Ciecze elektroi. magnetoreologiczne

Transkrypt

1 Politechnika Poznańska Ciecze elektroi magnetoreologiczne Andrzej Milecki Instytut Technologii Mechanicznej

2 Ciecze elektroreologiczne Ciecze elektroreologiczne: są zawiesiną porowatych cząsteczek o średnicy 10 nm takich jak polimery, w cieczy nieprzewodzącej takiej jak chlorowane parafiny i oleje węglowodorowe naprężenie styczne 5 kpa przy 5 kv/mm

3 Ciecze magnetoreologiczne Ciecze magnetyczne: Ciecze magnetoreologiczne (MRFluid) zawierają ferromagnetyczne cząsteczki o średnicach od 1 do 5 um w olejach silikonowych (naprężenie styczne 100 kpa przy 250 ka/m) Ciecze ferromagnetyczne (Ferrofluid) zawierają cząsteczki ferromagnetyczne o średnicach od ok. 5 do 30 nm w oleju syntetycznym, lekkim oleju mineralnym oraz w nafcie i wodzie Cząstka magnetyczna Osłona Ciecz

4 Ciecz MR Zawiera od 20 do 60 % cząstek ferromagnetycznych Waga cząsteczek stanowi ponad 80% wagi całej cieczy Dodawane są dodatki zapobiegające grawitacyjnemu osadzaniu się cząstek a) N S 4

5 Zachowanie się cieczy magnetoreologicznych w polu magnetycznym przy braku pola zewnętrznego cząstki ułożone są przypadkowo i wypadkowy strumień magnetyczny ma wartość zerową w polu magnetycznym cząstki gromadzą się w łańcuchy ułożone zgodnie z liniami sił pola zmiana następuje w czasie nie przekraczającym 10 ms w silnym polu magnetycznym ciecz zamienia się w masę przypominającą zmarznięte masło N N N N N N S S S S S S

6 Modele wykorzystania cieczy magnetycznych Sterowanie wartością siły oporu przeciwdziałającej zewnętrznej sile F (a) Sterowanie wartością natężenia przepływu (b) Sterowanie wartością siły ściskającej filtr cieczy magnetoreologicznej (c) F a) b) N N N N MRF v N N N N MRF Q S S S S S S S S c) F, x N N N N MRF S S S S

7 Warianty budowy tłumików liniowych z cieczami magnetoreologicznymi

8 Warianty budowy tłumików obrotowych z cieczami magnetoreologicznymi Cewka Wirnik Ciecz ferro Obudowa Linie pola magnetycz.

9 Tłumiki liniowe firmy Lord Corp. Maksymalna siła tłumienia przy średnicy cylindra 200 mm i średnicy szczeliny 2 mm wynosi ok. 200 kn

10 Tłumiki liniowe firmy Lord Tłumienie drgań lin, na których zawieszone są mosty x 5 Przeciwdziałanie anie skutkom trzęsie sień ziemi x 4 x 3 x 2 x 1 Sterownik x ziemi ZIEMIA

11 Zastosowanie cieczy magnetycznych do budowy amortyzatorów samochodowych (Lord Corp.) Czujnik Sygnał wyjściowy Sprężyna Fotel Sterownik komputerowy Sterowany tłumik Sygnał wejściowy W polu magnetycznym DROGA Przy braku pola magnetycznego

12 Tłumiki samochodowe firmy Lord

13 Proteza

14 Amortyzator Delphi Automotive a) tłok cylinder korpus akumulator b) Przy prędkości ruchomego cylindra rzędu 1 m/s maksymalna siła tłumienia wynosi ok N przy braku napięcia na cewkach oraz ok N przy maksymalnym napięciu. Maksymalny pobór mocy wynosi 20 W

15 Tłumiki liniowe (opracowanie Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej) Przy średnicy tłoka 50 mm i tłoczyska 30 mm, oraz o skoku równym 60 mm do zapełnienia tłumika należało użyć ok. 70 cm 3 cieczy magnetoreologicznej Etap I Etap II 2,0 V Siła tłumiąca [kn] ,0 V 0,5 V 0 V Prędkość [mm/s] IMt PP

16 Tłumiki liniowe (opracowanie Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej) IMt PP

17 Tłumiki liniowe (opracowanie Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej) IMt PP

18 Tłumiki obrotowe (opracowanie Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej) IMt PP

19 Tłumik obrotowy (opracowanie Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej) (600 obr/min) Moment [Nm] ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Napięcie [V] IMt PP

20 Proces hamowania (prace Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej) Pochłaniacz pochłania energię równą pracy W na drodze hamowania xh. W x h = 0 F h dx v x h m MR IMt PP 20

21 Rysunek zaworu do pochłaniacza z cieczą MR (opracowanie Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej) IMt PP Promieniowa wysokość szczeliny wynosi od 0,1 do 0,5 mm a jej długość 36 mm Wykorzystano typowy siłownik hydrauliczny produkcji Agromet ZEHS Lubań, o skoku 75 mm, średnicy tłoka 25 mm i tłoczyska 18 mm. 21

22 Widok pochłaniacza z cieczą MR (opracowanie Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej) IMt PP 22

23 Proces hamowania (prace Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej) W wykonywanych seryjnie pochłaniaczach zapewnienie hamowania ze stałą siłą hamującą (przyspieszeniem) jest trudno osiągalne (krzywe oznaczone kolorem czarnym). Rozwiązanie, w którym zastosowana jest ciecz magnetoreologiczna, jako czynnik roboczy (krzywe oznaczone kolorem czerwonym) pozwala na kształtowanie charakterystyki hamowania w zależności od potrzeb. F IMt PP x 0 x h 23

24 Wyniki badań doswiadczalnych (prace Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej) 1000 v [mm/s] 2500 F[N] ,1 t [s] 0, ,1 0,2 t[s] szczelina 0,4 mm, prędkość zmierzona w chwili zderzenia 0,71 m/s, prędkość teoretyczna w chwili zderzenia 0,9 m/s. energia wyhamowywanej masy wynosiła 52,8 J, siła zadana 910 N, długość rozbiegu 0,20 m, masa wózka 134 kg. Uzyskano prawie stałą siłę hamowania oraz bliski liniowemu spadek prędkości łagodne zatrzymanie IMt PP

25 Redukcja efektu stick slip (prace Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej) w k p _ Controller IMt PP v m k y y Control Valve m Zastosowanie tłumika z cieczą MR pozwala na kształtowanie sił oporu ruchu. Dzięki temu uzyskuje się zmniejszenie różnicy między siła tarcia statycznego i dynamicznego i ograniczenie efektu stick-slip 25

26 Wyniki badań (opracowanie Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej) a) v [mm/min] Bez tłumika IMt PP t [s] b) v [mm/min] Z tłumikiem t [s] 26

27 Utrzymanie stałej prędkości P A T Proport. valve Valve controller m Inc.encoder v Force transducer Load drive P L T Active drive MR Damper Damper controller Step motor controller IMt PP W serwonapędach, kiedy pojawiają się gwałtowne zmiany obciążenia następują niepożądane skoki prędkości. Zastosowanie tłumika z cieczą MR pozwala na ograniczenie ich wartości. 27

28 Redukcja skoku prędkości Skok prędkości (wzrost) po gwałtownym spadku siły obciążającej Bez tłumika Z tłumikiem v [mm/min] v = 135,4 mm/min max F obc F [kn] v [mm/min] F obc U F [kn] U [V] v t [s] v = 89,3 mm/min max v t [s] IMt PP 28

29 Tłumik MRF w działku

30 Układy tłumienia w pojazdach wojskowych (Lord Corp.)

31 PODSUMOWANIE Przemysłowe zastosowania cieczy reologicznych spotykane są od 30 lat Wytwarzane są ciecze elektroreologiczne i magnetoreologiczne Zmiana wartości natężenia pola elektrostatycznego albo magnetycznego powoduje właściwości tych cieczy Praktyczne zastosowania znajdują ciecze magnetyczne tj. ciecze magnetoreologiczne (MR fluid) i ferromagnetyczne (Ferrofluid)

32 PODSUMOWANIE Najważniejsze zastosowania to: Tłumiki liniowe i obrotowe (amortyzatory, sprzęgła, hamulce) Uszczelnienia (stosowane w technice próżniowej) Tłumienie drgań (głośniki, silniki skokowe) Zastosowania specjalne (np. serwonapędy) Ochrona przed trzęsieniami ziemi Medycyna

33 DZIĘKUJĘ BARDZO ZA UWAGĘ Prof. dr hab. inż. A. Milecki Tel