Материаловедение

Электрореологические и магнитореологические жидкости

Электрореологические жидкости обладают способностью к быстрому обратимому изменению вязкости под действием электрического поля. Они представляют собой суспензии, состоящие из частиц поляризующихся материалов, распределенных в диэлектрических жидкостях. В качестве дисперсной фазы широко применяется кремнезем с размерами частиц не более 1 мкм. В последнее время в качестве дисперсной фазы все чаще используются наноматериалы. Дисперсионными средами могут служить неполярные или слабополярные органические жидкости с достаточно высоким электрическим сопротивлением, например, светлые масла (вазелиновое, трансформаторное, растительные масла (касторовое), диэфиры (дибутилсебацинат), керосин, загущенный малыми добавками полиизобутилена, и др.

В отсутствие электрического поля электрореологические жидкости ведут себя как большинство обычных суспензий, проявляя при течении ньютоновские свойства. Однако при наложении электрического поля в них практически мгновенно происходит резкое (на несколько порядков) увеличение вязкости за счет образования цепочечных структур, направленных параллельно силовым линиям электрического поля. Сопротивление электрореологических жидкостей сдвигу отражает комбинированное действие поляризационных и вязкостных сил, дающих напряжение сдвига, препятствующее течению. При приложении электрического поля вязкость электрореологических жидкостей уменьшается с ростом скорости сдвига, что соответствует псевдопластичному течению жидкости.

Электрореологический эффект связан с механизмом поляризации, локальным смещением заряженных частиц в кристаллической решетке вещества наполнителя под действием электрического поля. Он не проявляется заметно вплоть до некоторой пороговой напряженности электрического поля Eкр, величина которой зависит от состава суспензии и температуры. Нагрев снижает вязкость и с ростом температуры влияние электрического поля постепенно нивелируется. Электрореологический эффект наблюдается как в постоянных, так и в переменных полях. При увеличении частоты поля вязкость вначале остается неизменной, затем падает. Вид зависимости эффекта от частоты зависит от состава дисперсной системы.

Магнитореологические жидкости представляют собой суспензии, состоящие из частиц ферромагнитных или парамагнитных материалов, например, карбонильного железа, как правило, с диаметром больше, чем 0,1 мкм (чаще всего размером от 3 до 8 мкм), диспергированных в жидкости-носителе, например, в синтетическом или минеральном масле, воде или гликоле (обычно в количестве от 20 до 40 об.%).

Магнитореологические жидкости проявляют свойства, подобные тем, которые обычно наблюдаются у электрореологических жидкостей. Как и электрореологические жидкости, они способны существенно изменять свою вязкость, но под действием не электрического, а магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля частицы имеют случайное распределение (рис. 5, а). Под воздействием магнитного поля частицы намагничиваются и выстраиваются в цепочки, которые ориентируются по направлению действия магнитного поля (рис. 5, б). Ориентация цепочек может изменяться при наличии напряжений сдвига (рис. 5, в). Образование цепочек препятствует свободному перемещению суспензии и приводит к увеличению вязкости жидкости более чем в 105 раз. В отсутствие магнитного поля частицы возвращаются в неорганизованное, свободное состояние, и вязкость жидкости соответственно уменьшается.

Рис. 5. Стадии проявления магнитореологического эффекта: а – случайное распределение частиц в отсутствие внешнего магнитного поля; б – выстраивание частиц в цепочки под действием магнитного поля; в – положение, приобретаемое частицами вследствие действия магнитного поля и напряжений сдвига

Электрореологические жидкости благодаря способности обратимо изменять свои свойства при наложении электрического поля, переходя от жидкотекучего состояния к вязкопластичному в течение миллисекунд, находят применение в качестве рабочих тел электрически управляемых механических передаточных устройств (демпферов, сцеплений, захватов, клапанов и т.п.) в различных областях современной техники.

На рис. 6 показана конструктивная схема муфты, состоящей из ведущей и ведомой полумуфт из электропроводного материала, пространство между которыми заполнено электрореологической жидкостью.

Рис. 6. Муфта с электрореологической жидкостью: 1 и 3 – ведущая и ведомая полумуфты; 2 – электрореологическая жидкость

Работа муфты основана на свойстве электрореологической жидкости обратимо увеличивать вязкость под действием электрического поля, создаваемого импульсным генератором. При этом вращающий момент между полумуфтами передается только в моменты импульсов, когда образуется жесткая связь между полумуфтами в синхронном режиме. Характер и форма воздействующего импульсного поля регулируется путем изменения частоты, скважности или формы импульсов. Поскольку время реакции жидкости на воздействующее электрическое поле крайне мало, то вращение ведомой полумуфты хотя и имеет дискретный характер, но при достаточно большой частоте импульсов практически непрерывно и не зависит от изменения нагрузки на ведомой полумуфте.

Магнитореологические жидкости имеют те же основные области применения, что и электрореологические жидкости. При этом они обладают рядом преимуществ перед электрореологическими. В частности, они проявляют более высокие пределы текучести, и, следовательно, способны производить более высокие демпфирующие силы. Кроме того, они активируются магнитными полями, которые довольно легко получаются с помощью простых низковольтных электромагнитных катушек, в то время как для эффективной работы электрореологических жидкостей требуются дорогие высоковольтные источники питания.

Электро- и магнитореологические жидкости наиболее широко применяются в транспортных средствах, особенно высоконагруженных, имеющих на борту специальное оборудование. Обычно они при эксплуатации подвергаются механическим воздействиям (вибрации, удары, линейные ускорения) в различных направлениях.

При этом упругие и демпфирующие характеристики традиционно используемых систем пассивного подрессоривания транспортных средств остаются неизменными и подбор оптимальных параметров для различных условий нагрузок является крайне затруднительным или практически невозможным.

Улучшить характеристики демпфирования позволяют виброзащитные системы активного подрессоривания, с помощью которых можно решать проблемы гашения случайных и периодических воздействий различного характера. Для создания таких систем перспективно применять электро- и магнитореологические демпферы, характеризующиеся широким диапазоном изменения демпфирующей способности, возможностью одновременного демпфирования колебаний в нескольких направлениях, простотой конструкции. Их можно эффективно использовать для гашения вибраций, например, кабин большегрузных автомобилей, а также подвесок двигателей и сидений водителей. Амортизаторы с электроили магниточувствительной рабочей жидкостью, обеспечивая значительное снижение колебаний, продольную и поперечную раскачку кузова автомобиля, являются особенно востребованными для комплектации медицинских, спасательных и аварийных автомобилей.

Для регулирования скорости движения и расхода рабочей жидкости в гидравлических системах машин и аппаратов обычно применяются гидравлические дроссели, в которых за счёт изменения проходного сечения потока жидкости создаётся дополнительное гидравлическое сопротивление. Благодаря этому обеспечивается необходимый перепад давлений на тех или иных элементах гидросистем, а также изменяется величина потока жидкости, проходящего через дроссель.

На рис. 7. приведена схема магнитореологического дросселя с кольцевым рабочим зазором. Дроссель состоит из электромагнитной катушки, сердечника и корпуса из магнитной стали, которые выполняют функции магнитопровода. Ток, протекающий через обмотку катушки, вызывает появление магнитного поля и соответственно магнитного потока через магнитопровод. Магнитный поток замыкается через зазор и увеличивает динамический предел текучести магнитореологической жидкости, протекающей через зазор. Замена подвижных механических элементов дросселя прямым воздействием магнитного поля на магнитореологическую жидкость обеспечивает существенное улучшение частотной характеристики дросселя, упрощает его конструкцию и повышает надежность.

Схема магнитореологического дросселя с кольцевым рабочим зазором

Рис. 7. Схема магнитореологического дросселя с кольцевым рабочим зазором1 – электромагнитная катушка; 2 – сердечник; 3 – корпус; 4 – магнитный поток; 5 – рабочий зазор

На основе магнитореологических жидкостей создают электропроводящие ячейки переключающих устройств, которые позволяют исключить эффект возникновения электрической искры (пиковый бросок напряжения), возникающий в традиционных переключающих устройствах при подключении или отключении нагрузки, что особенно важно для предотвращения возникновения пожарной и взрывоопасной ситуации. Это явление ведет к разрушению контактных электродов, образованию на них нагара, значительному ухудшению работы, а также выходу электронного оборудования из строя. В данном случае электрический ток проходит через огромное количество электропроводящих цепочек магнитореологической суспензии, возникающих под действием магнитного поля. Время образования этих цепочек довольно значительно, так что контактное сопротивление магнитореологической ячейки в момент ее включения и выключения изменяется плавно, что исключает возникновение дуги при пиковых бросках напряжения.

Одним из главных преимуществ переключателя на основе магнитореологической электропроводящей ячейки перед традиционной конструкцией является отсутствие большого количества различных движущихся деталей, что позволит создавать устройства с большей вибростойкостью, обеспечив их надежность для применения в специальной технике, испытывающей сильные перегрузки.

На рис. 8 показана схема электропроводящей ячейки с магнитореологической жидкостью в герметичном диэлектрическом контейнере, по краям которого расположены электропроводящие пластины.

Магнитореологическая электропроводящая ячейка

Рис. 8. Магнитореологическая электропроводящая ячейка: 1 – магнитореологическая жидкость; 2 – контейнер; 3 – пластины

Эти пластины непосредственно контактируют с магнитореологической жидкостью и соединяются с электрической цепью. В отсутствие магнитного поля магнитные частицы изолированы друг от друга и между ними находится неэлектропроводная жидкая среда. В этом состоянии электрический ток не проходит через ячейку. При воздействии магнитного поля магнитные частицы выстраиваются в цепочки и становятся проводником электрического тока. При производстве высокоточных стеклянных линз (а также полупроводниковых пластин, керамических деталей и других подобных изделий) применяются методы финишной обработки, которые в традиционных вариантах реализации, например, с использованием шлифовальных кругов, являются очень дорогими и трудоемкими. Одним из основных препятствий в изготовлении таких изделий является то, что они выполняются из хрупких материалов, которые могут треснуть во время обработки. Между тем даже одна микротрещина может существенно снизить качество линзы и сделать ее непригодной для дальнейшего использования.

Для преодоления указанных трудностей эффективно использовать технологию магнитореологической обработки (рис. 9 и 10). Согласно схеме процесса магнитореологической обработки выпуклые, вогнутые или плоские заготовки помещаются над опорной поверхностью. Слой магнитореологической жидкости располагается на внешней части вращающегося диска. Под воздействием магнитного поля в рабочем зазоре происходит ориентирование абразивных частиц в жидкости, благодаря чему формируется зона обработки. Устранение микронеровностей и дефектов поверхности обеспечивается благодаря повороту линзы в зоне обработки относительно своей оси. Удаление материала происходит за счет создания жидкостью напряжений сдвига на обрабатываемой поверхности.

Схема процесса магнитореологической обработки

Рис. 9. Схема процесса магнитореологической обработки

Установка для магнитореологической обработки

Рис. 10. Установка для магнитореологической обработки

Финишная обработка поверхностей с помощью магнитореологических жидкостей имеет следующие преимущества по сравнению с традиционными методами обработки: во-первых, силы, действующие на обрабатываемую поверхность, имеют гораздо меньшие значения и, кроме того, они регулируются с помощью магнитного поля; во-вторых, магнитореологическая жидкость удаляет тепло и стружку из зоны обработки и, кроме того, автоматически приспосабливается к форме обрабатываемой поверхности, копируя ее.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *