3-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 95 Andrzej KĘSY, Zbigniew KĘSY, Ireneusz MUSIAŁEK, Marcin MIGUS Politechnika Radomska OCENA WŁAŚCIWOŚCI CIECZY ELEKTROREOLOGICZNYCH I MAGNETOREOLOGICZNYCH POD KĄTEM ZASTOSOWAŃ PRAKTYCZNYCH Słowa kluczowe Ciecz elektroreologiczna, ciecz magnetoreologiczna, ciecze inteligentne, model Bingham a. Streszczenie W artykule przedstawiono porównanie charakterystyk otrzymanych na własnych urządzeniach pomiarowych, opisujących zależności naprężenia ścinającego od gradientu prędkości ścinania dla cieczy inteligentnych. Badano dwie obecnie produkowane ciecze inteligentne ciecz elektroreologiczną LID 3354 i ciecz magnetoreologiczną MRF 132AD. Urządzenia pomiarowe skonstruowano tak, by modelowały dwa typowe rodzaje przepływów cieczy inteligentnych występujące w technice, to jest: przepływ zaworowy i przepływ ze ścinaniem. Praca ma na celu określenie sposobu badań cieczy inteligentnych, pod kątem zastosowania w dwóch rodzajach sprzęgieł hydraulicznych: wiskotycznych i hydrokinetycznych. Przeprowadzone badania potwierdziły istotny wpływ obecności odpowiednich pól fizycznych na naprężenia ścinające występujące w cieczy inteligentnej i wykazały, że w założonych warunkach badań, zgodnych z warunkami występującymi w sprzęgłach hydraulicznych, charakterystyki cieczy inteligentnych mogą być opisane modelem Binghama.
96 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2007 Wstęp Konieczność ciągłego zwiększania wydajności produkcji wymusza szybki rozwój przemysłu maszynowego. W konstrukcji maszyn istotną rolę odgrywają podzespoły hydrauliczne, to jest sprzęgła i przekładnie hydrauliczne. Dotychczasowe prace badawcze, dotyczące podzespołów hydraulicznych, skupiały się głównie na elementach mechanicznych podzespołów hydraulicznych, takich jak na przykład koła zębate przekładni hydrostatycznych czy koła łopatkowe przekładni hydrokinetycznych. Dzięki wykorzystaniu komputerowych metod optymalizacji uzyskano znaczną poprawę osiągów tych urządzeń, zbliżając się do granicy ich możliwości technicznych. Powszechna jest więc opinia, że dalsza poprawa osiągów podzespołów hydraulicznych jest możliwa poprzez doskonalenie płynów roboczych. Tendencje te są wyraźnie widoczne podczas analizy problematyki badawczej światowych ośrodków naukowych. Obecnie wiele zespołów badawczych prowadzi prace nad uzyskaniem nowych rodzajów cieczy roboczych, na przykład takich, na których właściwości fizyczne można wpływać przez oddziaływania zewnętrzne, czy ekologicznych cieczy hydraulicznych, w tym cieczy opartych na wodzie. Spośród tych prac najbardziej zaawansowane są prace nad cieczami roboczymi, w których naprężenia ścinające można zmieniać w czasie za pomocą zmian pola elektrycznego lub magnetycznego, nazywanymi cieczami inteligentnymi. Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje cieczy inteligentnych: ciecze elektroreologiczne (ER), reagujące na obecność pola elektrycznego oraz ciecze ferromagnetyczne i magnetoreologiczne (MR), reagujące na obecność pola magnetycznego [1 4]. Trwają również prace nad cieczami elektro- i magnetoreologicznymi, reagującymi jednocześnie na obecność obu tych pól [5]. Ciecze inteligentne mogą składać się z dwóch faz: stałej i ciekłej, czyli występować jako mieszaniny lub koloidy, albo być jednorodne (jednofazowe). Stosowane w praktyce ciecze ER są mieszaninami lub są jednorodne, natomiast ciecze MR są mieszaninami lub koloidami. Skład dwufazowej cieczy inteligentnej, od którego zależą jej właściwości fizyczne, jest określany za pomocą udziału objętościowego cząstek stałych w cieczy inteligentnej. Do najważniejszych wymagań ogólnych stawianych cieczom inteligentnym jako cieczom roboczym można zaliczyć: małą lepkość przy braku pola sterującego (elektrycznego lub magnetycznego), wysokie naprężenie ścinające w warunkach działania odpowiedniego pola, krótki czas reakcji, możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur, zminimalizowany efekt sedymentacji, a w przypadku jego wystąpienia łatwość ponownego ujednorodnienia. Ponadto stosowane w technice ciecze inteligentne powinny mieć wysoką temperaturę wrzenia, niską temperaturę krzepnięcia, długi okres eksploatacji, nie powodować zużycia ściernego, być nietoksyczne i bezpieczne w użyciu, mieć dobre właściwości smarne.
3-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 97 Wymagania szczegółowe dotyczące cieczy inteligentnych są związane z rodzajem i konstrukcją urządzeń technicznych, w których zostały zastosowane. W literaturze wyróżnia się trzy rodzaje przepływów cieczy inteligentnej między elementami wytwarzającymi odpowiednie pole fizyczne (elektrodami w przypadku pola elektrycznego lub biegunami elektromagnesu w przypadku pola magnetycznego) [6, 7]:! przepływ zaworowy, gdy oba elementy są nieruchome;! przepływ ze ścinaniem, gdy jeden z elementów przesuwa się równolegle do drugiego;! przepływ ze ściskaniem, gdy jeden z elementów przesuwa się prostopadle do drugiego. W rzeczywistych urządzeniach technicznych wymienione rodzaje przepływu mogą występować równocześnie. Praktyczne zastosowanie cieczy inteligentnych w urządzeniach technicznych wymaga określenia parametrów opisujących właściwości tych cieczy, które mogłyby być wykorzystane w procesie projektowania. Parametry takie są przedstawiane przez producentów cieczy w postaci liczb albo charakterystyk, będących zależnościami funkcyjnymi jednych parametrów od drugich [8 10]. Jednak dotychczas nie ustalono standardów dla parametrów charakteryzujących ciecze inteligentne. Najczęściej wykorzystywaną charakterystyką cieczy inteligentnych jest zależność naprężenia stycznego τ występującego w cieczy podczas jej przepływu od gradientu prędkości ścinania γ&, postaci τ = f (γ& ), sporządzana dla ustalonego natężenia odpowiedniego pola fizycznego [11, 12]. Podstawową wadą opisu właściwości fizycznych cieczy inteligentnej za pomocą charakterystyki τ = f (γ& ) jest nieuwzględnienie rodzaju przepływu. Mimo występowania różnych rodzajów przepływu cieczy inteligentnej w różnych urządzeniach technicznych do opisu właściwości fizycznych cieczy inteligentnej wykorzystuje się tylko zależność dwóch parametrów. Charakterystyki cieczy inteligentnych są również w istotny sposób zależne od rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń, na których są dokonywane pomiary. Ponadto urządzenia laboratoryjne do sporządzania charakterystyk τ = f (γ& ) cieczy inteligentnych nie są dotychczas znormalizowane. Stosowane obecnie urządzenia mają powierzchnie elektrod lub biegunów wynoszące od kilku do kilkudziesięciu cm 2 i wielkość szczelin od 0,5 mm do kilku mm. Prowadzi się wiele prac badawczych mających na celu poszukiwanie zależności między wynikami pomiarów uzyskanych różnymi sposobami. Jednak rezultaty tych prac nadal są niejednoznaczne [13]. W artykule przedstawiono porównanie charakterystyk τ = f (γ& ) otrzymane na różnych urządzeniach pomiarowych dla tych samych cieczy inteligentnych. Badania te miały na celu określenie sposobu badań tych cieczy, pod kątem
98 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2007 zastosowania w dwóch typach sprzęgieł hydraulicznych: wiskotycznych i hydrokinetycznych [14 18]. 2. Urządzenia pomiarowe Ponieważ praktyczne zastosowanie cieczy inteligentnych wymaga przeprowadzenia testów laboratoryjnych na urządzeniach pomiarowych zapewniających warunki jak najbardziej zbliżone do warunków występujących w sprzęgłach hydraulicznych, w pierwszej kolejności rozważono rodzaje przepływów występujących w sprzęgłach hydraulicznych [13], a następnie określono wymiary urządzeń pomiarowych na podstawie wymiarów planowanych do wykonania sprzęgieł hydraulicznych. Stwierdzono, że w sprzęgłach wiskotycznych występuje głównie przepływ ze ścinaniem, natomiast w sprzęgłach hydrokinetycznych dominuje przepływ zaworowy. Gabaryty i wymiary szczelin roboczych, w których znajduje się ciecz inteligentna wykonanych urządzeń pomiarowych ustalono przy założeniu, że sprzęgła hydrauliczne będą przenosić moc od 1 kw do 2 kw. Na tej podstawie zaprojektowano dwa urządzenia pomiarowe do sporządzania charakterystyk τ = f (γ& ). 2.1. Urządzenia pomiarowe do sporządzania charakterystyk dla przepływu ze ścinaniem Budowa urządzenia. Urządzenie do pomiaru charakterystyk dla przepływu ze ścinaniem cieczy ER i MR pokazano na rys. 1. Podstawowym elementem pomiarowym urządzenia jest głowica badawcza wykonana w dwóch wariantach:! do badania cieczy ER,! do badania cieczy MR. Głowica jest napędzana silnikiem elektrycznym prądu zmiennego z regulowaną prędkością kątową ω. Dokładny pomiar prędkości kątowej odbywa się poprzez fotokomórkę współpracującą z zamocowaną na wale silnika tarczą z wyciętym otworem. Zakres regulacji obrotów silnika wynosi od 0 do 300 rad/s. Głowica składa się z dwóch elementów: ruchomego osadzonego na wale silnika i nieruchomego osadzonego na wale ułożyskowanym w obudowie, rys. 2. Wolna przestrzeń między tymi elementami, będąca przestrzenią roboczą urządzenia, wypełniona jest badaną cieczą inteligentną. Moment obrotowy, który jest rezultatem występowania naprężeń ścinających w badanej cieczy, jest przenoszony przez ułożyskowany wał i połączoną z nim dźwignię na tensometryczny czujnik siły F. Położenie czujnika może być zmieniane, tak by dostosować długość czynną dźwigni do wartości mierzonej siły, celem wykorzystania pełnego zakresu pomiarowego czujnika siły (do 10 N). W połowie wysokości bocznej ścianki nieruchomego elementu głowicy jest wklejony termistor służący
3-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 99 do pomiaru temperatury badanej cieczy. Pomiar temperatury jest możliwy w zakresie od 0 do 150 o C. a) b) Rys. 1. Urządzenie do pomiaru charakterystyk dla przepływu ze ścinaniem: a schemat konstrukcji: 1 głowica do badania cieczy ER, 2 głowica do badania cieczy MR, 3 silnik elektryczny, 4 czujnik pomiaru prędkości kątowej, b widok urządzenia do badania cieczy ER wraz z komputerowym układem pomiarowym Wymiary przestrzeni roboczej głowic podano na rys. 2. Elementy głowicy dla cieczy ER są odizolowane elektrycznie, przy czym element ruchomy jest połączony elektrycznie z ujemnym biegunem, a element nieruchomy z dodatnim
100 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2007 biegunem zasilacza wysokiego napięcia. W elemencie nieruchomym, wykonanym w wersji dla cieczy MR, umieszczona jest cewka podłączona do źródła niskiego napięcia. Cewka jest nawinięta drutem miedzianym emaliowanym o średnicy 0,2 mm i posiada 4500 zwojów. Opór cewki wynosi 962 Ω w temperaturze 30 o C. Napięcie zasilacza niskiego napięcia może być zmieniane w sposób ciągły od 0 do 24 V. a) b) Rys. 2. Budowa i widok głowic badawczych urządzenia pomiarowego: a do badania cieczy ER, b do badania cieczy MR; 1 element ruchomy, 2 element nieruchomy, 3 ciecz inteligentna, 4 ramię, 5 czujnik siły Przebieg badań. Badania rozpoczyna się od wypełnienia przestrzeni roboczej cieczą inteligentną. Temperatura cieczy jest równa temperaturze otoczenia. Badania przeprowadza się przy stałej prędkości kątowej. Uruchamiany jest silnik i ustalana prędkość kątowa, a następnie dla ustalonej prędkości kątowej zmieniane jest skokowo napięcie zasilania w całym wymaganym zakresie pomiarowym.
3-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 101 Dla każdej ustalonej wartości prędkości kątowej i napięcia zasilania mierzona jest siła F działająca na czujnik siły oraz dodatkowo temperatura cieczy roboczej T. Pomiar odbywa się co 0,02 s. Mierzone wartości zapisywane są w pamięci komputera, a następnie opracowywane i drukowane w formie wykresów. Z wykresów tych odczytywane są średnie wartości prędkości kątowej ω i siły F dla ustalonego napięcia zasilania U i temperatury badanej cieczy T. Prędkość kątowa ω jest przeliczana na prędkość ścinania γ&, a wartość siły F na naprężenie ścinające τ według wzorów ωr M FL γ & = [1/s] τ = = [Pa] (1) 2 h R S 2πR b gdzie: R promień elementu nieruchomego, h szczelina, M moment obrotowy, S powierzchnia ścinania, L ramie działania siły, b wysokość powierzchni ścinania. Wartości parametrów występujących we wzorach (1) podano w tabeli 1. Tabela 1. Wymiary przestrzeni roboczej głowicy badawczej, zgodnie z rys. 2 Rodzaj cieczy R [m] h [m] b [m] L [m] ER 0,0600 0,001 0,029 0,09 0,015 MR 0,0655 0,001 0,016 0,09 0,015 2.2. Urządzenia pomiarowe do sporządzania charakterystyk dla przepływu zaworowego Budowa urządzenia. Urządzenie do pomiaru charakterystyk dla przepływu zaworowego cieczy ER i MR pokazano na rys. 3. Urządzenie jest zbudowane z głowicy pomiarowej i zespołu zasilającego głowicę w badaną ciecz. Zespół zasilający składa się z silnika elektrycznego o regulowanej prędkości kątowej ω napędzającego pompę perystaltyczną. Zakres regulacji prędkości kątowej silnika wynosi od 0 do 300 rad/s. Wydatek pompy jest funkcją prędkości kątowej silnika napędowego. Badana ciecz jest zasysana ze zbiornika cieczy. Po przejściu przez głowicę pomiarową ciecz jest gromadzona ponownie w zbiorniku. Głowica pomiarowa została wykonana w dwóch wariantach:! do badania cieczy ER,! do badania cieczy MR.
102 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2007 Głowica pomiarowa przeznaczona do badania cieczy ER jest rurą o przekroju prostokątnym, rys. 4 a. a) b) c) Rys. 3. Urządzenie do pomiaru charakterystyk dla przepływu zaworowego: a schemat konstrukcji: 1 silnik elektryczny, 2 pompa, 3 głowica pomiarowa, 4 zbiornik cieczy; b widok urządzenia z głowicą pomiarową do badania cieczy ER; c widok urządzenia z głowicą pomiarową do badania cieczy MR
3-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 103 Dwa pionowe boki środkowej części rury są elektrodami i tworzą szczelinę, w której występuje pole elektryczne. W przedniej i tylnej części rury umieszczone są po dwa króćce:! poziome, do których podłączone są odpowiednio przewód dostarczający ciecz roboczą z pompy i odprowadzający ciecz do zbiornika;! pionowe służące do podłączenia różnicowego miernika ciśnienia. a) b) Rys. 4. Budowa głowic badawczych urządzenia pomiarowego: a do badania cieczy ER, b do badania cieczy MR; 1 obudowa, 2 elektroda lub biegun elektromagnesu, 3 króciec poziomy, 4 króciec pionowy W przednim króćcu osiowym wklejony jest ponadto termistor mierzący temperaturę wpływającej cieczy. Elektrody są odizolowane elektrycznie i połączone z biegunami zasilacza wysokiego napięcia. Różnicowy miernik ciśnienia mierzy różnicę ciśnień badanej cieczy przed wpłynięciem i po wypłynięciu z kanału utworzonego przez elektrody. Dla cieczy MR ścianki kanału tworzą bieguny elektromagnesu, rys. 4b. Szczelina utworzona przez bieguny elektromagnesu może być zmieniana od
104 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2007 0,1 mm do 3 mm. Cewka elektromagnesu nawinięta jest drutem miedzianym emaliowanym o średnicy 0,2 mm i zawiera 13 500 zwojów. Opór cewki wynosi 970 Ω w temperaturze 20 o C. Cewka jest podłączona do zasilacza napięcia, w którym napięcie może być zmieniane w sposób ciągły od 0 do 24 V. Przebieg badań. Badanie rozpoczyna się od wypełnienia zbiornika badaną cieczą. Temperatura badanej cieczy jest równa temperaturze otoczenia. Następnie włączany jest zasilacz i ustalane napięcie zasilania. Dla ustalonego napięcia zasilania jest zmieniana skokowo, a następnie utrzymywana na stałym poziomie, prędkość kątowa w całym wymaganym zakresie pomiarowym wynikającym z pola badań. Dla każdej ustalonej wartości prędkości kątowej mierzy się:! różnicę ciśnień między wejściem, a wyjściem z kanału pomiarowego,! temperatura cieczy roboczej T,! czas przepływu t 0 ustalonej objętości cieczy V 0 przez głowicę. Na tym kończy się jeden cykl pomiarowy. Dalej następuje zmiana napięcia zasilania i cały cykl jest powtarzany. Pomiar odbywa się co 0,02 s. Mierzone wartości zapisywane są w pamięci komputera, a następnie opracowywane i drukowane w formie wykresów. Z wykresów tych odczytywane są: wartości prędkości kątowej wału pompy ω, spadek ciśnienia p, napięcie zasilania U, czas przepływu t 0 ustalonej objętości cieczy, temperatura badanej cieczy T. Dla wybranej prędkości kątowej ω obliczany jest wydatek Q z zależności V0 3 Q = [m / s] (2) t 0 gdzie: V 0 ustalona objętość cieczy, t 0 czas przepływu zmierzony dla określonej prędkości kątowej ω. Wydatek Q jest przeliczany na prędkość ścinania γ&, a wartość spadku ciśnienia p na naprężenie ścinające τ, według wzorów v 2 Q 2Q h γ& = = = [1/ s] τ = p 2 h h S h b c L [Pa] (3) 2 gdzie: v średnia prędkość przepływu cieczy w środku szczeliny; S = bh przekrój szczeliny; h wysokość szczeliny; b szerokość szczeliny; c współczynnik liczbowy równy 2,5 przyjęty na podstawie wyników badań własnych; L długość kanału. Wartości parametrów występujących we wzorach (2), (3) podano w tabeli 2.
3-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 105 Tabela 2. Wymiary przestrzeni roboczej głowic badawczych, zgodnie z rys. 4 Rodzaj cieczy h [m] b [m] L [m] V 0 [ml] ER 0,002 0,016 0,07 200 MR 0,003 0,010 0,02 200 3. Charakterystyki cieczy inteligentnych Charakterystyki τ = f (γ& ) cieczy inteligentnych sporządzano na podstawie wartości liczbowych naprężenia τ oraz gradientu prędkości ścinania γ& otrzymanych odpowiednio ze wzorów (1) oraz (3) dla napięcia U = const. Na podstawie tych charakterystyk wykonano również charakterystyki τ = f (U) dla γ& = = const. Ze względu na fakt, że w literaturze często występuje natężenie pola elektrycznego E lub magnetycznego H w cieczy MR zamiast napięcia zasilającego U, co nadaje wynikom badań charakter bardziej ogólny, na wykresach podano również wartości tych wielkości obliczone z zależności: U E = (4) h gdzie: U wysokie napięcie, h średnia odległość miedzy elektrodami, U z = H l MR + H StlSt (5) R gdzie: U napięcie zasilające, z liczba zwojów cewki elektromagnesu, R opór cewki elektromagnesu, H St natężenie pola magnetycznego w stali, l MR oraz l St droga strumienia magnetycznego, odpowiednio w cieczy MR i stali. Wartości parametrów l MR oraz l St, zależne od konstrukcji badanych przyrządów, podano tabeli 3. By uniknąć wpływu histerezy magnetycznej i magnetyzmu szczątkowego na wyniki badań, napięcie zwiększano od zera w górę, a obwód magnetyczny rozmagnesowywano przed każdym cyklem pomiarowym przez podanie na cewkę elektromagnesu zanikającego napięcia przemiennego. Ponieważ podczas badań temperatura badanej cieczy zmienia się nieznacznie, zakres jej zmian podawany jest na charakterystyce. Tabela 3. Wybrane parametry obwodu magnetycznego Przyrządy do badania charakterystyk l MR [mm] l St [mm] Przepływ ze ścinaniem 2 112 Przepływ zaworowy 3 197
106 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2007 Badaniom poddano dwie ciecze inteligentne, to jest ciecz ER oraz ciecz MR. Dane tych cieczy podano w tabeli 4. Sporządzone na podstawie badań charakterystyki cieczy inteligentnych dla przepływu ze ścinaniem pokazano na rys. 4 (ciecz ER LID 3354S) oraz na rys. 5 (ciecz MR MR 132AD). Tabela 4. Badane ciecze inteligentne Typ Oznaczenie Producent Skład objętościowy ER LID 3354S Smart Technology, UK 37%, polimer, olej silikonowy MR MR 132AD Lord Corporation, USA 30% Fe, olej syntetyczny a) b) Rys. 4. Charakterystyki cieczy LID 3354S dla przepływu ze ścinaniem: a dla U = const, b dla γ& = const a) b) Rys. 5. Charakterystyki cieczy MR 132AD dla przepływu ze ścinaniem: a dla U = const, b dla γ& = const
3-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 107 a) b) c) Rys. 6. Charakterystyki cieczy LID 3354S dla przepływu zaworowego: a dla U = const, b, c dla γ& = const a) b) c) Rys. 7. Charakterystyki cieczy MR 132AD dla przepływu zaworowego: a dla U = const, b, c dla γ& = const
108 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2007 4. Dyskusja dotycząca wyników badań Z przeprowadzonych badań charakterystyk τ = f (γ& ) wynika, że ich przebiegi dla poszczególnych napięć są w przybliżeniu liniowe i równoległe do siebie, co świadczy o tym, że badane ciecze inteligentne mogą być modelowane za pomocą modelu Binghama, opisanego wzorem [1, 4, 17]: τ = τ + τ = µ γ& = + τ (6) U 0 U pl U gdzie: τ U = 0 naprężenie styczne w cieczy inteligentnej w przypadku braku napięcia U, wywołane lepkością cieczy; τ U przyrost naprężenia ścinającego spowodowany pojawieniem się napięcia U; µ pl = tg α lepkość plastyczna, rys. 8. Rys. 8. Przebieg charakterystyk τ = f (γ& ) zgodnie z modelem Binghama Można zauważyć, że charakterystyki τ = f (γ& ) cieczy MR 132AD są bardziej zbliżone do modelu Binghama. Podczas projektowania sprzęgieł hydraulicznych z cieczami inteligentnymi istotne znaczenie mają maksymalne naprężenia możliwe do uzyskania przez zmianę napięcia, wpływające na moment obrotowy przenoszony przez sprzęgło oraz naprężenia ścinające τ U, określające zakres sterowania sprzęgła. Otrzymane podczas badań wartości tych naprężeń oraz wartościµ pl obliczone na podstawie kąta α (rys. 8), dla maksymalnych wartości γ& zestawiono w tabeli 5. Tabela 5. Wielkości charakterystyczne otrzymane podczas badań Typ cieczy Przepływ τ [Pa] LID 3354S MR 132AD τ U [Pa] U [V] Natężenie pola ze ścinaniem 1150 950 2000 2 kv/mm 0,03 zaworowy 395 220 1500 0,75 ka/mm 0,40 ze ścinaniem 2940 2650 8 14,3 ka/m 0,04 zaworowy 1300 1170 4 13,6 ka/m 0,30 µ pl [Pa s]
3-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 109 Porównując wartości wielkości przedstawionych w tabeli 5, można zauważyć, że:! dla obu cieczy uzyskane naprężenia ścinające mają duże wartości, w porównaniu z naprężeniami występującymi przy braku napięcia;! lepkość plastyczna µ pl w przypadku przepływu zaworowego jest kilkakrotnie większa niż dla przepływu ze ścinaniem;! przy szacunkowym uwzględnieniu równości natężeń odpowiednich pól fizycznych, dla cieczy LID 3354 naprężenia dla różnych przepływów są do siebie zbliżone, natomiast dla cieczy MR 132 AD różnią się znacznie. Uwzględniając wnioski z badań cieczy inteligentnych prezentowane w literaturze otrzymane rezultaty można skomentować następująco:! oceniając charakterystyki cieczy inteligentnych otrzymane na opracowanych przyrządach pomiarowych, należy stwierdzić, że poszczególne wykresy mają ten sam charakter przebiegu, a poszczególne punkty wykresów leżą blisko prostych aproksymujących przebiegi mimo losowego procesu tworzenia się struktur przestrzennych z cząstek fazy stałej cieczy inteligentnej, decydujących o wartości naprężeń ścinających, co świadczy o właściwym doborze wymiarów geometrycznych i parametrów pracy urządzeń pomiarowych i ograniczeniu w ten sposób wpływu na wyniki pomiarów zjawisk niekorzystnych, takich jak na przykład: rozwarstwienie cieczy pod wpływem sił odśrodkowych, bezwładności lub grawitacyjnych, nieciągłości przepływu w przewodach doprowadzających ciecz do głowicy badawczej, przebicia elektrycznego między elektrodami, opory przepływu w przewodach lub szczelinach nie będących pod wpływem odpowiedniego pola fizycznego;! maksymalne naprężenia styczne otrzymane w wyniku pomiarów, na opracowanych przyrządach pomiarowych, są w przypadku cieczy ER zbliżone do maksymalnych wartości naprężeń osiąganych przez te ciecze (2 kpa), a w przypadku cieczy MR przyjmują wartości znacznie mniejsze od wartości maksymalnych, co wynika z konstrukcji planowanych sprzęgieł, między innymi z wymiarów szczeliny, w której znajduje się ciecz inteligentna, kształtu obwodu magnetycznego i mocy zasilaczy elektrycznych (ciecz MR uzyskuje 50 kpa przy H = 200 ka/m);! podczas pomiarów na urządzeniach do badania charakterystyk przepływu ze ścinaniem i dużych mocach napędu trudno jest utrzymać stałą temperaturę cieczy inteligentnej, szczególnie przy dużych prędkościach kątowych, jednak zmiany temperatury rzędu kilku o C występujące podczas badań mają nieistotny wpływ na właściwości cieczy MR, a dla cieczy ER wpływ ten można oszacować maksymalnie na kilka procent;! stwierdzona dla badanych cieczy inteligentnych liniowa zależność naprężenia ścinającego τ od gradientu ścinania γ& nie zawsze obowiązuje dla innych cieczy i innych warunków badań, gdyż dla przepływu ze ścinaniem lepkość
110 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2007 plastyczna µ pl zazwyczaj nie jest stała, lecz maleje ze wzrostem γ&, natomiast dla przepływu zaworowego τ praktycznie nie zależy od γ& dla prędkości przepływu cieczy w zaworze mniejszych od 2 m/s, a ze wzrostem tej prędkości τ maleje, ze względu na coraz krótszy czas przebywania cieczy inteligentnej w polu fizycznym;! wartości gradientu ścinania γ& podczas badań przepływu ze ścinaniem osiągnęły znaczne wartości w porównaniu z wartościami γ& dla przepływu zaworowego, jednak uzyskane wartości są typowe dla tego rodzaju badań, co wynika z gabarytów urządzeń wykorzystujących ciecze inteligentne, głównie z wymiarów szczelin zawierających ciecz inteligentną;! charakterystyki τ = f (U) dla γ& = const dla obu cieczy inteligentnych są n funkcjami wykładniczymi typu τ = au, o wykładniku 1 < n < 3, co jest zgodne z wynikami badań prezentowanymi w literaturze;! bezpośrednie porównywanie charakterystyk τ = f (γ& ) dla obu przepływów nie jest celowe, gdyż różne są zarówno warunki badań, jak i wzory obliczeniowe, na postawie których charakterystyki te są sporządzane, a ponadto różne są sposoby obliczeń sprzęgieł wiskotycznych i hydraulicznych. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań charakterystyk τ = f (γ& ) cieczy inteligentnych można sformułować następujące wnioski ogólne:! Przyjęte rozwiązania konstrukcyjne stosowanych w badaniach urządzeń pomiarowych były poprawne i umożliwiły otrzymanie charakterystyk τ = f (γ) & dla obu typów cieczy inteligentnych.! Przeprowadzone badania wykazały, że w założonych warunkach badań, zgodnych z warunkami występującymi w sprzęgłach hydraulicznych, charakterystyki τ = f (γ& ) cieczy inteligentnych mogą być opisane modelem Binghama.! Otrzymane charakterystyki cieczy inteligentnych potwierdziły istotny wpływ obecności odpowiednich pól fizycznych na naprężenia styczne występujące w cieczy.! Różnice występujące między rezultatami badań uzyskanymi dla obu typów cieczy wynikają nie tylko z różnych właściwości fizycznych tych cieczy, ale także z różnych warunków, w jakich te badania były prowadzone.! Wyniki badań uzyskane dla różnych przepływów nie powinny być ze sobą porównywane, a ich wykorzystanie do obliczeń sprzęgieł hydraulicznych powinno być zgodne z charakterem przepływu cieczy w projektowanym sprzęgle.
3-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 111 Bibliografia 1. Ławniczak A., Milecki A.: Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 1999. 2. Clarson J.D.: What makes a good MR Fluid? 8 th International Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, Nice, July 9 13, 2001. 3. Conrad H.: Electrorheological Fluids: Characteristics, Structure and Mechanisms. ASME Fluids Engineering Division, Electrorheological Flows, Vol. 164, 1993, pp. 99 113. 4. Krztoń-Maziopa A., Ciszewska M., Płocharski J.: Ciecze elektroreologiczne materiały, zjawiska, zastosowanie. Polimery. Nr 11 12, 2003. 5. Koyama K.: Rheological Synergisitic Effects of Electric and Magnetic Fields in Iron Particles Suspension. 5 th International Conference on Electro Rheological Fluids, Magneto-Rheological Suspensions and Associated Technology. Sheffield, 1995, pp. 245 250. 6. Sims N. D., Stanway R., Johnson A.R.: Vibration Control Using Smart Fluids: a State-of-Art Review. The Shock and Vibration Digest. Vol. 31. No 3. 1999, pp. 195 203. 7. Carlson D. J., Billie F., Spencer F.: Magneto-rheological fluid dampers: Scalability and Design Issues for Application to Dynamic Hazard Mitigation. 2 nd International Workshop on Structural Control. Hong Kong, 18 21 December 1996, pp. 1 11. 8. www.fludicon.com. 9. www.smarttec.co.uk. 10. www.mrfluid.com. 11. Nelson D, Suydam E.: The Thermal Aspects of the Electrorheological Effect and its Impact on Application Design. FED Vol. 164, Electro- Rheological Flow, ASME, 1993, pp. 71 84. 12. Janocha H, Rech B and Bőlter R.: Practice Relevant Aspects of Constructing ER Fluid Actuators. 5th International Conference on Electro Rheological Fluids, Magneto-Rheological Suspensions and Associated Technology. Sheffield. 1995, pp. 435 47. 13. Kesy Z., Kesy A., Plocharski J., Jackson M., Parkin R.: An Example of Design Embodiment for Electrorheological Fluid Based Mechatronic Transmission Components. International Journal of Mechatronics 16 (1). 2006, pp 33 39. 14. Kęsy Z., Olszak A.: Badania eksperymentalne hamulca wiskotycznego z cieczą ER. Hydraulika i Pneumatyka, 2004. 15. Kęsy Z., Olszak A.: Badanie sprzęgła hydrokinetycznego z magnetyczną cieczą roboczą sterowanego zmianami pola magnetycznego. Hydraulika i Pneumatyka, Zeszyt 2, 2006. s. 30 36.
112 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2007 16. Kęsy Z., Madeja J.: Sterowanie sprzęgła hydrokinetycznego z cieczą elektroreologiczną. Hydraulika i Pneumatyka, Zeszyt 5, 2006, s. 30 35. 17. Kęsy Z.: Mechatroniczne elementy hydrauliczne układów napędowych maszyn. Rozdział w monografii: Projektowanie Mechatroniczne. Zagadnienia Wybrane. Tadeusz Uhl. Kraków 2004. 18. Kęsy Z.: Numerical Method Application to the Analysis of the Hydrodynamic Torque Converter with a Smart Working Fluid. International Journal of Computer Application in Technology. Vol. 27. No 2/3, 2006. pp. 212 220. Recenzent: Andrzej MILECKI Praca naukowa finansowana ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego, wykonana w ramach realizacji Programu Wieloletniego pn. Doskonalenie systemów rozwoju innowacyjności w produkcji i eksploatacji w latach 2004 2008. Assessment of smart fluids properties from practical application point of view Key words Magnetic fluid, electrorheological fluid, smart fluids, Bingham s model. Summary In this paper comparison of smart fluids characteristics describing relations between shear stress and shear speed rate was presented. The characteristics were obtained on the basis of tests carried out on laboratory devices designed by authors. Two currently produced smart fluids were tested electrorheological LID 3354 and magnetic MRF 132AD. During the tests two kinds of smart fluid flow modes were used: shear mode and flow mode. The main goal of this research was to establish smart fluids test methods from practical application point of view. Based on the smart fluids testing results it was concluded that the results could be successfully used for the design of viscotic and hydrodynamic clutches with a smart fluid as working fluid.