В зависимости от свойств разделяемых сред все МЖГ подразделяются на вакуумные, газовые, пылевые, гидравлические и др.

Некоторые конструкции, требующие отвода тепла (например, из-за высоких скоростей вращения и других причин) предусматривают пассивное (медные радиаторы*) или активное (каналы, по которым циркулирует охлаждающая жидкость) охлаждение полюсных наконечников. В долговременно эксплуатируемых устройствах предусматриваются системы восполнения МЖ.

Конструкция МЖГ постепенно совершенствовалась в направлении повышения предельно допустимого удерживаемого перепада давления при сохранении или уменьшении ее габаритов. МЖГ обеспечивают перепад давлений в уплотнениях до 1 МПа при наработке на отказ – до 15 лет.

МЖГ используются для уплотнения валов (штоков) диаметром 8…250 мм при рабочих зазорах между уплотняемыми поверхностями до 0,3 мм. Увеличения рабочего зазора до 0,5…0,8 мм (что необходимо для оборудования горнодобывающей промышленности, которое имеет большие габариты и работает в условиях повышенной вибрации) можно достичь за счет применения магнитожидкостных герметизирующих комплексов, в которых создаются комбинированные уплотнения, объединяющие достоинства традиционных и магнитожидкостных систем герметизации. Находящиеся в эксплуатации системы могут быть модернизированы путем замены стандартных герметизаторов на МЖГ, имеющие такие же посадочные и близкие габаритные размеры.

§ 6.5. Демпферы, муфты, амортизаторы, тормоза

Демпфер – устройство или приспособление, предназначенное для поглощения энергии колебаний либо уменьшения их амплитуды.

В магнитожидкостных демпферах в основном используются МРЖ. Принцип действия таких устройств основан на диссипации (рассеянии) кинетической энергии нежелательных механических перемещений и колебаний за счет внутреннего трения в жидкости. В зависимости от конструкции демпферы противодействуют либо продольным, либо крутильным колебаниям.

* Радиатор – устройство для рассеивания тепла в воздухе (излучением и конвекцией), воздушный теплообменник.

213

Эффективность работы демпфера характеризуется коэффициентом демпфирования (затухания) колебаний* δ, который при использовании в качестве демпфирующей среды жидкости зависит от коэффициента ее динамической вязкости η. Эту связь можно показать на примере устройств, содержащих демпферы продольных и крутильных колебаний** (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Демпфереры колебаний: а – продольных; б – крутильных

Такие устройства содержат тело массой т, соединенное с неподвижным основанием и совершающее затухающие колебания по оси х (рис. 6.10, а) или по углу φ (рис. 6.10, б) при воздействии на него идеальной пружины, имеющей жесткость k (рис. 6.10, а) или модуль кручения D (рис. 6.10, б), и среды, обладающей коэффициентом сопротивления колебаниям r. В табл. 6.2 приведены уравнения и параметры, характеризующие затухающие колебания в устройствах, показанных на рис. 6.10.

Коэффициент затухания δ прямо пропорционален коэффициенту сопротивления демпфирующей среды r и соответственно силе сопротивления или тормозящему моменту. Сила сопротивления Fc (при

условии, что демпфирующая среда рассматривается как движущаяся

*Коэффициент затухания колебаний характеризует быстроту уменьшения амплитуды колебаний во времени вследствие рассеяния энергии, измеряется в с–1.

**Крутильные колебания – механические колебания, при которых упругие элементы испытывают деформации сдвига. Наблюдаются в различных устройствах с вращающимися валами: в поршневых двигателях, турбинах, генераторах, редукторах, трансмиссиях транспортных машин.

214

* Момент инерции тела J R2dm , где R – расстояние до оси вращения элементарной массы dm

жидкость с совокупностью непрерывных и плотно прилегающих друг к другу слоев, каждый из которых движется с постоянной скоростью) равна силе внутреннего трения Fт. Сила внутреннего тре-

ния в демпфирующей среде (при условии, что один из рассматриваемых слоев жидкости не движется) рассчитывается по формуле

центрами соседних слоев жидкости. Таким образом, коэффициент сопротивления демпфирующей среды r прямо пропорционален коэффициенту динамической вязкости η.

В случае крутильных колебаний момент силы равен векторному произведению силы на радиус, следовательно, тормозящий момент определяется выражением

215

Использование МРЖ в качестве демпфирующей среды позволяет, изменяя напряженность внешнего магнитного поля, регулировать коэффициент динамической вязкости η и, следовательно, коэффициент затухания как продольных, так и крутильных колебаний. Оптимизация направления магнитного поля зависит от конструкции демпфера.

Работу демпфера продольных колебаний можно проиллюстрировать на примере управляемого амортизатора, применяемого в автомобилестроении (рис. 6.11). В статическом состоянии поршень неподвижен относительно корпуса, и заполняющая рабочую область МРЖ не протекает по дроссельным каналам. Под действием внешнего возмущения шток с закрепленным на нем поршнем совершает колебательные движения относительно немагнитного корпуса. Система управления автомобилем в зависимости от реакции амортизаторов, дорожного просвета, хода подвесок, ускорения и т. п., подает напряжение на катушку намагничивания, которая создает в поршне поперечно направленное магнитное поле. Под его действием магнитные частицы в дроссельных каналах образуют упорядоченные цепочки, направленные поперек каналов (рис. 6.11, а). Это упорядочение изменяет коэффициент динамической вязкости МРЖ и, как следствие, демпфирующую характеристику амортизатора (зависимость силы сопротивления от скорости перемещения поршня).

Рис. 6.11. Иллюстрации работы управляемого автомобильного амортизатора: а – расположение частиц МРЖ в канале рабочей области; б – схематичное

изображение рабочей области; в – схематичное изображение амортизатора с разрезом

216

Управляемые амортизаторы на основе МРЖ по сравнению с их аналогами на основе электромагнитных клапанов:

–снижают среднее время реакции подвески автомобиля с 10 до 1 мс;

–характеризуются непрерывной зависимостью силы сопротивления амортизатора от скорости движения поршня.

Амортизаторы на основе МРЖ применяются в различных мо-

делях легковых автомобилей: «Cadillac Seville» и «Chevrolet Corvette», «Chevrolet Camaro ZL1», «Audi А3», «Ferrari F12 Berlinetta» и др.

Разработка устройств, использующих демпферы продольных колебаний на основе МРЖ, ведется в направлениях, связанных с созданием протезов коленных суставов, виброопор автомобильных двигателей, шасси самолетов, опор стационарных энергетических установок и строительных конструкций и т. п.

Гашение крутильных колебаний с помощью МРЖ используется в магнитожидкостных вращательных демпферах, магнитореологических муфтах и тормозах.

Вращательные демпферы применяются при использовании шаговых электродвигателей.

Схематичное изображение демпфера, гасящего крутильные колебания шагового электродвигателя и соответственно повышающего точность позиционирования X-Y-Z плоттеров, принтеров, оптических сканеров, роботов и микромашин, приведено на рис. 6.12. Инерционная масса 3, представляющая собой намагниченный наборный стальной цилиндр, расположена внутри корпуса 4, соединенного с валом 1. Зазор

217

пусом. При вращении вала в отсутствие углового ускорения угловые скорости вращения корпуса и инерционной массы равны. Появление углового ускорения вызывает разность угловых скоростей вращения корпуса и инерционной массы. Вследствие этого появляется трение между МРЖ и корпусом, вызывающее перемещение отдельных слоев МРЖ относительно друг друга, которое приводит к внутреннему трению в МРЖ и, таким образом, к диссипации кинетической энергии системы.

необходимости изменения скорости вращения ведомого вала 5 относительно ведущего вала 4 ток в катушке 8 уменьшается, и при некотором его значении соединение между дисками 2 и 3 нарушается. Муфты такого типа целесообразно использовать в малогабаритных устройствах для передачи крутящего момента порядка 50 Н · м.

* Муфта – устройство, предназначенное для соединения друг с другом валов и передачи крутящего момента.

218

Для передачи больших крутящих моментов используются муфты цилиндрического типа (МРЖ расположена между стенками вложенных друг в друга полых цилиндров). Компания «Magna Powertrain» (Австрия) создала автомобильное сцепление, представляющее собой магнитореологическую муфту такого типа. Конструкция муфты обеспечивает плавное сцепление и гашение крутильных колебаний при передаче момента до 700 Н·м, массе 7,5 кг и потребляемой мощности 50 Вт. Время полного включения/выключения не превышает 180 мс.

Магнитореологичекие муфты встраиваются в коленно-локте- вые суставы экзоскелетов, применяемых в медицине для лечения и реабилитации больных с поражением опорно-двигательного аппарата, а также в военной промышленности для производства приспособлений, расширяющих физические возможности человека.

Принцип работы магнитореологического тормоза иллюстри-

рует рис. 6.14. Тормозной диск 1, закрепленный на валу 2, имеющем подшипниковые опоры 3, вращается внутри корпуса 4. Зазор между

219

зоров сверхвысокой четкости (Ultra High-Definition, с разрешением 3890 и выше пикселей по горизонтали) и др.

На рис. 6.15 показана головка громкоговорителя с МРЖ. Излучающая диафрагма 1, возбуждающая звуковые волны в окружающей среде, управляется соединенной с ней звуковой катушкой 2. Они обе колеблются в поле постоянного магнита 3 с частотой тока в катушке. Рабочий зазор между звуковой катушкой и магнитопроводом 4 заполнен МРЖ 5, которая защищает рабочий зазор от загрязнений и демпфирует нежелательные вибрации излучающей диафрагмы и звуковой катушки. Последнее приводит к снижению уровня резонансного возбуждения на низких частотах, фазовых искажений сигнала и повышению качества воспроизведения звука. Одновременно улучшается отвод тепла, выделяемого звуковой катушкой (коэффициент теплопроводности МРЖ в несколько раз выше коэффициента теплопроводности воздуха), что позволяет повысить акустическую мощность системы.

Рис. 6.15. Головка громкоговорителя с МРЖ: 1 – излучающая диафрагма (диффузор);

2 – звуковая катушка, 3 – постоянный магнит; 4 – магнитопровод; 5 – магнитореологическая жидкость

Согласно исследованиям компании «Sony Corporation» потребляемая электрическая мощность разработанных ею громкоговорителей с МРЖ примерно на 35 % меньше, чем у громкоговорителей, использующих другие устройства демпфирования продольных колебаний, что обеспечивает прирост уровня громкости 2 дБ.

220