы приведены выводы по рассматриваемым вопросам.
