PL225256B1 - Urządzenie do badania trwałości dwufazowych cieczy o sterowalnych właściwościach reologicznych, zwłaszcza cieczy elektroreologicznych oraz cieczy magnetoreologicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do badania trwałości dwufazowych cieczy o sterowalnych właściwościach reologicznych, zwłaszcza cieczy elektroreologicznych oraz cieczy magnetoreologicznych.

Ciecze elektroreologiczne oraz ciecze magnetoreologiczne są cieczami o sterowalnych właściwościach reologicznych, w których naprężenia styczne mogą być zmieniane w sposób ciągły za pomocą prądu elektrycznego. Ze względu na skład ciecze te zwane od pewnego czasu ogólnie jako inteligentne dzieli się na ciecze homogeniczne (jednorodne) i heterogeniczne (mieszaniny), a zależnie od sposobu aktywacji wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje cieczy: ciecze elektroreologiczne, reagujące na obecność pola elektrycznego i ciecze magnetoreologiczne, reagujące na obecność pola magnetycznego. Heterogeniczne ciecze inteligentne, będące niejednorodnymi mieszaninami cząstek stałych i cieczy bazowej są wykorzystywane w innowacyjnych konstrukcjach urządzeń hydraulicznych i znajdują zastosowanie, jako ciecze robocze, w nowoczesnych gałęziach przemysłu, takich jak np. motoryzacja, lotnictwo, robotyka. Natomiast homogeniczne ciecze inteligentne nie mają obecnie zastosowań praktycznych, głównie ze względu na ich bardzo wysoką cenę i mniej korzystny przebieg charakterystyk reologicznych. Cząstki stałe heterogenicznych cieczy inteligentnych wykonane są w przypadku cieczy elektroreologicznych, z materiałów polaryzujących się pod wpływem pola elektrycznego, a w przypadku cieczy magnetoreologicznych z materiałów ferromagnetycznych. Ciecz bazową stanowi zazwyczaj olej silikonowy, ze względu na małą zależność jego właściwości reologicznych od temperatury. Ciecze te zawierają również dodatki, takie jak np. kwasy, sole nieorganiczne, czy alkohole zapobiegające głównie aglomeracji cząstek stałych i sedymentacji mieszaniny. Udział cząstek stałych w cieczach inteligentnych zależy od rodzaju składników i wynosi wagowo od 20% do 85%, a objętościowo od 10% do 50%.

Uważa się, że wzrost naprężenia stycznego w heterogenicznej cieczy inteligentnej pod wpływem działania pola elektrycznego lub magnetycznego jest związany z tworzeniem przez cząstki stałe cieczy inteligentnej struktur przestrzennych utrudniających przepływ cieczy bazowej. Zakres zmian wartości naprężeń stycznych, który można uzyskać przez zmianę natężenia odpowiedniego pola fizycznego, pozwala na wymaganą w praktyce regulację sił lub momentów obrotowych w urządzeniach hydraulicznych. Regulacja jest precyzyjna i ciągła, a ponadto zmiana naprężenia stycznego zachodzi w sposób niemal natychmiastowy (czas reakcji ok. 5 ms), co pozwala na uzyskanie bardzo krótkich czasów regulacji.

Dotychczasowe prace rozwojowe o charakterze podstawowym dotyczące cieczy inteligentnych były poświęcone głównie badaniu wpływu składu i rodzaju składników na właściwości reologiczne i elektryczne cieczy, natomiast prace utylitarne miały na celu poszukiwanie optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych oraz metod obliczania osiągów urządzeń hydraulicznych z tymi cieczami. Obecnie, gdy ciecze inteligentne są już produkowane, a tłumiki i sprzęgła z tymi cieczami zaczynają być powszechnie stosowane, np. w sprzęcie domowym czy pojazdach, zwrócono uwagę na eksploatację urządzeń z cieczami inteligentnymi, w tym na problem trwałości cieczy roboczej. Trwałość cieczy int eligentnej, jako cieczy roboczej, może być określona za pomocą okresu czasu, w którym ciecz, pracująca w typowych warunkach eksploatacji, zachowuje swoje właściwości użytkowe.

W heterogenicznych cieczach inteligentnych występują dwie fazy o zdecydowanie różnych wł aściwościach fizycznych (cząstki stałe i ciecz bazowa), co powoduje że mechanizm zużycia każdej z tych fazy jest inny, dla cieczy bazowej dominuje starzenie, a dla cząstek stałych zużycie mechanic zne. Jak wynika z dotychczasowej praktyki inżynierskiej procesy starzenia zachodzące w olejach, które są zazwyczaj stosowane na ciecze bazowe, są długotrwałe, a ich przebieg zależy głównie od temperatury pracy urządzenia. Toteż uważa się, że dla urządzeń hydraulicznych, takich jak zawory, tłumiki, sprzęgła, hamulce, przekładnie, w których temperatura cieczy roboczej podczas pracy nie przekracza 120 °C, główną przyczyną utraty funkcjonalności inteligentnej cieczy roboczej, jest zużycie mechaniczne cząstek stałych. Zużycie to jest związane bezpośrednio z rodzajem przepływu cieczy inteligentnej. W urządzeniach wykorzystujących ciecze inteligentne można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje przepływu: zaworowy i wleczony. Przepływ zaworowy jest wywoływany różnicą ciśnień na wyjściu i wejściu do kanału i występuje zazwyczaj w różnego rodzaju tłumikach liniowych i podzespołach hydrokinetycznych (sprzęgłach, przekładniach i hamulcach). Przepływ wleczony ma miejsce wtedy, gdy jedna ze ścian kanału ograniczających ciecz porusza się równolegle względem drugiej ściany, co występuje w sprzęgłach i hamulcach wiskotycznych. Podczas przepływu zarówno zaworowego jak i wleczonego cząstki stałe wchodzące w skład cieczy inteligentnej trą się nawzajem o siebie lub

PL 225 256 B1 o ścianki kanałów. Szczególna sytuacja związana z ruchem cząstek stałych ma miejsce w podzespołach hydrokinetycznych pracujących z cieczami inteligentnymi jako cieczami roboczymi. W takich podzespołach, składających się z co najmniej z dwóch wirników, przepływ cieczy roboczej z jednego wirnika do drugiego jest wymuszany za pomocą łopatek. W efekcie w podzespole hydrokinetycznym cząstki stałe, wchodzące w skład cieczy inteligentnej, nie tylko trą się nawzajem o siebie lub o ścianki kanałów, lecz dodatkowo uderzają o łopatki wirników. W wyniku tarcia lub uderzenia cząstki stałe cieczy inteligentnej pracującej w urządzeniach hydraulicznych ulegają destrukcji, co prowadzi do ich ro zdrobnienia i powoduje istotny wzrost lepkości cieczy inteligentnej. Wzrost lepkości jest niekorzystny dla pracy urządzenia, gdyż powoduje wzrost sił tarcia wiskotycznego w kanałach, w których ciecz przepływa i tym samym istotne zmiany zakresów regulacji i charakterystyk pracy tych urządzeń.

Znane są publikacje dotyczące badania trwałości cieczy inteligentnych, choć w literaturze tec hnicznej jest ich niewiele. Najważniejsza z tych publikacji dotyczy tłumika liniowego z cieczą magnetoreologiczną (Carlson J D: What makes a good MR Fluid?. 8^th International Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, Nice, July 9-13, 2001). W publikacji tej wykazano, że pierwszym objawem zużycia się cieczy magetoreologicznej jest rozpad cząstek stałyc h. Po 50 godzinach pracy tłumika liniowego, zaczęła zwiększać się w istotny sposób wartość współczynnika lepkości dynamicznej cieczy, świadcząca o wzroście jej lepkości. Po dalszych 50 godzinach pracy wartość współczynnika lepkości dynamicznej wzrosła ponad 2,5-krotnie. Współczynnik lepkości dynamicznej był mierzony za pomocą reometru (bez obecności pola magnetycznego) dla próbki cieczy magnetycznej pobranej z tłumika liniowego. Dalsze badania cieczy magnetoreologicznej przeprowadzone za pomocą mikroskopu optycznego wykazały, że przyczyną wzrostu wartości współczynnika lepkości dynamicznej było rozdrobnienie cząstek stałych. Wzrost wartości współczynnika lepkości dynamicznej powodował proporcjonalny wzrost sił występujących w tłumiku liniowym, a tym samym istotną zmianę charakterystyki tłumienia badanego tłumika liniowego.

Zasadniczą wadą sposobu badania trwałości cieczy inteligentnej, związanej ze stopniem rozdrobnienia cząstek stałych przedstawionego w przytoczonej publikacji jest konieczność wykonywania długotrwałych badań za pomocą skomplikowanych i kosztownych urządzeń badawczych, takich jak reometr czy mikroskop. Mankamentami tego sposobu są również: konieczność posiadania urządzenia, w którym badana ciecz inteligentna pracuje oraz konieczność pobierania próbek cieczy do badań.

Urządzenie do badania trwałości dwufazowych cieczy o sterowalnych właściwościach reologicznych, zwłaszcza cieczy elektroreologicznych oraz cieczy magnetoreologicznych według wynalazku charakteryzuje się tym, że składa się z pokrywy z umieszczonym w jej górnej części silnikiem elektrycznym z osadzonym na nim nastawnym regulatorem prędkości kątowej oraz pierścienia połączonego poprzez poprzeczkę z osią ułożyskowaną w pokrywie na dwóch łożyskach uszczelnionych uszczelniaczem, połączoną z wałem silnika elektrycznego poprzez wał czujnika momentu obrotowego, podłączonego przewodami elektrycznymi do miernika momentu obrotowego, a także wirnika o promieniowych łopatkach osadzonego na dolnej części osi, przy czym pierścień oraz wirnik są umieszczone w zbiorniku zawierającym badaną ciecz inteligentną, zaś pierścień tworzy ze ścianami zbiornika obwodową szczelinę i jest wraz z wirnikiem całkowicie zanurzony w badanej cieczy inteligentnej.

Urządzenie według wynalazku umożliwia szybkie, łatwe i nie wymagające kosztownych przyrządów badanie trwałości cieczy inteligentnej niezależnie od konstrukcji urządzenia, w którym ta ciecz pracuje. Ponadto podczas badań nie zachodzi potrzeba aktywowania cieczy inteligentnej odpowiednio polem elektrycznym lub magnetycznym.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony poniżej w przykładzie wykonania na rysunku, przedstawiającym schemat urządzenia do badania trwałości cieczy inteligentnej według wynalazku.

Urządzenie do badania trwałości dwufazowych cieczy o sterowalnych właściwościach reologicznych, zwłaszcza cieczy elektroreologicznych oraz cieczy magnetoreologicznych według wynalazku składa się z pokrywy 1 z umieszczonym w jej górnej części silnikiem elektrycznym 2 z osadzonym na nim nastawnym regulatorem prędkości kątowej 3 oraz pierścienia 4 połączonego poprzez poprzeczkę 5 z osią 6 ułożyskowaną w pokrywie 1 na dwóch łożyskach 7 uszczelnionych uszczelniaczem 8, połączoną z wałem 9 silnika elektrycznego 2 poprzez wał 10 czujnika momentu obrotowego 11, podłączonego przewodami elektrycznymi 12 do miernika momentu obrotowego 13, a także wirnika 14 o promieniowych łopatkach osadzonego na dolnej części osi 6, przy czym pierścień 4 oraz wirnik 14 są umieszczone w zbiorniku 15 zawierającym badaną ciecz inteligentną 16, zaś pierścień 4 tworzy ze ścianami zbiornika 15 obwodową szczelinę 17 i jest wraz z wirnikiem 14 całkowicie zanurzony w badanej cieczy inteligentnej 16.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Urządzenie do badania trwałości dwufazowych cieczy o sterowalnych właściwościach reologicznych, zwłaszcza cieczy elektroreologicznych oraz cieczy magneto reologicznych, znamienne tym, że składa się z pokrywy (1) z umieszczonym w jej górnej części silnikiem elektrycznym (2) z osadzonym na nim nastawnym regulatorem prędkości kątowej (3) oraz pierścienia (4) połączonego poprzez poprzeczkę (5) z osią (6) ułożyskowaną w pokrywie (1) na dwóch łożyskach (7) uszczelnionych uszczelniaczem (8), połączoną z wałem (9) silnika elektrycznego (2) poprzez wał (10) czujnika m omentu obrotowego (11), podłączonego przewodami elektrycznymi (12) do miernika momentu obrotowego (13), a także wirnika (14) o promieniowych łopatkach osadzonego na dolnej części osi (6), przy czym pierścień (4) oraz wirnik (14) są umieszczone w zbiorniku (15) zawierającym badaną ciecz int eligentną (16), zaś pierścień (4) tworzy ze ścianami zbiornika (15) obwodową szczelinę (17) i jest wraz z wirnikiem (14) całkowicie zanurzony w badanej cieczy inteligentnej (16).