Разработка метода расчёта и конструкции магнитореологических трансфоматоров гидроопор тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

005001594

на правах рукописи

Охулков Сергей Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЁТА II КОНСТРУКЦИИ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИХ ТРАНСФОМАТОРОВ ГИДРООПОР

Специальность: 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

1 О НОЯ 2011

Нижний Новгород 2011 г.

005001594

Работа выполнена в Нижегородском филиале Учреждения Российской академии наук Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН

Научный руководитель: доктор технических наук

Гордеев Борис Александрович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Киселёв Михаил Иванович.

доктор физико-математических наук, профессор Дерендяев Николай Васильевич.

Ведущая организация: Нижегородский государственный технический

университет им. Р. Е. Алексеева.

Защита состоится « 17 » ноября 2011г. в 1500 час. на заседании диссертационного совета Д 212.166.09 при Нижегородском государственном университете им. Н. И. Лобачевского по адресу: 603950, ГСП 20, 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, доктор физико-математических наук, профессор

/Л. А. Игумнов/

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 магнитогидравлическим 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 канапе.

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. Установлен вид eö 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 регулировал (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 дм виброгашения ударных нагрузок наиболее оптимально подходит применение магнитореологических заполнителей - МРЖ с доменами размером от нескольких десятков нанометров;

- разработаны экспериментальные установки по измерению средней скорости течения МРЖ в индукционном дроссельном канале, скорости и времени релаксации МЖ, получены экспериментальные зависимости скорости протекания МРЖ, аномальной вязкости, скорости и времени релаксации МЖ от величины внешнего 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 перспек-тивной направленностью на создание современных эффективных средств виброзащиты.

Результаты диссертации были получены при выполнении работ по:

- Плану основных заданий НФ ИМ ALU 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 внутрешшми 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. A.A. 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.

3

• 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 (В5 = 2 Тл) полей ВЭ с железным ярмом.

• Решение сложной технической задачи управления МРТ с минимальной остаточной индукцией Вост. ферромагнитных сердечников ВЭ - создание режима их намагничивания/размагничивания, при изменяющемся синфазно управляющем магнитном поле с изменением частоты вибросигнала.

• Выявление свойств МЖ в магнитном поле (Fe304-H = 80-103A/M и М(Н) = 446-Ю3 А/м, Т = 298 К), и влияние размера частиц МЖ на работу индукционного МРТ.

• Экспериментальные данные измерения скорости течения МРЖ в дроссельном канале в собственном поле тяжести от напряжённости постоянного магнитного поля в диапазоне от II = 0 кА/м до 11= 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. 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, 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 АЧХ и 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 МРТ; 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 проведённые работы 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 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 средств виброзащиты и практическая ценность выполненных исследований. Отражены основные положения, выносимые на защиту, кратко излагаются содержание и выводы диссертации.

Первая глава. Отмечаются работы российских и советских ученых в области виброзащиты машин и силовых агрегатов. Исследованиями в данной научно-технической

области ещё с 50-КЮ-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. Первое направление поиска - активная виброзащита автомобилей - это работы К.В. Фролова, A.B. Синева, В.Д. Шарапова, ИМАШ РАН.

Второе направление поиска - создание интегральных гидроопор. Это работы Б.А. Гордеева, Ерофеева В.И, A.B. Синева, А.Г., О. О. Мугина, А. И. Весницкого, С.О. Лазарева, В.В. Фролова, С.К. Карцова, B.C. 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). Основные 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 опоре происходит за счет сил инерции колеблющейся жидкости в полостях 3, деформации подвижной гофрированной мембраны 5 и упругой перегородки 7, а также за счет дросселирования определенного 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 - активных рабочих сред с изменяющимися реологическими характеристиками, заполняющих рабочий объём гидроопоры. Модернизация предполагает использование гидравлических трансформаторов, настроенных на определенные частоты возбуждения о)в,, 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 и установление вида её передаточной функций и рассмотрения 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 и выбор её структурной схемы и её элементов.

Так гидроопора установленная на основании (рис. 1,6) содержит, наряду с обычно применяемыми пружиной и демпфером, дополнительный элемент -

инерционный трансформатор с приведенной массой тит = ЬА2 .

Динамическая жесткость гидроопоры без учета диссипативных характеристик и действия нагрузки массой т равна:

Ц (5) = Ц2 (5) = ЫУ + сг + (А2 / Е). (1)

В формуле (1) 5 - переменная преобразования Лапласа; Сг - жесткость упругой обечайки, Н/м; А - площадь поршневого действия обечайки, м2; = р/ / Ат ■ кг/м4 - инерционное сопротивление, / -длина, ми Ат - площадь сечения эквивалентного дроссельного канала, м2; £ - емкость дополнительной камеры (рис.1,а,б), (см. р. 1.1).

Если на гидроопору устанавливается нагрузка массой т то, суммарная динамическая жесткость при действии на массу ТП силы Р равна

£)20) = Д,0) = (т + 1Аг)нг + сг + (А2 / Е), (2)

то передаточная функция по силе - отношение вибрационной силы на выходе гидроопоры к смещению или скорости на её входе (рис.2, а) будет равна.

Fx (У) _ £>, _ LA2s2 +cr+ (А2 / Е)

(3)

- действительные части корней полиномов передаточной функции - нулей

F О) D2 (m + LA )s +cr + (A' / E)

Передаточная функция гидроопоры (3) или её коэффициент передачи являются основными характеристиками, отражающими способность гидроопоры к виброгашению в заданном частотном диапазоне вибросигнапов.

В общем гидроопора характеризуется нормированной передаточной функцией:

T(s) = K(s2 + 2стzs + co2z) /(52 + 2 aps + (o\), (4)

где аг > a

и полюсов, несущих информацию о гидравлическом коэффициенте трения рабочей жидкости в дроссельных каналах гидроопоры, при qz < q - добротностях нулей и

полюсов, где qz = (B7/2gz, qp =C0p/2öp. 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 ш — круговые частоты возбуждения; jco - значения мнимых частей корней полиномов функции T(s) - нулей и

полюсов, несущих информацию о её динамической жёсткости.

>

Гидроопора

BXOflFe

К

■ ь

1

Рис. 2. о - Связь реакции y(t) системы (объекта) во временной области с возмущениями системы x(t); б - Диаграмма полюсов и нулей передаточной функции гидроопоры; в -Идеальная режекторная амплитудно-частотная характеристика гидроопоры.

В концепцию расчета динамических характеристик гидроопоры входит расчёт полюсов и нулей её передаточной функции T(s), показателей динамических податливости и динамических резонансов на всех частотах вибрации.

До предварительной настройки гидроопор на заданные резонансные частоты необходимо 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.

При построении физической модели гидроопоры применялось дифферинциаль-ное уравнение состояния гидроопоры вида:

(т + тит )• у + Ь^у + С„ у = тит-х + Ьг1х + С2,х, (5)

где: левая часть уравнения (5) является выходным сигналом, а правая часть уравнения является её входным сигналом; у = г2 и х = г1;т- масса нагрузки; тит -

приведенная масса; Ь2, - общий коэффициент трения; Си - жесткость обечайки, при этом жесткостью диафрагмы пренебрегаем и считаем, что давление в компенсационной камере равно атмосферному.

не'

С[ т н/м

S

/

¡с 0 t.*** ¡г, 2 ...

ф _ ; s i* 2

fi -ц]

С[ — н/м / .... 10

f /a V

10 A

f * ' t / / /

# 9

f

f

1

ft Гц]

9

7а,

О 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300

Рис. 3. Экспериментальные зависимости динамической жесткости гидроопор от частоты возбуждения для гидроопоры ОГ-90.

Общий коэффициент тления является суммой, которая состоит из коэффициента трения резиновой обечайки - b(I)zi и гидравлического коэффициента трения рабочей жидкости в дроссельном канале гидроопоры b(2)zl.

Далее проводим преобразование Лапласа над левой и правой частями дифференциального уравнения состояния гидроопоры (5).

Заменяем у на Y, а коэффициенты т ; bzl и Q на соответствующие производным коэффициенты а2; ац и аи в левой части выражения (5). В правой же части выражения (5) заменяем коэффициенты тит; bzl и Czi при производных на

коэффициенты Ь2; Ьп и Ьщ. При такой замене коэффициентов получим следующее выражение для дифференциального уравнения состояние гидроопоры, при ш,, = const: a2-y + aXiy + a0iy = b2-x + bux + b0ix. (6)

Продолжая выполнять преобразование Лапласа над частями уравнения (6) получаем выражение для передаточной функции гидроопоры. Такая функция имеет вид:

щ=ж=У;+У+У (7)

X(s)i a2s +aus + a0j

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 f„ трех вариантов №№ 1+3, построенных на основе расчёта полюсов и нулей передаточных функций T(s)i;i, T(s)2;, и T(s)3;i по выражению (7).

На рис. 4,6 показана зависимость степени устойчивости X гидроопор типа ОГ-90 от частоты возбуждения fBi, в полосе от 8,0 225 Гц, полученной в результате математического расчёта по полюсам передаточных функций T(s)i.

Рис. 4. а) Зависимости АЧХ гидроопор ОГ-90 от частоты возбуждения & трех вариантов №№ 1+3; б) График зависимости степени устойчивости X гидроопор типа ОГ-90 от частоты возбуждения & , в полосе от 8,0 225 Гц.

На рис.5,а,б показаны характерные зависимости качественных показателей гидроопоры: а) - относительной динамической податливости \xJ\ii, и б) - относительных динамических резонансов цо/ц для трех вариантов гидроопор ОГ-90 для всего ряда частот возбуждения. Зависимости строятся относительно показателей ц<> на резонансных

Рис. 5. Характерные зависимости качественных показателей а) - относительной колебательности (податливости) ц/цо и б) - относительных динамических резонансов цо/ц для трех вариантов гидроопор типа ОГ-90 для всего ряда их частот возбуждения.

Сравнивая расчётные зависимости АЧХ трех вариантов гидроопор ОГ-90 №№ 1+3 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-90 вариантов №№1,2,3 является значение частот возбуждения f, = 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 T(s)i;,, T(s)2;i и T(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 T(s)i . Полюса функций T(s), гидроопор комплексно-сопряжённые и симметричны оси Re в левой S - полуплоскости (Si,S2). Это указывает на то, что передаточная функция T(s)i устойчива, и её полюса не лежат в правой S - комплексной полуплоскости, т.е. гидроопора в САР не подвержена к самовозбуждению.

-Re -4,2-1,0 -3,8 -3,6 -3,4 -3,2 -3,0 -2,8 -2,6 -2.4 -2.2 -2,0 -1,8 -1,6 -1.4 -1.2 -1,0 -0,8 -0.6 -0,4 -0,2

+ ¡200 ♦ j180 ■4160 ■4140 ■4120 ■4100 ■480 ■460 ■440 ■420

1 Irr.

и •

1

чЯ

У 1

2

\

3 *v \

«- V

Ч i

V

г

1

„8,0

225 200 175 150 125 100 75 50 25

/,ит

1 1

+ ¡200 + j180 4160 4140 ■4-120 •4 100 ■480 •460

440

■420

-Re "4'2 "40 -3'8 -3,6 -3,4 -3,2 -3,0 -2,8 -2.6 -2,4 -2.2 -2.0-1.8 -1,6 -1.4 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0.4 -0.2 0" Рис. 6. Корневые годографы гидроопор ОГ-90 вариантов №№ 1+3 во втором квадранте комплексной S — плоскости в зависимости от частоты возбуждения.

От значения и расположения полюсов функции T(s)j зависит переходная характеристика гидроопоры. Переходная характеристика определена связью между параметрами X и ц частотных показателей качества гидроопоры. Корни характеристического уравнения, расположенные ближе к мнимой оси дают составляющие переходной характеристики, которые затухают наиболее медленно.

По значению параметра к можно приближенно оценить время регулирования, а по значению ц оценить значение перерегулирования переходной характеристики

гидрооопоры: tp < ЗД и и < е'*1" ■ 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. 3+6) об интересующих частотных зависимостях гидроопоры является её информационной моделью, представлен при помощи специального математического аппарата, графиков, диаграмм и таблиц, которые необходимы в качестве исходных данных для последующей их переработки для целей настройки замкнутой системой автоматического регулирования (САР) 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 уВЬ1Х с выхода МРТ гидроопоры, несущих информацию о внешних воздействиях на него, информация о задающих значениях АЧХ - показателей динамического резонанса п и т. п. Вычислительное устройство микро-ЭВМ по заложенной в него программе вычисляет оптимальное управление ui МРТ.

Управляющая микро-ЭВМ

Блок Щ, формирования J напряжения -возбуждения ВЭ

Масса HmpyiKU

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 г "=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 ц 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. F* =vxB - силу Лоренца, где v [м/с] - скорость МРЖ в дроссельном канале; В [Тл] - магнитная индукция. Эта Э.Д.С. и определяет наведенный осевой индуцированный ток в дроссельном канале (рис.8).

Дроссельный

Рис. 8. Протекание МРЖ в индукционном дроссельном канале, где: \ж - скорость протекания МРЖ; Но - напряженность однородного магнитного поля; Ф0 и <E>s — магнитные потоки - основной и рассеивания; т - напряжение трения в любой точке сечения дроссельного канала.

Работа индукционных МРТ гидроопор основана на магнитовязком эффекте -свойства МРЖ изменять свое магнитное состояние под влиянием внешнего магнитного поля, (рис.9,а,б).

Ч(Ю, мПас МЖ-2

МЖ-1

Н.КААк

а) 6) 0 too 200 300 400 500

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 ц 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 - Ml: 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. 10,6) 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

А = ^2/цуа>в , (8)

где: юв = 27tfB - угловая частота изменяющегося однополярного электромагнитного поля в магнитной перегородки; ц - магнитная проницаемость; у - 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 (Bs = 2 Тл) полей электромагнитов с железным ярмом для МЖ на основе (Fe304) при Hs = 140-103 А/м и М(Н) = 446-Ю3 А/м, Т = 298 К.

МДС ВЭ FK « 21,0 А • В, вычисляется при числе NB витков из выражения:

Fk=IkNb[A-b]. (9)

По току катушки IK = FK/NB =30-10"3Л выбрано, число NB=715 её

витков диаметром провода 00,14 мм марки ПЭВ-0,16. Число витков катушки ВЭ, при частоте/в и напряжении Uk возбуждения, определяется из выражения,

NB«—^----(Ю)

2к/вФп

Из выражения (10) определён магнитный поток ВЭ,

Фп» Uk «0,2-10 -3Вб- (И)

2 nfBNB

Напряжение на катушке ВЭ (t/к.тах = 85В), которое определяется напряжением питания UB и схемой соединения катушек, будет определяться из выражения,

UK«2jt/BNBOn. (12)

Тогда ток Ь катушки ВЭ определяется выражением:

I,«---(13)

27iNQL3 /в

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-ки блока возбуждения МРТ гидроопоры для ВЭ показана на рис. 11,6.

Размагничивание ВЭ

1в, [Гц]

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 г " 0 10 20 30 40 50 60 70 80

а Гв>1Гц1 б

Рис. 11. а) - Изменения напряжения возбуждения и напряжения размагничивания сердечников ВЭ и размагничивания МЖ, от значений частоты перестройки /в; б) - АЧХ блока возбуждения / размагничивания сердечников ВЭ и МЖ МРТ гидроопоры.

Как видно, из выражения (13), при выбранных управляющих параметрах перестройки МРТ гидроопоры - частоте /в и напряжении на катушке UK, отношение управляющих параметров перестройки должно быть величиной постоянной и определяться выражением,

Uk

/в

В

Гц.

: 2jtNH<br

' 27tNBL3I3 = const •

(14)

Это очень важный факт, позволяющий создавать постоянный магнитный поток удержания в полюсе перестройки ВЭ и перестраивать МРТ гидроопоры по частоте /в. 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 /в (рис. 11,а).

АЧХ блока возбуждения / размагничивания сердечников ВЭ и МЖ МРТ (рис. 11,6) формируется до высоковольтного (до 300В) выходного усилителя мощности. Здесь требуется применение усилителя с управляемым коэффициентом усиления.

Магнитный поток возбуждения ВЭ Ф0, а также и ток возбуждения i0(t), должны

изменяться по прямоугольному закону. ВЭ 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 намагничвания 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. При таком возбуждении дроссельных каналов МРТ предлагается схема формирования двухполярного сигнала с изменяющейся полярностью, реализованная в блоке возбуждения МРТ 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 времен-

ные интервалы действия модулированного сигнала размагничивания с удвоенной частотой вибрации 2/с уменьшать (например, до 1/8 периода действия вибросигнала, т.е. до Тр = Тс / 8, где Тр - время размагничивания). Это и реализуется блоке возбуждения МРТ. Диаграммы напряжений возбуждения / размагничивания в блоке возбуждения МРТ показаны на рис. 12.

т

а)

к.

tu'Jt,

v, ( е) к ^

, ж) к к

и, и 3) и

f r,«tu

г)

tu

Z,«tu

tu-JT,

b)

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 через цифровой коммутатор на схему источника намагничивающего тока - на высоковольтный (до 300В) выходной усилитель мощности (при токе 30 • 10~3Л), и далее на ВЭ МРТ.

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 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 комму-

татором схем источников намагничивающего тока ВЭ в блоке возбуждения МРТ путем набора необходимой комбинации программным способом.

При управлении процессом настройки по частоте МРТ гидроопоры с помощью ключей цифрового коммутатора схем источников тока ВЭ применяется метод «включено-выключено». Для перестройки МРТ гидроопоры по методу «включено-выключено», необходимо отключить или включить несколько схем источников намагничивающего ВЭ при помощи полупроводниковых ключей, как только при перестройке по частоте МРТ достигается требуемое значение подавляемой частоты вибросигнала. 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 ЮОмкм) 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 цмж ~ 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 Lcnt^ каждая наночастица представляет собой отдельный магнитный домен. В устойчивых коллоидах обычно размер частиц не превышает 10-15 нм (рис. 13,а).

Первый критический размер частиц МЖ соответствует переходу в однодоменное состояние. Для железа критический диаметр однодоменности равен примерно 17 нм, для оксида железа у- FC2O3 примерно 60 нм.

Второй критический размер частиц МЖ соответствует переходу в суперпарамагнитное состояние. Для магнитных частиц РегОз 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.

Нс^и (£ _ шир.ДС)

Монодомены ч»— Мупьтидомены

Пл

Супер-ЩРШЖЮМ \ Нс~ 1/L

HC~L6, \

1.: , 1.0

а ®.о

5

£-1,0 -2,0

Lcr2

Lc, 1 L'M Н.Э

а б

Рис. 13. а) Зависимость Не = flL) коэрцитивной силы от размера частиц магнитной жидкости, где { - ширина доменной стенки, б) Кривые намагниченности М[А-м2/кг, (emu/g)] для магнитных наночастиц у- БегОз - lONaCl в воде, при температурах 8 и 300 К.

Установлено, что коллоидные частицы МЖ в магнитном поле не являются однодоменными, а представляют собой агрегаты однодоменных частиц.

Свойства 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 работе рассмотрено образование агрегатов цепочечного типа-ведет к увеличению вязкости МЖ в дроссельных каналах. 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 Fe203, FC3O4, в нём возникают «кластерные мембраны» вдоль линий магнитного поля. Мембраны закрывают дроссельный канал, как это показано на (рис.14, б,в).

rf*

— л

-15 >00-10 000 -5001) J0 00 1Ö000 15{ 100

Н

Дроссельный ' канал

б

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 псевдомолекул МЖ в дроссельном канале МРТ в магнитном поле.

В главе рассмотрено появление 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.

i, 1 1 f ■д

1 \4

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/Т«

гничивания МЖ.

частота разма-

Дать объяснение аномальной магнитной вязкости МЖ и пути её ликвидации можно на примере магнитной вязкости тонких магнитных пленок феррит гранатов (МПФГ) (рис.15,а). 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 динамических характеристик МРЖ. МРЖ жидкости имеют недостатки, связанные с их намагничиванием при протекании их в дроссельном канале МРТ при воздействии постоянного магнитного поля. При этом наблюдается гистерезис в протекании МРЖ в дроссельных каналах МРТ (рис. 16,а). Гистерезис можно объяснить действием внешнего магнитного поля на домены в ферритовых сердечниках ВЭ, а также и на магнитные домены, обусловленные наличием вязкого трения в самой рабочей МРЖ. Определены значения порогов «открывания/запирания» - (до Н =101,152 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.

V,

ср, Mfc

ВГП,Н[кА/м]

1x10 2x10" 3x10" 4x10" 5x10" вх 10~ 7x10" 8х 10~ 8x10" 1x10"

/

эрзтнын хэд

7Z

/

П mi

юн ход

-г.

и

кА'м

0 20.2 40.5 60,7 80,9 101,1 121,4 141.6

а)

90

0.25Т

6)

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 ДВ и времени Дф - 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. 17,6).

18

Рис.17. аЦ) - Тонкая магнитная пленка высококонцентрированной МЖ Ре203 (ф = 0,25) при воздействии сильного вертикального постоянного магнитного поля при В = 1,8 Тл (поверхность МЖ рельефная - игольчатая); д) - 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 Ре^Оз (ф = 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).

Время релаксации МЖ

Скорость релаксации МЖ

(Вязкость, Сг)

1.05 1.2 ИидукцняВ.Тл

0,9 1,05 1,2

__Индукция В. Тя

Рис.18. Скорость и время релаксации МЖ(ф = 0,25) от величины магнитной индукции В постоянного магнитного поля.

На (рис. 18,6) в скобках представлены значения кинематической аномальной магнитной вязкости МЖ v„Hom от величины магнитной индукции В внешнего постоянного магнитного поля в стоксах, что соответствует при р=1,8-103 кг/м3 МЖ динамической аномальной магнитной вязкости для диапазона t]mml от 0,63 до 1,8 Па с (кг/м-с) —* 0,063 до 0,18 пуаз. Характерный подъём и спад аномальной магнитной вязкости на (рис. 18,6) 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 на заданные частоты вибросигнала 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).

19

• Предложены физические основы действия и конструкция МРТ гвдроопор на основе кольцевого МРТ, с элементами адаптивной настройки и электромеханического преобразования. При проектировании МРТ осуществлено построение его магнитной системы для сильных (Bs = 2 Тл) полей ВЭ с железным ярмом.

• Предложена концепция блока управления МРТ с МЖ (Рез04) с На = 140-Ю3 А/м и М(Н) = 446-Ю3 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 (РезОд - II = 80-Ю3 А/м и М(Н) = 446-I03 А/м, Т = 298 К), и влияние размера частиц МЖ на работу индукционного МРТ.

• Получены экспериментальные данные измерения скорости течения МРЖ-БегОз в дроссельном канале (от 0,01-Ю,00 м/с) в собственном поле тяжести, в постоянном магнитном поле (отН=0 до Н=142кА/м) и проведено их сопоставление с расчетами.

• Получены экспериментальные данные измерения скорости и времени релаксации МЖ, для V^, - от 3,5-Ю"6 до 10-Ю"6 м/с и для tpt,. - 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 российских и международных конференциях, 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 A.B., 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 журналах и 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 машиностроения: сборник научных трудов. / под. ред. В.И. Ерофеева, С.И. Смирнова и Г.К. Сорокина-Н. Новгород: Издательство "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.//Прикпад-

20

ная 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 ХШ 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 нано-струкгурой: 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.

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:.

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.

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