KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 27 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2007 ADAM MYSZKOWSKI* KONSTRUKCJA I BADANIA HAMULCA WAHADŁOWEGO Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ W artykule omówiono konstrukcję hamulca wahadłowego z cieczą magnetoreologiczną (MR). Przedstawiono wyniki statycznych badań doświadczalnych na stanowisku pomiarowym. Zastosowanie tego typu hamulca wraz z odpowiednim układem sterującym pozwala kształtować i dostosować charakterystyki robocze urządzeń zadających (dżojstików) do aktualnych warunków pracy maszyny. Słowa kluczowe: hydraulika, hamulec MR, tłumik MR, ciecz magnetoreologiczna 1. WPROWADZENIE W ostatnich latach naukowcy wiele wysiłku wkładają w wytworzenie materiałów, których właściwości mogą być sterowane. Do grupy tych materiałów zaliczane są ciecze zmieniające swe właściwości pod wpływem pola elektrycznego albo magnetycznego. Pierwsze z nich nazywane są cieczami elektroreologicznymi (ER), drugie to ferrofluidy (FF) i ciecze magnetoreologiczne (MR). Kilkuletnie wykorzystywanie cieczy MR w zastosowaniach przemysłowych spowodowało wzrost zainteresowania możliwościami ich użycia w różnych urządzeniach. 2. CHARAKTERYSTYKA I PODSTAWOWE PARAMETRY CIECZY MAGNETOREOLOGICZNYCH Ciecze magnetoreologiczne mają właściwości zarówno cieczy, jak i substancji magnetycznych w bardzo szerokim zakresie wartości temperatury. Przy bra- * Dr inż. Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej. Praca naukowa finansowana ze środków budżetowych na naukę jako projekt badawczy nr 4 T07B 002 29.
132 A. Myszkowski ku zewnętrznego pola magnetycznego nie wykazują namagnesowania i nie są źródłem pola magnetycznego. Zachowują się wtedy podobnie jak ciecz newtonowska [2]. Ciecz MR można zdefiniować jako koloidalną zawiesinę cząstek magnetycznych, takich jak: kobalt, nikiel, żelazo lub ich tlenki, np. Fe 3 O 4, zawieszonych w niemagnetycznej cieczy nośnej. Typowym nośnikiem jest olej syntetyczny, może nim być również woda lub nafta. Spolaryzowane cząstki mają wielkość od 0,5 do 10,0 μm, a ich procentowa zawartość w cieczy wynosi od 20% do 80%. Od liczby i wielkości występujących cząstek uzależnione są właściwości magnetyczne cieczy, dlatego aby utrzymać stabilność, ważna jest ich ścisła kontrola. Z kolei termiczna stabilność cieczy magnetoreologicznych uzależniona jest od gęstości cząstek. W wysokiej temperaturze dochodzi do ich gromadzenia się i następuje proces zestalania cieczy. Aby pokonać siły przyciągania magnetycznego oraz siły van der Waalsa, mogące powodować sklejanie się cząstek, cząstki powleka się środkiem powierzchniowo aktywnym, takim jak np. kwas oleinowy. a) b) N N N N N S S S S S Rys. 1. Zachowanie cząstek cieczy MR [2]: a) przy braku pola magnetycznego, b) w obecności pola magnetycznego Fig. 1. Behavior of MR fluid [2]: a) without magnetic field, b) by magnetic field Zjawisko magnetoreologiczne może być wyjaśnione i zobrazowane za pomocą teorii tworzenia łańcuchów. Gdy nie ma zewnętrznego pola magnetycznego, momenty magnetyczne związane z każdą z cząstek cieczy magnetycznych są zorientowane przypadkowo i wypadkowy wektor magnetyczny ma wartość zerową (rys. 1a). Po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego momenty magnetyczne cząstek układają się wzdłuż linii sił tego pola. Cząsteczki magnetyczne tworzą skupiska przypominające łańcuchy rozciągnięte pomiędzy biegunami magnetycznymi (rys. 1b). Proces ten prowadzi do zmiany lepkości cieczy ze stanu cieczy lepkiej do masy plastycznej przypominającej charakterem ciało stałe. Czas tej przemiany wynosi od kilku do kilkunastu milisekund [3]. Przy natężeniu pola magnetycznego ok. 200 ka/m lepkość dynamiczna może sięgać 700 P. Wtedy naprężenie styczne cieczy magnetoreologicznej sięga 100 kpa [4].
Konstrukcja i badania hamulca wahadłowego 133 Ciecze magnetoreologiczne można wykorzystać do sterowania urządzeniami za pomocą układów zasilających o małych mocach (rzędu 50 W), przy napięciach zasilających ok. 2 30 V. Ciecze te można utrzymywać w wybranej przestrzeni konstrukcji za pomocą magnesu trwałego. Podstawowe wady tych cieczy to: opadanie cząstek pod wpływem sił grawitacji podczas dłuższego postoju oraz konieczność utworzenia zamkniętego obwodu magnetycznego, co prowadzi do powiększenia gabarytów i masy urządzeń oraz uniemożliwia wykorzystanie niektórych materiałów konstrukcyjnych. Typowe modele pracy urządzeń z cieczami MR to model ścinania, ściskania i przepływowy, przedstawiono je na rys. 2 [2]. Rys. 2. Podstawowe modele pracy urządzeń z cieczami MR [2]: a) ścinania, b) ściskania, c) przepływowy Fig. 2. Basic work models of MR fluid devices [2]: a) shearing, b) compression, c) flow through Jednym z trybów pracy jest model przepływowy, pozwala on budować zawory hydrauliczne pozbawione części ruchomych. Otwiera to przed hydrauliką nowe możliwości rozwoju w kierunku uproszczenia konstrukcji zaworów i ich sterowania. Pozwoli to również na uproszczenie takich konstrukcji, jak tłumiki i hamulce hydrauliczne, w których wykorzystuje się opory wynikające z przepływu cieczy roboczych przez różnego rodzaju szczeliny [2]. Integralną częścią urządzeń z cieczą MR jest obwód magnetyczny z cewką. Zmiana charakterystyk roboczych tych urządzeń za pomocą sygnałów elektrycznych eliminuje konieczność stosowania kłopotliwych nastawników mechanicznych i umożliwia sterowanie tymi urządzeniami w czasie rzeczywistym. 3. OPIS KONSTRUKCJI HAMULCA WAHADŁOWEGO Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ W artykule przedstawiono konstrukcję hamulca wahadłowego pokazanego na rys. 3. Wykorzystano ciecz MR typu MRF-132 LD firmy Rheonetic [3]. Pod wpływem momentu oddziałującego na wał 1 hamulca wahadłowego ciecz znajdująca się w aktywnej komorze jest przetłaczana przez szczelinę pomiędzy wa-
134 A. Myszkowski hadłem 2 a korpusem 3 do komory biernej hamulca. Opory przepływu przez szczelinę powodują powstanie różnicy ciśnień po obu stronach wahadła. 2 5 4 1 3 6 7 Rys. 3. Przekrój hamulca MR (opis w tekście) Fig. 3. Section of MR Brake (description of numbers is in the text) Ważnym elementem hamulca jest wahadło, wokół którego przepływa ciecz. Jego przekrój wzdłużny przedstawiono na rys. 3. Dławienie przepływu cieczy następuje w szczelinach, które tworzy wahadło z cewką 4 oraz korpus hamulca. Promieniowa grubość szczelin wynosi 0,4 mm, a długość każdej z nich wynosi 4 mm. Ze względu na konieczność magnetycznego odseparowania wahadła od korpusu wał 1 został wykonany z brązu. Jest on osadzony w pokrywie 6, tworząc z nią węzeł łożyskujący. Zapewnia to jego centryczne ustalenie względem korpusu. Przewody zasilające cewkę przechodzą przez centralny otwór wzdłużny w wale, a dalej są wyprowadzone na zewnątrz hamulca przez skośny otwór. Komory robocze hamulca zamyka pokrywa 7 osadzona w korpusie. Rys. 4. Hamulec MR Fig. 4. MR Brake
Konstrukcja i badania hamulca wahadłowego 135 Napełnianie całego układu cieczą magnetoreologiczną następuje po jego zmontowaniu i odbywa się przez zamknięte śrubami 5 dwa otwory w korpusie i pokrywie zaworu. Podczas napełniania cieczą ważne jest odpowietrzenie całego układu, gdyż obecność powietrza w cieczy będzie niekorzystnie wpływała na kształt charakterystyk roboczych. 4. BADANIA DOŚWIADCZALNE HAMULCA WAHADŁOWEGO Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ Uzyskaną charakterystykę momentu statycznego oporu hamulca w funkcji napięcia zasilającego cewkę przedstawiono na rys. 5. Zmiana napięcia zasilającego powoduje zmiany siły oporu. Dolny pułap momentu oporu ograniczony jest przez występujące tarcie wału hamulca oraz lepkość cieczy MR niebędącej pod wpływem pola magnetycznego. Górny zakres sił zależy od wymiarów szczelin pomiędzy wahadłem a korpusem hamulca, prędkości kątowej wału hamulca (prędkości przepływu cieczy), pochłaniacza i maksymalnych naprężeń stycznych w cieczy MR. Dla użytej cieczy wynoszą one 45 kpa. Przyrosty sił oporu nie są liniowe z uwagi na nieliniowy charakter zmian naprężenia stycznego w cieczy MR oraz nieliniowość związaną z obwodem magnetycznym zaworu pochłaniacza. Można to zrekompensować, stosując nieliniowe układy sterowania, w których tego typu gotowe charakterystyki można zapisać w pamięci sterownika. 30 25 Moment [N m] 20 15 10 5 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 Napięcie cewki Rys. 5. Charakterystyki statycznej siły oporu pochłaniacza MR Fig. 5. Static force characteristic of MR shock absorber
136 A. Myszkowski 5. PODSUMOWANIE Ciecze magnetoreologiczne (MR) otwierają możliwości budowania hamulców, których nastawy lub charakterystyki hamowania mogą być dostosowywane do aktualnych warunków pracy maszyny za pomocą elektrycznych sygnałów sterujących. Eliminuje to konieczność stosowania w hamulcach regulacyjnych elementów ruchomych i tym samym upraszcza ich konstrukcję. LITERATURA [1] Lampe D., Anwendung von magnetorheologischen Fluiden in Kupplungen, Antriebstechnik, 1999, B. 38, Nr. 7. [2] Ławniczak A., Milecki A., Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Poznań, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 1999. [3] Ławniczak A., Milecki A., Pastwa M., Możliwości zastosowania cieczy ferromagnetycznych w hydraulice, Maszyny Górnicze, 1997, nr 70. [4] www.reonetic.com, strona internetowa producenta cieczy MR. Praca wpłynęła do Redakcji 30.03.2007 Recenzent: prof. dr hab. inż. Edward Palczak DESIGN AND RESEARCHES OF SWINING BRAKE WITH MAGNETORHEOLOGICAL FLUID S u m m a r y Unique properties of MR fluids offers a chance to design devices with controllable characteristics. In the paper construction of brake with magnetorheological (MR) fluid was presented. Schemes of laboratory stand used during laboratory investigations were shown. Some chosen research characteristics were discussed. Such brake can by controlled by a simple electronic regulator with a Torque. This solution can reduce a danger vibration and noises on machines working under difficult and unstable conditions. Key words: brake, magnetorheological fluid