MODELOWANIE INśYNIERSKIE ISSN 1896-771X 36, s. 313-320, Gliwice 2008 ANALOGIE I RÓśNICE WŁAŚCIWOŚCI CIECZY MAGNETOREOLOGICZNYCH ORAZ GRANULATÓW UMIESZCZONYCH W PRZESTRZENI Z PODCIŚNIENIEM ROBERT ZALEWSKI, JERZY BAJKOWSKI Instytut Podstaw Budowy Maszyn, Politechnika Warszawska e-mail: robertzalewski@wp.pl, jba@simr.pw.edu.pl Streszczenie. W pracy omówiono podobieństwa i róŝnice zauwaŝone w trakcie przeprowadzania badań eksperymentalnych urządzeń, pracujących na bazie cieczy MR oraz specjalnych struktur granulowanych. Zaprezentowano i omówiono przykładowe rezultaty doświadczalne uwzględniające wpływ czynnika sterującego na wybrane parametry pracy urządzeń. 1 WSTĘP Aktualnie obserwowane kierunki badań cieczy magnetoreologicznych koncentrują się na projektowaniu i wytwarzaniu nowych struktur inteligentnych, opisie mechanizmów powodujących efekt magnetoreologiczny oraz poszukiwaniu zastosowań urządzeń pracujących na ich bazie. Jednocześnie ciągle jeszcze wysokie koszty produkcji cieczy reologicznych sprawiają, Ŝe większość ośrodków badawczych ogranicza się zazwyczaj do badań urządzeń z magnetoreologicznym czynnikiem roboczym, wytworzonym przez jednego z potentatów korporacyjnych. Takie podejście pozostawia badaczom stosunkowo ograniczony obszar badań eksperymentalnych, zawęŝony właściwie do badania wpływu wybranych czynników zewnętrznych na makroskopowe odpowiedzi układu. W trakcie prowadzonych badań cieczy magnetoreologicznych oraz urządzeń pracujących na ich bazie, autorzy niniejszej pracy dopatrzyli się pewnych analogii w ich budowie i zachowaniu ze specjalnie wytwarzanymi strukturami granulowanymi. Struktury takie zbudowane są na bazie luźnego materiału granulowanego, umieszczonego w szczelnej przestrzeni, w której wytwarzane jest podciśnienie. Zmiana tego parametru powoduje obserwowalne zmiany w makroskopowej sztywności całego granulowanego konglomeratu. Omawiane struktury, przy wyŝszych wartościach podciśnień, wykazują właściwości zbliŝone do ciała stałego. Przejście z fazy semi-ciekłej (przy ciśnieniu atmosferycznym) do semi-stałej (dla próŝni) moŝe zachodzić w sposób ciągły i pełni kontrolowany poprzez parametr podciśnienia. Niewątpliwą zaletą tego typu materiałów, z punktu widzenia badawczego jest, w odróŝnieniu od cieczy MR, moŝliwość swobodnej ingerencji w skład konglomeratu tworzącego strukturę. Zmiana takich parametrów jak materiał osnowy, rodzaj ziaren wypełniacza, ich kształt i wymiary, stopień wypełnienia czy wartość podciśnienia powodują zmiany w globalnych właściwościach mechanicznych badanej struktury. Oszacowanie
314 R.ZALEWSKI, J. BAJKOWSKI wpływu wybranej grupy parametrów, w tym przede wszystkim wartości generowanego podciśnienia wewnątrz struktury na jej cechy fizyczne, pozwala na znalezienie ciekawych i w pełni konkurencyjnych z klasycznymi materiałami konstrukcyjnymi aplikacji inŝynierskich dla tego typu materiałów. 2 CEL I ZAKRES PRACY Zasadniczym celem pracy jest ujawnienie analogii i róŝnic w charakterze odpowiedzi badanych struktur granulowanych i urządzeń magnetoreologicznych na wstępnie zadane wymuszenia kinematyczne. Opracowanie obejmuje omówienie i analizę rezultatów badań eksperymentalnych: tłumika magnetoreologicznego firmy LORD RD-1005-3 oraz specjalnie przygotowanej próbki struktury, której podstawowym elementem składowym jest luźny materiał granulowany. Przedmiotem badań, w przypadku tłumika magnetoreologicznego, jest określenie zmian energetycznych będących funkcją wartości natęŝenia pola elektrycznego przepływającego przez solenoid oraz częstości wymuszenia kinematycznego. W drugim przypadku, specjalnej struktury granulowanej, przedmiotem zainteresowania są równieŝ zmiany właściwości dyssypacyjnych, obserwowane przy zmianie wartości sztucznie wytwarzanego podciśnienia i będące funkcją częstości wymuszenia kinematycznego W podsumowaniu zwrócono uwagę na złoŝoność analizowanych zjawisk, proponując przyszłościowe kierunki badań, zmierzające do pełniejszego poznania i opisu cech fizycznych omawianych struktur. 3 BADANIA EKSPERYMENTALNE Rozdział dotyczący badań eksperymentalnych podzielono na dwie części. Pierwszą z nich poświęcono badaniom komercyjnego amortyzatora pracującego na bazie cieczy MR, oznaczonego jako RD-1005-3. Część druga dotyczy badań struktur granulowanych umieszczonych w specjalnych warunkach. Brak literatury poruszającej tę tematykę zmusił autorów do przeprowadzenia szeregu eksperymentów podstawowych, mających na celu ujawnienie podstawowych właściwości mechanicznych tego typu struktur. Napotkane przy ich realizacji problemy i spostrzeŝenia niejednokrotnie wybiegają tematycznie poza zakres niniejszej pracy i w związku z tym zostaną w niej pominięte. Wcześniejsze prace autorów dotyczące tej tematyki ([5-8]) mają cechy nowatorskie i mogą być traktowane jako swoistego rodzaju elementarz metod eksperymentalnych mechaniki specjalnych struktur granulowanych. 3.1 Badania amortyzatora magnetoreologicznego Badania przeprowadzono wykorzystując powszechnie znany produkt korporacji LORD oznaczony symbolem RD-1005-3. Schemat strukturalny obiektu badawczego zilustrowano na rys. 1.
ANALOGIE I RÓśNICE WŁAŚCIWOŚCI CIECZY MAGNETOREOLOGICZNYCH... 315 Rys.1. Schemat strukturalny amortyzatora RD-1005-3 (1-tłok, 2-tłoczysko, 3-cewka, 4- szczelina, 5-ciecz magnetoreologiczna, 6- przewody doprowadzające, 7- obudowa, 8 akumulator powietrzny) Dane techniczno-eksploatacyjne obiektu badawczego zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Dane techniczne badanego amortyzatora magnetoreologicznego [3] Maksymalny skok tłoka ± 25 [mm] Maksymalna długość amortyzatora 210 [mm] Minimalna długość amortyzatora 155 [mm] Masa urządzenia 0,8 [kg] NatęŜenie prądu płynącego w cewce 0-2 [A] Napięcie zasilające 12 [V] Czas odpowiedzi na zmianę pola magnetycznego w zaleŝności od rodzaju zasilacza waha się od 20 do 30 [ms] Do przeprowadzenia badań laboratoryjnych przygotowano specjalne stanowisko badawcze zilustrowane na rys. 2. Rys. 2. Stanowisko badawcze (1-amortyzator MR, 2- mimośród, 3- czujnik siły, 4- silnik elektryczny, 5- kamera termowizyjna, 6- czujnik prędkości obrotowej, 7- aparatura rejestrująca, 8- zasilacz)
316 R.ZALEWSKI, J. BAJKOWSKI Doświadczenia wykonywano w temperaturze pokojowej. NaleŜy jednak podkreślić, Ŝe temperatura ma znaczny wpływ na parametry pracy urządzeń magnetoreologicznych. Zarówno opór przepływającego przez solenoid prądu jak i wynikające z konstrukcji urządzenia zjawiska tarcia powodują stosunkowo szybki wzrost temperatury cieczy magnetoreologicznej. Problemom wpływu temperatury na parametry pracy amortyzatora MR zostały poświęcone m. in. publikacje [2] i [4]. Problematyka ta została, ze względu na ograniczenia edytorskie, w niniejszym opracowaniu całkowicie pominięta. Przy rozpoczęciu rejestracji danych eksperymentalnych głowica amortyzatora kaŝdorazowo znajdowała się w połoŝeniu środkowym. W pracy rozpatrywano jedynie kinematyczne wymuszenie ruchu (sinusoidalne) z amplitudą 5 [mm] i częstościami 0,83; 1,67; 2,5; 3,33 [Hz], zadając cztery wartości natęŝenia prądu: 0,2; 0,7; 1,2; 1,7 [A]. Częstotliwość próbkowania wynosiła 0,5 [khz]. Wybrane charakterystyki siła-przemieszczenie, siła-prędkość przemieszczenia dla wspomnianych parametrów pracy urządzenia zilustrowano na rys. 3 i 4. Rys. 3. Charakterystyki zmian parametrów siła-przemieszczenie oraz siła-prędkość przemieszczenia dla róŝnych wartości częstości wymuszeń oraz natęŝenia prądu a) 1,2 [A]; b) 1,7 [A]. Analizując dane przedstawione na rys. 3, moŝna zauwaŝyć wyraźny wpływ wartości prędkości obrotowej na badane przebiegi charakterystyk. Ze względu na lepkość cieczy jest oczywiste, Ŝe wraz ze wzrostem częstości wymuszenia wartości mierzonych na tłoczysku sił oporu zwiększają się. Charakterystyczne jest, Ŝe wpływ ten zanika wraz ze znacznym wzrostem natęŝenia prądu. MoŜna zatem wnioskować, Ŝe zmiana stanu skupienia cieczy magnetoreologicznej w fazę bliską ciału stałemu powoduje zmniejszenie wraŝliwości materiału na zmiany prędkości odkształcenia. Zanikają więc tym samym zjawiska lepkie w strukturze.
ANALOGIE I RÓśNICE WŁAŚCIWOŚCI CIECZY MAGNETOREOLOGICZNYCH... 317 Rys. 4. Charakterystyki siła-przemieszczenie oraz siła-prędkość przemieszczenia dla zmiennych wartości prądu zasilającego oraz dla wymuszenia a) 2,5 [Hz]; b) 3,33 [Hz] Wpływ zmiany wartości natęŝenia prądu na otrzymane eksperymentalnie przebiegi charakterystyk (rys. 4) jest niezaprzeczalny. Zmiana natęŝenia prądu z wartości 0,2 [A] na wartość 1,7 [A] powoduje około trzykrotny wzrost wartości sił tłumiących. Wpływ tego parametru na siłę tłumiącą jest wyraźnie nieliniowy. Przy przebiegu tych zmian zaobserwować moŝna dwie fazy: w pierwszej, zwiększaniu wartości natęŝenia prądu towarzyszy wyraźny skok wartości siły rejestrowanej na tłoczysku. W drugiej obserwuje się nasycenie magnetyczne materiału i dalsza intensyfikacja natęŝenia pola magnetycznego nie powoduje juŝ tak wyraźnych wzrostów wartości sił tłumiących. 3.2 Badania specjalnych struktur granulowanych Do badań laboratoryjnych przygotowano specjalną próbkę struktury utworzonej z materiałów granulowanych (rys. 5). Składała się ona z dwóch stalowych tarcz o średnicy 55 [mm], połączonych ze sobą powłoką plastomerową, w której umieszczono zawór. UmoŜliwiał on połączenie próbki z pompą próŝniową i zadanie odpowiedniej wartości podciśnienia. Długość pomiarowa próbki wynosiła 150 [mm] Rys. 5. Schemat budowy próbki materiałowej (1 -uchwyt, 2 - tarcza stalowa, 3- zawór, 4 -osnowa plastomerowa, 5 - materiał granulowany)
318 R.ZALEWSKI, J. BAJKOWSKI Cylindryczną próbkę wypełniono szczelnie granulatem polipropylenowym. Pojedyncze ziarno miało kształt cylindra o długości około dwóch [mm] i średnicy jednego milimetra. Zakres zadawanych podciśnień wahał się od bliskiego ciśnieniu atmosferycznemu (0,01 [MPa]) do wartości 0,09 [MPa]. Badania przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej MTS 809. Zrealizowano trójkątne wymuszenie kinematyczne o amplitudzie ± 7 [mm] przy częstościach 0,018; 0,25 i 1,78 [Hz]. RównieŜ w tym przypadku pominięto wpływ temperatury na otrzymywane rezultaty eksperymentalne. Wpływ wartości podciśnienia na uzyskiwane charakterystyki siła-przemieszczenie zilustrowano na rys. 6. Rys. 6. Charakterystyki siła-przemieszczenie dla próbki polipropylenowej w całym zakresie podciśnień Rys. 7. Charakterystyki siła-przemieszczenie dla próbki polipropylenowej przy częstościach wymuszenia 0,018; 0,25 i 1,78 [Hz] oraz wartościach podciśnienia a) 0,02; b) 0,04; c) 0,06; d) 0,08, [MPa]
ANALOGIE I RÓśNICE WŁAŚCIWOŚCI CIECZY MAGNETOREOLOGICZNYCH... 319 Wraz ze wzrostem podciśnienia zwiększają się wartości rejestrowanych sił. Jest to analogia do zachowania tłumika magnetoreologicznego przy wzroście natęŝenia pola magnetycznego. Zasadniczą róŝnicą w odpowiedzi omawianych obiektów badawczych na zadany rodzaj wymuszenia kinematycznego jest kształt otrzymanych eksperymentalnie charakterystyk. W odróŝnieniu od symetrycznych pętli uzyskiwanych dla amortyzatorów MR badane struktury granulowane znajdujące się w specjalnych warunkach wykazują zmienne cechy fizyczne, w zaleŝności od kierunku zadanego obciąŝenia. To zjawisko odzwierciedla się w niesymetrycznym kształcie krzywych cyklicznego obciąŝania rys. 6). Specjalne struktury granulowane nie wykazują takŝe efektu nasycenia parametrem podciśnienia. Wzrost jego wartości powoduje ciągły, nieliniowy wzrost podstawowych właściwości wytrzymałościowych konglomeratów. Tej tematyce poświęcone są wcześniejsze prace autorów np. [5-8]. Na rys. 7 zilustrowano wybrane charakterystyki napręŝenie-odkształcenie dla róŝnych wartości podciśnień i prędkości odkształceń (częstości wymuszenia kinematycznego). WraŜliwość specjalnych struktur granulowanych na wartość zadanej prędkości odkształcenia jest obserwowana w całym zakresie wytwarzanych podciśnień. Na podstawie przeprowadzonych badań nie moŝna jeszcze formułować jednoznacznych wniosków dotyczących korelacji wartości parametru podciśnienia wewnętrznego i wraŝliwości na prędkość odkształcenia. 4. PODSUMOWANIE Opierając się na danych doświadczalnych zilustrowanych na rys. 3, 4 oraz 6 i 7, obserwuje się zarówno pewne podobieństwa w zachowaniu zestawionych obiektów jak i zasadnicze róŝnice. Ciecze magnetoreologiczne i specjalne struktury granulowane, w stanie swobodnym, wykazują cechy ciała ciekłego bądź teŝ właściwości zbliŝone do nich. W chwili aktywacji czynnika sterującego, którym jest zewnętrzne pole magnetyczne lub parametr podciśnienia wytwarzanego wewnątrz struktury, materiały upodabniają się fizycznie do ciał stałych. Równocześnie rośnie ich zdolność do przenoszenia róŝnego rodzaju napręŝeń. Budowa struktury cieczy MR i granulowanych konglomeratów jest takŝe w pewnym sensie podobna. RóŜnej wielkości ziarna oddziaływają między sobą za pośrednictwem efektów magnetycznych lub tarcia wewnętrznego. Odpowiedzi testowanych obiektów na wymuszenia kinematyczne przy wzroście wartości stosownych czynników sterujących są kolejną analogią. RównieŜ ich czułość na częstość zadawanych wymuszeń jest podobna. Ciecze magnetoreologiczne mogą zasadniczo przenosić jedynie napręŝenia styczne. Specjalne struktury granulowane zdolne są takŝe do przenoszenia napręŝeń normalnych. Podstawową i niezaprzeczalną przewagą cieczy MR nad specjalnymi strukturami granulowanymi jest czas reakcji na zmianę czynnika sterującego wynoszący zaledwie kilka milisekund. Cecha ta umoŝliwia wykorzystywanie urządzeń pracujących na ich bazie do sterowania procesami w czasie rzeczywistym. Dodatkowo ciecze reologiczne, w przeciwieństwie do specjalnych struktur granulowanych, nie są wraŝliwe na historię obciąŝenia. Badania nad strukturami utworzonymi z granulatów, umieszczonych w specjalnych warunkach, są wciąŝ w początkowej fazie rozwoju. W literaturze światowej brak jest jakichkolwiek prac poświęconych tej tematyce, z wyjątkiem opracowań autorów.
320 R.ZALEWSKI, J. BAJKOWSKI Czynnikiem powodującym ich rozwój moŝe być fakt, Ŝe tanie i łatwo dostępne granulaty mogą, w pewnych dziedzinach, swobodnie konkurować ze stosunkowo drogimi i wymagającymi dodatkowej specjalistycznej aparatury materiałami inteligentnymi. Ich niezaprzeczalną zaletą jest ponadto moŝliwość formowania z nich praktycznie dowolnych kształtów zewnętrznych. Tę wyjątkową cechę zauwaŝono m.in. w medycynie, gdzie są wykorzystywane np. jako materace słuŝące do transportu kontuzjowanych pacjentów. LITERATURA 1. Bajkowski M., Zalewski R: Improvement possibilities of structural and exploitation parameters of the special object by application of the smart magnethorheological damper, Machine Dynamics Problems 2006, Vol. 30, No 3, pp. 16-24, 2. Bajkowski J., Bajkowski M., Grzesikiewicz W., Sofonea M., Shillor M., Zalewski R., Analysis of the dependence between a temperature and working parameters of the MR dampe. Mechanics, 26, No. 4, p-155-161. 3. Sapinski B.: Magnetorheological Dampers in Vibration Contro. AGH University of Science and Technlogy Press, Cracow 2006. 4. Bajkowski J., Zalewski R.: Some problems connected with designing of magnetorheological fluids and dampers. The 12 th International Conference on Problems of Material Engineering Mechanics and Design, August 29-31 2007. 5. Zalewski R., Bajkowski J.: Identification of fundamental Chaboche s model coefficients for granular material systems under special condition. Machine Dynamics Problem 2004, Vol. 28,No. 4, p 189-195. 6. Bajkowski J., Zalewski R.: Influence of the grain s material on the stiffness of granular structures located in special conditions. Machine Dynamics Problems 2006, Vol. 30, No 2, p. 177-184. 7. Pyrz M., Zalewski R. : Application of Evolutionary Algorithms to the Identification of Parameters of New Smart Structures Preliminary Approach. Machine Dynamics Problems 2006, Vol. 30, No. 2, p. 136-146 8. Zalewski R., Bajkowski J.: Identification of fundamental Chaboche s model coefficients for granular material systems under special conditions. Machine Dynamics Problems 2004, Vol. 28, No. 4, p. 189-195 SIMILARITIES AND DISSIMILARITIES OF MR BASED DEVICES AND GRANULAR STRUCTURES IN SPECIAL CONDITIONS Summary. In this paper authors would like to introduce a new controllable structure, in some aspects similar to MR fluids, which is composed on the basis of granular material. Loose material is initially placed in a deformable hermetic encapsulation (basically made of soft polymer), equipped in a special valve. In the next step, an internal pressure is pumped out of the structure and so called underpressure is generated. This change in the structure appears as a considerable increase in apparent stiffness. Special granular structures, when high underpressure value is applied, seem to exhibit typical properties of solid (semisolid) state. The magnitude of this change is fully controlled by the range of generated internal underpressure. Typical experimental results conducted for both compared materials are discussed in this paper.