Экспериментальные исследования динамических свойств магнитореологических эластомеров

измерительного оборудования, позволяющая создавать с помощью виртуальных приборов и записывать на компьютер воздействие различных по своим динамическим характеристикам типов или видов колебаний и ударов на испытуемый образец. Характеристики возбуждаемых колебаний и ударов выбираются с помощью специальных устройств и приспособлений, создавая как реальную, так и более сложную модель эксплуатации испытуемого изделия [3].

Исследуемые образцы закрепляются на столе вибровозбудителя [4]. Здесь же рядом с опорной частью образца закрепляется один из вибродатчиков – пьезоакселерометр, используемый в качестве опорного сигнала, регистрирующего колебания на входе образца. Другой вибродатчик установлен на верхней части образца для регистрации сигналов на выходе. Сигналы, поступающие от датчиков, передаются в усилители заряда, далее на блок питания и на вход АЦП. Выход АЦП подключён к USB входа компьютера. Для работы с находящейся в компьютере звуковой картой установлена программа ScV1.21, содержащая виртуальный генератор. Выход звуковой карты подключается к входу усилителя для управления частотой, амплитудой и формой колебаний стола вибратора с образцом. Виртуальный цифровой генератор может формировать сигналы различной формы и работает в диапазоне частот от нескольких герц до 10 кГц. В работе показаны широкие возможности использования виртуальных приборов на основе программы LabWIEW. Стенд позволяет проводить испытания с возможной амплитудой измеряемых ускорений до 1000 м/сек2. Амплитуда сигналов на выходе виртуального генератора до звуковой карты компьютера изменяется от 0,2 В до 1,0 В. Усилитель мощности передаёт напряжение на катушку питания вибратора до 2,5 В. Формы задаваемых сигналов могут быть синусоидальными, треугольными, прямоугольными, пилообразными. Число датчиков измерительных каналов до 16. Вес испытуемых изделий до 5 кг. На рис. 1 показан фрагмент лабораторного стенда с вибратором и записью сигналов на экране компьютера.

Рис. 1. Фрагмент лабораторного стенда

На столе вибратора вибродатчик измеряет входящие – Авх аплитудно-частотные характеристики. Поглощаемая в результате внутреннего трения в образце вибрация измеряется на выходе образца – Авых. На рис. 2 показаны образцы магнитоактивных эластомеров, установленные на столе вибростенда. В данной серии испытаний на вибростенде воспроизводился синусоидальный сигнал с плавной развёрткой частоты от 20 до 450 Гц. Величина возбуждения на столе вибратора была постоянной и составляла 4,1

м/сек2, что соответствовало 0,5 В на выходе звуковой карты компьютера. Была проведена серия экспериментов по определению результатов воздействия магнитных сил различной величины на сдвиг резонансных частот в образце в более высокочастотную область. Максимальная сила воздействия (притяжения образца) составляла 14,5 Н.

Рис. 2. Образцы магнитоактивных эластомеров с оснасткой

На рис. 3 показаны записи входных синусоидальных сигналов – Авх на столе вибратора, т.е. на входе образца на частоте колебаний на резонансных частотах 75-80 Гц. На рис. 3 они располагаются в диапазоне от 0 до -12,5 В. Сигналы, записанные на выходе – Авых эластомера показаны в виде резко выросших синусоидальных сигналов. На данной частоте колебаний образца регистрировался максимальный рост колебаний на выходе Авых >> Авх. Ускорения на частотах колебаний 75-85 Гц выросли более, чем в 4 раза.

Рис. 3. Сигналы на входе и выходе образца

Исследовалась также степень влияния на сдвиг резонансных частот в низкочастотную область при установке различных по величине масс грузов (до 100 грамм) на испытуемый образец. В этом случае нагружения образцов было зафиксировано снижение резонансных частот до

35 Гц. Проведенные серии экспериментов с представленными материалами показали возможности влияния на расположение резонансных частот, как в сторону их увеличения так и снижения. На рис. 4 по вертикальной оси показано отношение выходных сигналов ускорений по отношению к входным Аотн = Авых/Авх. По горизонтальной оси располагается частота в герцах – Гц. На рис. 4 резонансные кривые, соответствующие 85 Гц, построены без нагрузки, резонансные кривые, соответствующие 170 Гц – при действии на образец магнитных сил. Установлено, что в зависимости от рассмотренных здесь видов нагружений представляется возможным плавно изменять или смещать резонансную частоту в исследуемом образце от 35 Гц до 150-170 Гц. Данный диапазон является существенно широким, поскольку позволяет почти в 5 раз изменять резонансные частоты магнитореологического эластомера. Проведенный этап исследований показал возможность управления резонансными частотами опытного образца магнитореологического эластомера с помощью воздействия на него различной силы магнитными полями.

Рис. 4. Влияние магнитных сил на сдвиг резонансных частот: по вертикальной оси – Аотн, по горизональной оси – частота, Гц

Большой интерес у разработчиков новейших материалов и их технического использования в различных областях машиностроения является возможность управления динамическими свойствами такого материала путём мгновенного воздействия на его внутреннюю структуру. Например, с помощью воздействия на наночастицы, встроенные в матрицу этого материала, при подаче внешних электрических сигналов изменяется структурное состояние. При этом после окончания внешних воздействий такой материал сохраняет свои заложенные в него динамические характеристики. К данному классу так называемых интеллектуальных материалов можно отнести и электроактивные полиуретаны – эластомеры. Например, упругостью и деформацией создаваемых резиноподобных эластомеров можно управлять с помощью постоянных и переменных магнитных, а также и электрических полей.

В качестве примера рассмотрим возможность управляющего воздействия на цилиндрический образец магнитоактивого эластомера диаметром d=18,8 мм и высотой h=18,8 мм с намотанными на него проводниками (рис. 5). Необходимо определить, какой величины токи I 1 и I 2 требуется пропустить по проводникам в теле эластомера, чтобы возникшие вокруг них круговые магнитные индукции В 1 и В 2 создавали магнитные силы F 1 и F 2 взаимодействия, производящие деформацию эластомера, для примера в Δ h =0,8 мм. Чтобы определить силу, создающую деформацию образца диаметром d =18,8 мм и высотой h =18,8 мм образец был подвергнут сжатию гирей весом Р=500 г, что соответствует силе F≈5 H. Теперь необходимо рассчитать, какие токи I 1 и I 2 необходимо пропустить по проводникам, чтобы возникшие вокруг них круговые магнитные поля взаимодействовали с силой F =5H, которая должна создать деформацию в теле эластомера величиной Δ h =0,8 мм.

Рис. 5. Образец материала, управляемого электрическими полями

Магнитная индукция B , создаваемая 1-ым проводником в точках, в которых расположен 2ой провод, по закону полного тока равна µ ⋅ µ ₀ ⋅ I ₁

B = 2⋅π⋅ a . Подставим в формулу для силы F=I2 B dl значение B и получим формулу для силы взаимодействия магнитных полей в провод- никах:

F =

I ₁ ⋅ I ₂ ⋅ µ ⋅ µ ₀ ⋅ dl

2 ⋅ π ⋅ a

,

где I 1 и I 2 – токи в проводниках, μ =2000 – относительная магнитная проницаемость ферромагнетика (наночастиц феррита, встроенных в матрицу эластомера), μ 0 =2π 10^-7 Гн/м – магнитная постоянная (вакуума), dl – длина проводников, а – расстояние между проводниками. Преобразуем формулу силы для вычисления токов. Пусть токи будут равны по величине I 1 = I 2 . Тогда получим формулу для определения токов:

_{I 2} = F ⋅ 2 ⋅ π ⋅ a µ ⋅ µ ₀ ⋅ dl

После подстановки значений, указанных под корнем величин, получим, что I ≈ 9 A, что является довольно существенной величиной. Для того, чтобы уменьшить токи, можно изменить одну из величин, в частности, можно выбрать ферромагнетик, (например, порошкообразный пермаллой, у которого μ =200000, тогда токи можно снизить приблизительно в 447 раз, т.е. I ≈ 0,02 A.

Выводы:

• 1.    Для измерения параметров динамических характеристик управляемых эластомеров использовался лабораторный виброиспытательный комплекс, включающий в себя разработки виртуальных приборов для компьютера (LabVIEW).

• 2.    Нагружение образца массами различной величины показали существенную возможность снижения резонансной частоты от 85 до 20 Гц.

• 3.    Воздействие на образец магнитными полями различной силы позволяло плавно изменять, повышать зону расположения резонансных частот от 85 до 170 Гц.

• 4.    В зависимости от воздействия различных рассмотренных здесь видов нагружений представляется возможным плавно изменять

• 5.    Отношение выходных сигналов ускорений к входным на исследуемом образце показало на ряде частот снижение амплитуд колебаний ускорений от 3 до 5 раз и более (в том числе на частотах колебаний свыше 200 Гц), и характеризовало уровень демпфирования, представленного заказчиком нового образца материала.

• 6.    Исследования, проводимые в ИМАШ РАН, позволили создать принципиально новый класс управляемых магнито- и электроактивных эластомеров. Данный класс материалов характеризуется возможностью управления колебательными или вибрационными процессами, происходящими в исследуемом образце при воздействии на него магнитными и электрическими полями.

резонансную частоту материала в достаточно широком частотном диапазоне от 20 до 170 Гц.