Способ управления течением магнитореологической жидкости в гидроканале

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕЧЕНИЕМ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ В ГИДРОКАНАЛЕ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Городкин Сергей Рафаилович Журавский Николай Анатольевич Бровкин Николай Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ управления течением магнитореологической жидкости в гидроканале, заключающийся в изменении касательных напряжений магнитореологической жидкости на магнитопроводящей стенке гидроканала в процессе деформации жидкости путем регулирования напряженности воздействующего на магнитореологическую жидкость магнитного поля, ориентированного по нормали к магнитопроводящей стенке, отличающийся тем,что изменение касательных напряжений осуществляют на стенке гидроканала, на поверхности которой по нормали к направлению действия возникающих касательных напряжений выполнены регулярные канавки с поперечным сечением в форме многогранника,глубина и ширина которых не менее среднего диаметра частиц дисперсной фазы магнитореологической жидкости. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что канавки выполнены с поперечным сечением в форме треугольника либо прямоугольника. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что канавки выполнены с отношениемширины канавки к ее шагу в диапазоне 0,11,0. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что канавки выполнены с отношением ширины канавки к ее шагу 0,5.(56)1681618 , 1987.2020304 1, 1992.94036400 1, 1996.5547049 , 1996.5398917 , 1995.5353839 , 1994.96/07836 2. Предлагаемое изобретение относится к области управления течением жидкости с помощью магнитного поля и может быть использовано в электрогидравлических устройствах, например, в электрогидроавтоматике, гидравлике, робототехнике, машино- и станкостроении, автомобильной промышленности и др. Магнитореологическая жидкость (МРЖ) представляет собой суспензию неколлоидных ферромагнитных частиц в текучей несущей среде. Если поместить МРЖ в зазор между двумя стенками, образующими гидроканал, и воздействовать на нее однородным магнитным полем, направленным по нормали к стенке и оси гидроканала, то частицы за счет магнитодипольного взаимодействия образуют в объеме микроструктуру в виде цепочечных агрегатов, простирающихся от одной стенки до другой. Наложение внешних сдвиговых напряжений (например, за счет механического смещения одной стенки относительно другой) вызывает возникновение касательных напряжений в МРЖ, наибольшее значение которых имеет место на неподвижной стенке. При превышении некоторой пороговой величины касательных напряжений, называемой пределом текучести 0, начинается необратимая деформация (течение) МРЖ. При этом касательное напряжение на стенке определяется из выражения 10 ( )0, где 0 - генерируемый магнитным полем предел текучести, 0 - пластическая вязкость (вязкость МРЖ при отсутствии воздействия магнитного поля),- скорость сдвига. Таким образом, величина 0 является тем параметром, который регулируется магнитным полем в процессе управления течением. Течение МРЖ сопровождается либо разрывом цепочечных агрегатов, либо скольжением их по стенке как единое целое, либо комбинацией этих двух процессов. Известно 2, что в цепочечном агрегате сила взаимодействия между частицами значительно больше по сравнению с силой взаимодействия частиц со стенкой, поэтому разрыву цепей соответствует,при прочих равных условиях, более высокий уровень касательных напряжений, нежели скольжению. Таким образом, подавление скольжения на стенке является эффективным методом увеличения 0 и, соответственно, расширения диапазона управления касательным напряжением МРЖ. Известен способ управления касательным напряжением МРЖ на стенке путем создания микронеоднородности магнитного поля на поверхности стенки за счет изготовления стенки путем перевода МРЖ в твердое состояние в ориентированном по нормали к поверхности стенки магнитном поле 3. За счет наличия микронеоднородности магнитного поля величина сцепления цепочечных агрегатов со стенкой возрастает, соответственно снижается эффект проскальзывания и увеличивается диапазон управления. Недостатки данного способа заключаются в том, что относительная магнитная проницаемость подобной стенки имеет величину порядка 2-4(по сравнению с 1000 у стали), в результате сопротивление магнитному потоку повышается, и для создания требуемой напряженности магнитного поля необходимо увеличивать намагничивающую силу (ампервитки), что приводит к росту габаритов и энергоемкости устройства, реализующего способ малый масштаб неоднородности магнитного поля и соответственно небольшие градиенты поля недостаточны для предотвращения проскальзывания отсутствуют механические средства подавления скольжения. 2 5845 1 Указанные недостатки не позволяют реализовать в полной мере возможный диапазон управления касательным напряжением. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ управления касательным напряжением МРЖ на стенке, реализованный в магнитореологическом дросселе, при котором стенки гидроканала, являющиеся одновременно участками магнитопровода, выполнены из магнитного материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, причем создаваемое управляющее магнитное поле перпендикулярно направлению течения МРЖ и вектору касательных напряжений 4. Этот способ принят нами за прототип. Известно, что в магнитном поле ферромагнитная частица, например ближайшая к стенке частица цепочечного агрегата, являющаяся магнитным диполем, создает в магнитной стенке свое зеркальное отображение, вызывая локальную микронеоднородность поля, взаимодействует с отображением, увеличивая силу сцепления частицы со стенкой и уменьшая скольжение цепочек. При этом растет диапазон управления касательным напряжением. Недостатком данного способа является малый масштаб неоднородности магнитного поля и отсутствие механических средств подавления скольжения, что не позволяет реализовать в полной мере возможный диапазон управления касательным напряжением. Цель предлагаемого изобретения заключается в расширении диапазона регулирования касательных напряжений МРЖ на стенке путем воздействия магнитного поля, ориентированного по нормали к магнитопроводящей стенке. Способ регулирования отличается тем,что на стенке создают магнитомеханический барьер, препятствующий проскальзыванию агрегатов из частиц дисперсной фазы МРЖ вдоль стенки за счет формирования в ней локальных градиентов магнитного поля и механических барьеров. Поставленная цель достигается тем, что на магнитопроводящей стенке наносят регулярные канавки. Канавки представляют собой своеобразные магнитные, а также механические ловушки для частиц или агломератов частиц, контактирующих со стенкой. Попадая в такую ловушку, они не в состоянии скользить по стенке, при этом течение МРЖ может быть связано только лишь с разрывом цепей и преодолением межчастичного взаимодействия. В такой ситуации касательные напряжения, необходимые для начала течения МРЖ, максимально возрастают и соответственно возрастает диапазон их регулирования при прочих равных условиях. При этом ширина и глубина канавки должны быть, по крайней мере, не меньше среднего диаметра частиц ферромагнитной дисперсной фазы МРЖ с той целью, чтобы ближайшая к стенке частица смогла полностью поместиться в канавку для реализации механического барьера проскальзыванию. Кроме того, в поперечном сечении канавка должна иметь форму, содержащую грани (например, треугольник или прямоугольник). В области граней происходит сгущение силовых линий магнитного поля, способствующее созданию локальных неоднородностей поля, выполняющих роль магнитных ловушек, подавляющих проскальзывание частиц. Причем предпочтительнее ориентировать канавки поперек направления движения цепочек, в противном случае частицы будут двигаться (скользить) вдоль канавки, не встречая механического сопротивления. За счет наличия канавок на стенке в зоне контакта с цепочечными агрегатами образуются локальные неоднородности магнитного поля с масштабом и градиентом, превышающим таковые в известных способах и, в частности, в прототипе. Увеличение градиента поля способствует росту силы взаимодействия частицы со стенкой, за счет чего усиливается магнитный барьер проскальзыванию. Масштаб неоднородности магнитного поля может быть охарактеризован параметром/, представляющим собой отношение ширины канавкик ее шагу . По сути дела, параметропределяет баланс между размером канавок и их количеством. С одной стороны, размер канавок должен быть достаточным для создания эффективного магнитомеханического барьера, а с другой стороны, их количество также должно быть достаточно на единице длины. Экспериментально установлено, что увеличение касательных напряжений на стенке с канавками по сравнению с ровной стенкой имеет место в диапазоне величин 0,1-1, причем максимальный эффект наблюдается при 0,5. 3 5845 1 Изобретение поясняется схемой на рис. 1 и реализуется следующим образом. Две круглые магнитные пластины 1 и 2 образуют стенки канала-зазора 3 магнитной цепи и одновременно являются полюсами электромагнита, создающего в зазоре магнитное поле с регулируемой напряженностью Н. Зазор заполнен МРЖ. Приведенная схема по сути дела представляет собой муфту с регулируемым передаточным моментом. Пластина 1 или ведущая полумуфта соединена, например, с двигателем 4, а пластина 2 или ведомая полумуфта соединена с нагрузкой 5. На каналообразующие поверхности пластин нанесены радиальные канавки, например, треугольного сечения, причем ширина канавоки их шагвыполнены таким образом, чтобы средняя по площади величина/ была равной ср.0,5. Осреднение параметранеобходимо ввиду того, что он меняется по радиусу пластины. Величина ср. определяется из выраженияср.- локальная величина параметра ,- количество канавок,- локальное 2- величина параметрана торце пла 2 стины. В магнитном поле частицы ферромагнитной дисперсной фазы МРЖ объединяются в цепочечные агрегаты, концы которых контактируют со стенками. При вращении ведомой пластины слой МРЖ деформируется, за счет чего возникают касательные напряжения на стенке. Ввиду того, что крайние частицы (и их агломераты) агрегата попадают в пазы, а грани, образующие пазы, концентрируют силовые линии поля и создают градиент поля,способствующий фиксации частиц и агломератов, то возникает комплексный магнитомеханический барьер, препятствующий скольжению агрегатов по стенке. В результате деформация (течение) МРЖ происходит за счет разрыва цепочечных агрегатов. Это увеличивает касательные напряжения на стенке и, соответственно, передаваемый на ведомую пластину крутящий момент М. Регулируя величину напряженности магнитного поля в зазоре, можно в широких пределах изменять величину касательного напряжения на стенке. Предлагаемый способ управления касательным напряжением на стенке по сравнению с известными обладает более широким диапазоном регулирования (в 2,5 раза) и позволяет существенно улучшить характеристики электрогидравлических устройств, функционирующих на основе управления течением жидкости с помощью магнитного поля. Источники информации 1...-//. - 1998. - . 9. - Р. 650-654. 2. ..//5,, , , 10-14 , 1995,. - Р. 603-612. 3. Патент Российской Федерации 1681618 Способ управления касательным напряжением ферромагнитной суспензии на стенке / Изобретения, 1996. -8. - С. 311. 4. Городкин С.Р., Коломенцев А.В., Прохоров И.В., Кузьмин В.А. Магнитореологические исполнительные приводы // Механизация и автоматизация производства. - 1990.4. - С. 10-13. 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.