ANALOGIE I RÓśNICE WŁAŚCIWOŚCI CIECZY

MODELOWANIE INśYNIERSKIE
36, s. 313-320, Gliwice 2008
ISSN 1896-771X
ANALOGIE I RÓśNICE WŁAŚCIWOŚCI CIECZY
MAGNETOREOLOGICZNYCH ORAZ GRANULATÓW
UMIESZCZONYCH W PRZESTRZENI Z PODCIŚNIENIEM
ROBERT ZALEWSKI, JERZY BAJKOWSKI
Instytut Podstaw Budowy Maszyn, Politechnika Warszawska
e-mail: [email protected], [email protected]
Streszczenie. W pracy omówiono podobieństwa i róŜnice zauwaŜone w trakcie
przeprowadzania badań eksperymentalnych urządzeń, pracujących na bazie cieczy
MR oraz specjalnych struktur granulowanych. Zaprezentowano i omówiono
przykładowe rezultaty doświadczalne uwzględniające wpływ czynnika sterującego
na wybrane parametry pracy urządzeń.
1 WSTĘP
Aktualnie obserwowane kierunki badań cieczy magnetoreologicznych koncentrują się na
projektowaniu i wytwarzaniu nowych struktur inteligentnych, opisie mechanizmów
powodujących efekt magnetoreologiczny oraz poszukiwaniu zastosowań urządzeń
pracujących na ich bazie. Jednocześnie ciągle jeszcze wysokie koszty produkcji cieczy
reologicznych sprawiają, Ŝe większość ośrodków badawczych ogranicza się zazwyczaj do
badań urządzeń z magnetoreologicznym czynnikiem roboczym, wytworzonym przez jednego
z potentatów korporacyjnych. Takie podejście pozostawia badaczom stosunkowo ograniczony
obszar badań eksperymentalnych, zawęŜony właściwie do badania wpływu wybranych
czynników zewnętrznych na makroskopowe odpowiedzi układu.
W trakcie prowadzonych badań cieczy magnetoreologicznych oraz urządzeń pracujących
na ich bazie, autorzy niniejszej pracy dopatrzyli się pewnych analogii w ich budowie
i zachowaniu ze specjalnie wytwarzanymi strukturami granulowanymi.
Struktury takie zbudowane są na bazie luźnego materiału granulowanego, umieszczonego
w szczelnej przestrzeni, w której wytwarzane jest podciśnienie. Zmiana tego parametru
powoduje obserwowalne zmiany w makroskopowej sztywności całego granulowanego
konglomeratu. Omawiane struktury, przy wyŜszych wartościach podciśnień, wykazują
właściwości zbliŜone do ciała stałego. Przejście z fazy semi-ciekłej (przy ciśnieniu
atmosferycznym) do semi-stałej (dla próŜni) moŜe zachodzić w sposób ciągły i pełni
kontrolowany poprzez parametr podciśnienia.
Niewątpliwą zaletą tego typu materiałów, z punktu widzenia badawczego jest,
w odróŜnieniu od cieczy MR, moŜliwość swobodnej ingerencji w skład konglomeratu
tworzącego strukturę. Zmiana takich parametrów jak materiał osnowy, rodzaj ziaren
wypełniacza, ich kształt i wymiary, stopień wypełnienia czy wartość podciśnienia powodują
zmiany w globalnych właściwościach mechanicznych badanej struktury. Oszacowanie
314
R.ZALEWSKI, J. BAJKOWSKI
wpływu wybranej grupy parametrów, w tym przede wszystkim wartości generowanego
podciśnienia wewnątrz struktury na jej cechy fizyczne, pozwala na znalezienie ciekawych
i w pełni konkurencyjnych z klasycznymi materiałami konstrukcyjnymi aplikacji
inŜynierskich dla tego typu materiałów.
2 CEL I ZAKRES PRACY
Zasadniczym celem pracy jest ujawnienie analogii i róŜnic w charakterze odpowiedzi
badanych struktur granulowanych i urządzeń magnetoreologicznych na wstępnie zadane
wymuszenia kinematyczne.
Opracowanie obejmuje omówienie i analizę rezultatów badań eksperymentalnych:
• tłumika magnetoreologicznego firmy LORD RD-1005-3 oraz
• specjalnie przygotowanej próbki struktury, której podstawowym elementem składowym
jest luźny materiał granulowany.
Przedmiotem badań, w przypadku tłumika magnetoreologicznego, jest określenie zmian
energetycznych będących funkcją wartości natęŜenia pola elektrycznego przepływającego
przez solenoid oraz częstości wymuszenia kinematycznego.
W drugim przypadku, specjalnej struktury granulowanej, przedmiotem zainteresowania są
równieŜ zmiany właściwości dyssypacyjnych, obserwowane przy zmianie wartości sztucznie
wytwarzanego podciśnienia i będące funkcją częstości wymuszenia kinematycznego
W podsumowaniu zwrócono uwagę na złoŜoność analizowanych zjawisk, proponując
przyszłościowe kierunki badań, zmierzające do pełniejszego poznania i opisu cech fizycznych
omawianych struktur.
3 BADANIA EKSPERYMENTALNE
Rozdział dotyczący badań eksperymentalnych podzielono na dwie części. Pierwszą z nich
poświęcono badaniom komercyjnego amortyzatora pracującego na bazie cieczy MR,
oznaczonego jako RD-1005-3.
Część druga dotyczy badań struktur granulowanych umieszczonych w specjalnych
warunkach. Brak literatury poruszającej tę tematykę zmusił autorów do przeprowadzenia
szeregu eksperymentów podstawowych, mających na celu ujawnienie podstawowych
właściwości mechanicznych tego typu struktur. Napotkane przy ich realizacji problemy
i spostrzeŜenia niejednokrotnie wybiegają tematycznie poza zakres niniejszej pracy
i w związku z tym zostaną w niej pominięte. Wcześniejsze prace autorów dotyczące tej
tematyki ([5-8]) mają cechy nowatorskie i mogą być traktowane jako swoistego rodzaju
elementarz metod eksperymentalnych mechaniki specjalnych struktur granulowanych.
3.1 Badania amortyzatora magnetoreologicznego
Badania przeprowadzono wykorzystując powszechnie znany produkt korporacji LORD
oznaczony symbolem RD-1005-3. Schemat strukturalny obiektu badawczego zilustrowano na
rys. 1.
ANALOGIE I RÓśNICE WŁAŚCIWOŚCI CIECZY MAGNETOREOLOGICZNYCH...
315
Rys.1. Schemat strukturalny amortyzatora RD-1005-3 (1-tłok, 2-tłoczysko, 3-cewka, 4szczelina, 5-ciecz magnetoreologiczna, 6- przewody doprowadzające, 7- obudowa, 8 –
akumulator powietrzny)
Dane techniczno-eksploatacyjne obiektu badawczego zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Dane techniczne badanego amortyzatora magnetoreologicznego [3]
Maksymalny skok tłoka
± 25 [mm]
Maksymalna długość amortyzatora
210 [mm]
Minimalna długość amortyzatora
155 [mm]
Masa urządzenia
0,8 [kg]
NatęŜenie prądu płynącego w cewce
0-2 [A]
Napięcie zasilające
12 [V]
Czas odpowiedzi na zmianę pola
w zaleŜności od rodzaju zasilacza
magnetycznego
waha się od 20 do 30 [ms]
Do przeprowadzenia badań laboratoryjnych przygotowano specjalne stanowisko badawcze
zilustrowane na rys. 2.
Rys. 2. Stanowisko badawcze (1-amortyzator MR, 2- mimośród, 3- czujnik siły, 4- silnik
elektryczny, 5- kamera termowizyjna, 6- czujnik prędkości obrotowej, 7- aparatura
rejestrująca, 8- zasilacz)
316
R.ZALEWSKI, J. BAJKOWSKI
Doświadczenia wykonywano w temperaturze pokojowej. NaleŜy jednak podkreślić, Ŝe
temperatura ma znaczny wpływ na parametry pracy urządzeń magnetoreologicznych. Zarówno
opór przepływającego przez solenoid prądu jak i wynikające z konstrukcji urządzenia
zjawiska tarcia powodują stosunkowo szybki wzrost temperatury cieczy magnetoreologicznej.
Problemom wpływu temperatury na parametry pracy amortyzatora MR zostały poświęcone m.
in. publikacje [2] i [4]. Problematyka ta została, ze względu na ograniczenia edytorskie,
w niniejszym opracowaniu całkowicie pominięta.
Przy rozpoczęciu rejestracji danych eksperymentalnych głowica amortyzatora kaŜdorazowo
znajdowała się w połoŜeniu środkowym. W pracy rozpatrywano jedynie kinematyczne
wymuszenie ruchu (sinusoidalne) z amplitudą 5 [mm] i częstościami 0,83; 1,67; 2,5; 3,33
[Hz], zadając cztery wartości natęŜenia prądu: 0,2; 0,7; 1,2; 1,7 [A]. Częstotliwość
próbkowania wynosiła 0,5 [kHz].
Wybrane charakterystyki siła-przemieszczenie, siła-prędkość przemieszczenia dla
wspomnianych parametrów pracy urządzenia zilustrowano na rys. 3 i 4.
Rys. 3. Charakterystyki zmian parametrów siła-przemieszczenie oraz siła-prędkość
przemieszczenia dla róŜnych wartości częstości wymuszeń oraz natęŜenia prądu a) 1,2 [A]; b)
1,7 [A].
Analizując dane przedstawione na rys. 3, moŜna zauwaŜyć wyraźny wpływ wartości
prędkości obrotowej na badane przebiegi charakterystyk. Ze względu na lepkość cieczy jest
oczywiste, Ŝe wraz ze wzrostem częstości wymuszenia wartości mierzonych na tłoczysku sił
oporu zwiększają się. Charakterystyczne jest, Ŝe wpływ ten zanika wraz ze znacznym
wzrostem natęŜenia prądu. MoŜna zatem wnioskować, Ŝe zmiana stanu skupienia cieczy
magnetoreologicznej w fazę bliską ciału stałemu powoduje zmniejszenie wraŜliwości
materiału na zmiany prędkości odkształcenia. Zanikają więc tym samym zjawiska lepkie
w strukturze.
ANALOGIE I RÓśNICE WŁAŚCIWOŚCI CIECZY MAGNETOREOLOGICZNYCH...
317
Rys. 4. Charakterystyki siła-przemieszczenie oraz siła-prędkość przemieszczenia dla
zmiennych wartości prądu zasilającego oraz dla wymuszenia a) 2,5 [Hz]; b) 3,33 [Hz]
Wpływ zmiany wartości natęŜenia prądu na otrzymane eksperymentalnie przebiegi
charakterystyk (rys. 4) jest niezaprzeczalny. Zmiana natęŜenia prądu z wartości 0,2 [A] na
wartość 1,7 [A] powoduje około trzykrotny wzrost wartości sił tłumiących. Wpływ tego
parametru na siłę tłumiącą jest wyraźnie nieliniowy. Przy przebiegu tych zmian
zaobserwować moŜna dwie fazy: w pierwszej, zwiększaniu wartości natęŜenia prądu
towarzyszy wyraźny skok wartości siły rejestrowanej na tłoczysku. W drugiej obserwuje się
nasycenie magnetyczne materiału i dalsza intensyfikacja natęŜenia pola magnetycznego nie
powoduje juŜ tak wyraźnych wzrostów wartości sił tłumiących.
3.2 Badania specjalnych struktur granulowanych
Do badań laboratoryjnych przygotowano specjalną próbkę struktury utworzonej
z materiałów granulowanych (rys. 5). Składała się ona z dwóch stalowych tarcz o średnicy 55
[mm], połączonych ze sobą powłoką plastomerową, w której umieszczono zawór. UmoŜliwiał
on połączenie próbki z pompą próŜniową i zadanie odpowiedniej wartości podciśnienia.
Długość pomiarowa próbki wynosiła 150 [mm]
Rys. 5. Schemat budowy próbki materiałowej (1 -uchwyt, 2 - tarcza stalowa, 3- zawór,
4 -osnowa plastomerowa, 5 - materiał granulowany)
318
R.ZALEWSKI, J. BAJKOWSKI
Cylindryczną próbkę wypełniono szczelnie granulatem polipropylenowym. Pojedyncze
ziarno miało kształt cylindra o długości około dwóch [mm] i średnicy jednego milimetra.
Zakres zadawanych podciśnień wahał się od bliskiego ciśnieniu atmosferycznemu (0,01
[MPa]) do wartości 0,09 [MPa].
Badania przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej MTS 809. Zrealizowano
trójkątne wymuszenie kinematyczne o amplitudzie ± 7 [mm] przy częstościach 0,018; 0,25
i 1,78 [Hz]. RównieŜ w tym przypadku pominięto wpływ temperatury na otrzymywane
rezultaty eksperymentalne.
Wpływ wartości podciśnienia na uzyskiwane charakterystyki siła-przemieszczenie
zilustrowano na rys. 6.
Rys. 6. Charakterystyki siła-przemieszczenie dla próbki polipropylenowej w całym zakresie
podciśnień
Rys. 7. Charakterystyki siła-przemieszczenie dla próbki polipropylenowej przy częstościach
wymuszenia 0,018; 0,25 i 1,78 [Hz] oraz wartościach podciśnienia a) 0,02; b) 0,04; c) 0,06; d)
0,08, [MPa]
ANALOGIE I RÓśNICE WŁAŚCIWOŚCI CIECZY MAGNETOREOLOGICZNYCH...
319
Wraz ze wzrostem podciśnienia zwiększają się wartości rejestrowanych sił. Jest to analogia
do zachowania tłumika magnetoreologicznego przy wzroście natęŜenia pola magnetycznego.
Zasadniczą róŜnicą w odpowiedzi omawianych obiektów badawczych na zadany rodzaj
wymuszenia kinematycznego jest kształt otrzymanych eksperymentalnie charakterystyk.
W odróŜnieniu od symetrycznych pętli uzyskiwanych dla amortyzatorów MR badane
struktury granulowane znajdujące się w specjalnych warunkach wykazują zmienne cechy
fizyczne, w zaleŜności od kierunku zadanego obciąŜenia. To zjawisko odzwierciedla się
w niesymetrycznym kształcie krzywych cyklicznego obciąŜania rys. 6).
Specjalne struktury granulowane nie wykazują takŜe efektu „nasycenia” parametrem
podciśnienia. Wzrost jego wartości powoduje ciągły, nieliniowy wzrost podstawowych
właściwości wytrzymałościowych konglomeratów. Tej tematyce poświęcone są wcześniejsze
prace autorów np. [5-8].
Na rys. 7 zilustrowano wybrane charakterystyki napręŜenie-odkształcenie dla róŜnych
wartości podciśnień i prędkości odkształceń (częstości wymuszenia kinematycznego).
WraŜliwość specjalnych struktur granulowanych na wartość zadanej prędkości
odkształcenia jest obserwowana w całym zakresie wytwarzanych podciśnień.
Na podstawie przeprowadzonych badań nie moŜna jeszcze formułować jednoznacznych
wniosków dotyczących korelacji wartości parametru podciśnienia wewnętrznego
i wraŜliwości na prędkość odkształcenia.
4. PODSUMOWANIE
Opierając się na danych doświadczalnych zilustrowanych na rys. 3, 4 oraz 6 i 7, obserwuje
się zarówno pewne podobieństwa w zachowaniu zestawionych obiektów jak i zasadnicze
róŜnice.
Ciecze magnetoreologiczne i specjalne struktury granulowane, w stanie swobodnym,
wykazują cechy ciała ciekłego bądź teŜ właściwości zbliŜone do nich. W chwili aktywacji
czynnika sterującego, którym jest zewnętrzne pole magnetyczne lub parametr podciśnienia
wytwarzanego wewnątrz struktury, materiały upodabniają się fizycznie do ciał stałych.
Równocześnie rośnie ich zdolność do przenoszenia róŜnego rodzaju napręŜeń.
Budowa struktury cieczy MR i granulowanych konglomeratów jest takŜe w pewnym sensie
podobna. RóŜnej wielkości ziarna oddziaływają między sobą za pośrednictwem efektów
magnetycznych lub tarcia wewnętrznego.
Odpowiedzi testowanych obiektów na wymuszenia kinematyczne przy wzroście wartości
stosownych czynników sterujących są kolejną analogią. RównieŜ ich czułość na częstość
zadawanych wymuszeń jest podobna.
Ciecze magnetoreologiczne mogą zasadniczo przenosić jedynie napręŜenia styczne.
Specjalne struktury granulowane zdolne są takŜe do przenoszenia napręŜeń normalnych.
Podstawową i niezaprzeczalną przewagą cieczy MR nad specjalnymi strukturami
granulowanymi jest czas reakcji na zmianę czynnika sterującego wynoszący zaledwie kilka
milisekund. Cecha ta umoŜliwia wykorzystywanie urządzeń pracujących na ich bazie do
sterowania procesami w czasie rzeczywistym. Dodatkowo ciecze reologiczne,
w przeciwieństwie do specjalnych struktur granulowanych, nie są wraŜliwe na historię
obciąŜenia.
Badania nad strukturami utworzonymi z granulatów, umieszczonych w specjalnych
warunkach, są wciąŜ w początkowej fazie rozwoju. W literaturze światowej brak jest
jakichkolwiek prac poświęconych tej tematyce, z wyjątkiem opracowań autorów.
320
R.ZALEWSKI, J. BAJKOWSKI
Czynnikiem powodującym ich rozwój moŜe być fakt, Ŝe tanie i łatwo dostępne granulaty
mogą, w pewnych dziedzinach, swobodnie konkurować ze stosunkowo drogimi
i wymagającymi dodatkowej specjalistycznej aparatury materiałami inteligentnymi. Ich
niezaprzeczalną zaletą jest ponadto moŜliwość formowania z nich praktycznie dowolnych
kształtów zewnętrznych. Tę wyjątkową cechę zauwaŜono m.in. w medycynie, gdzie są
wykorzystywane np. jako materace słuŜące do transportu kontuzjowanych pacjentów.
LITERATURA
1. Bajkowski M., Zalewski R: Improvement possibilities of structural and exploitation
parameters of the special object by application of the smart magnethorheological damper,
“Machine Dynamics Problems” 2006, Vol. 30, No 3, pp. 16-24,
2. Bajkowski J., Bajkowski M., Grzesikiewicz W., Sofonea M., Shillor M., Zalewski R.,
Analysis of the dependence between a temperature and working parameters of the MR
dampe. “ Mechanics”, 26, No. 4, p-155-161.
3. Sapinski B.: Magnetorheological Dampers in Vibration Contro. AGH University of Science
and Technlogy Press, Cracow 2006.
4. Bajkowski J., Zalewski R.: Some problems connected with designing of
magnetorheological fluids and dampers. The 12th International Conference on Problems of
Material Engineering Mechanics and Design, August 29-31 2007.
5. Zalewski R., Bajkowski J.: Identification of fundamental Chaboche’s model coefficients for
granular material systems under special condition. “Machine Dynamics Problem” 2004,
Vol. 28,No. 4, p 189-195.
6. Bajkowski J., Zalewski R.: Influence of the grain’s material on the stiffness of granular
structures located in special conditions. “Machine Dynamics Problems” 2006, Vol. 30, No
2, p. 177-184.
7. Pyrz M., Zalewski R. : Application of Evolutionary Algorithms to the Identification of
Parameters of New Smart Structures – Preliminary Approach. “Machine Dynamics
Problems” 2006, Vol. 30, No. 2, p. 136-146
8. Zalewski R., Bajkowski J.: Identification of fundamental Chaboche’s model coefficients for
granular material systems under special conditions. “Machine Dynamics Problems” 2004,
Vol. 28, No. 4, p. 189-195
SIMILARITIES AND DISSIMILARITIES OF MR BASED
DEVICES AND GRANULAR STRUCTURES IN SPECIAL
CONDITIONS
Summary. In this paper authors would like to introduce a new controllable
structure, in some aspects similar to MR fluids, which is composed on the basis of
granular material. Loose material is initially placed in a deformable hermetic
encapsulation (basically made of soft polymer), equipped in a special valve. In the
next step, an internal pressure is pumped out of the structure and so called
“underpressure” is generated. This change in the structure appears as a
considerable increase in apparent stiffness. Special granular structures, when high
underpressure value is applied, seem to exhibit typical properties of solid
(semisolid) state. The magnitude of this change is fully controlled by the range of
generated internal underpressure. Typical experimental results conducted for both
compared materials are discussed in this paper.