VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MA- CHINE AND INDUSTRIAL DESING TRVANLIVOSTNÍ TEST MAGNETOREOLOGICKÉ KAPALINY ZA VYSOKÉ TEPLOTY DURABILITY TEST OF MAGNETORHEOLOGICAL FLUID AT HIGH TEMPERATURE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR MGR. DAVID GRYGÁREK ING. JAKUB ROUPEC BRNO 2011

ABSTRAKT ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá chováním magnetoreologické kapaliny během trvanlivostního testu. V první části jsou popsány základní vlastnosti MR kapalin a je definován parametr LDE (Lifetime Dissipated Energy) sloužící pro předpověď životnosti MR kapalin. Vlastní práce se zabývá realizací experimentu měřícím část trvanlivostního testu při teplotě 70 C a sledováním meze kluzu, viskozity, zbytkové magnetizace. KLÍČOVÁ SLOVA MR kapalina, LDE (Lifetime Dissipated Energy), trvanlivostní test, mez kluzu, viskozita ABSTRACT This bachelor s thesis is focused on behaviour of magnetorheological fluid during the durability test. In the first part are described basic properties of MR fluid and is defined parameter LDE (Lifetime Dissipated Energy), which is used for prediction of durability of MR fluid. Primary part of thesis devote to realization of experiment, which measures a part of durability test at 70 C and monitoring the yield stress, viscosity and residual magnetism. KEY WORDS MR fluid, LDE (Lifetime Dissipated Energy), durability test, yield stress, viscosity BIBLIOGRAFICKÁ CITACE GRYGÁREK, D. Trvanlivostní test magnetoreologické kapaliny za vysoké teploty. Brno, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2011. 46 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jakub Roupec.

PODĚKOVÁNÍ PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval všem, kteří se jakýmkoliv způsobem podíleli na vzniku této bakalářské práce. Zvláště bych chtěl poděkovat Ing. Jakubu Roupcovi za jeho odborné připomínky a pomoc při realizaci experimentu. Také bych rád poděkoval své přítelkyni za její trpělivost a porozumění ve dnech strávených psaním této bakalářské práce.

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Trvanlivostní test magnetoreologické kapaliny za vysoké teploty vypracoval samostatně pod vedením Ing. Jakuba Roupce a uvedl jsem v seznamu literatury všechny odborné zdroje, z nichž jsem čerpal. V Brně dne 25. Května 2011.... Grygárek David

OBSAH OBSAH ABSTRAKT... 5 KLÍČOVÁ SLOVA... 5 ABSTRACT... 5 KEY WORDS... 5 BIBLIOGRAFICKÁ CITACE... 5 PODĚKOVÁNÍ... 7 ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ... 9 OBSAH... 11 ÚVOD... 12 1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ... 13 1.1 Základní charakteristika magnetoreologické kapaliny... 13 1.2 Model popisu magnetoreologické kapaliny... 14 1.3 Operační módy MR kapaliny... 16 1.4 Trvanlivost MR kapaliny... 18 2 FORMULACE ŘEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO ANALÝZA... 21 3 VYMEZENÍ CÍLŮ PRÁCE... 22 4 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ... 23 4.1 Měřená MR kapalina... 23 4.2 Popis měřícího řetězce... 23 4.3 Software pro rozběhové zkoušky... 25 4.4 Software pro analýzu naměřených dat... 26 4.5 Software pro záznam během trvanlivostního testu zatěžování... 28 4.6 Metodika měření... 30 5 ANALÝZA A INTERPRETACE ZÍSKANÝCH VÝSLEDKŮ... 32 6 ZÁVĚR... 37 7 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ... 38 8 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ... 39 9 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ... 41 SEZNAM PŘÍLOH... 42 PŘÍLOHA I... 43 11

ÚVOD 1 ÚVOD V minulosti se nauka o pohybu kapalin (hydrodynamika, fluidní mechanika) omezovala na problémy, ve kterých se neuplatňuje elektrické ani magnetické pole. Později se ukázalo, že existují kapaliny, u nichž se výrazně projevuje interakce mezi kapalinou a magnetickým, popř. elektrickým polem. Jejich počáteční objev v roce 1940 a brzký vývoj je spojován se jménem Jacob Rabinow z National Institute of Standards and Technology [1]. V elektroreologických kapalinách (ER) kapalinách dochází k efektu, kdy po přivedení elektrického proudu do kapaliny se rozptýlené částice kovu stanou elektrickými dipóly. Vlivem elektrického dipólového momentu se částice začnou řadit do řetězců ve směru siločar elektrického pole. Tento jev se projeví změnou některých fyzikálních vlastností. Kapalina přejde ze skupenství tekutého do polotuhého až plastického. Podobný efekt nastává i u magnetoreologických kapalin (MR), ale s tím rozdílem, že ke změně některých fyzikálních vlastností dochází vlivem aplikace vnějšího magnetického pole, které působí na kovové částice rozptýlené v nosné kapalině. Není-li MR, popř. ER, kapalina vystavena vnějšímu poli, ať již magnetickému nebo elektrickému, chová se jako kapalina podobná oleji. Ke ztuhnutí těchto kapalin dochází v řádu tisícin sekundy a tento proces je možné libovolně zvrátit za stejně krátkou dobu. Vlastnosti MR kapalin je tedy předurčují k využití v aplikacích lineárního tlumení rázů nebo k přenosu přerušovaného krouticího momentu. Komerční aplikace MR kapalin v mechatronických tlumících prvcích se ukazuje být velmi perspektivní. Jedná se především o různé typy a konstrukce MR tlumičů s řízeným tlumením, které jsou efektivní metodou řešení tlumení rázů. Vývoj probíhá samozřejmě v automobilovém průmyslu za účelem zvýšení komfortu a zlepšení jízdních vlastností [5]. Nejčastěji se jedná o tlumiče odpružení náprav v automobilech nebo o tlumiče pohybu sedadla řidiče u nákladních vozů. Další využití lze nalézt ve stavebnictví při tlumení vibrací budov a mostů vlivem povětrnostních vlivů nebo seismické aktivity [18]. Kromě tlumičů se může MR kapalina uplatnit také ve spojkách [5]. MR kapalina se nachází v úzkém prostoru mezi tvarovými lamelami. Cívka elektromagnetu je vinuta po obvodu spojky. Viskozita kapaliny a tím i velikost přeneseného krouticího momentu se řídí velikostí přivedeného napětí do elektromagnetu. Masovému rozšíření brání několik nedostatků. Pro vhodnou volbu a aplikaci MR kapalin je nutné brát do úvahy reologické chování kapaliny v daném zařízení, chemické reakce mezi kapalinou, kovovými částicemi a okolním prostředím. Tyto faktory mají vliv na trvanlivost a stabilitu MR kapaliny. Jedná se především o časovou sedimentační stabilitu (odolnost vlivem srážení a sedimentace) a oxidační stabilitu. Problém je rovněž cenová nedostupnost kvalitních MR kapalin. V poslední době se na oblast výzkumu MR kapalin soustředí velká pozornost univerzit, či velkých firem. Z toho lze usoudit, že se aplikace MR kapalin rozšíří do více oblastí lidské činnosti. Cílem této bakalářské práce je sledování změn reologických vlastností (mez kluzu a viskozita) během dlouhodobého zatěžování MR kapaliny za zvýšené teploty kolem 65 až 75 C. Vliv teploty na trvanlivost nebyl v dosud uveřejněných publikacích brán do úvahy, nebo byl zanedbáván. Přitom vysoké provozní teploty jsou u některých aplikací MR kapaliny zcela běžné. 12

1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 1.1 Základní charakteristika magnetoreologické kapaliny Magnetoreologická kapalina je nekoloidní suspenze feromagnetických částic o průměru řádově několik µm rozptýlených v nosné kapalině. Patří do skupiny smart materiálů [1], jejichž reologické vlastnosti mohou být výrazně ovlivněny vnějším magnetickým polem, kterému jsou vystaveny. Tato změna nastává téměř okamžitě. Kapalina se dostává do stavu odpovídající dané intenzitě přiloženého magnetického pole během několika milisekund. Původně rovnoměrně rozptýlené částice se působením magnetického pole začnou usměrňovat a tvořit vláknité řetězovité útvary ve směru magnetických siločar vnějšího pole (obr. 1.1) [2, 3]. 1 1.1 Obr. 1.1 MR efekt [4] Tento jev se projeví změnou skupenství z tekutého na polotuhé až plastické. V některých aplikacích je důležitý i reverzibilní proces, při kterém MR efekt kapaliny jednoduše zvrátíme odstraněním vnějšího magnetického pole. Těchto vlastností lze využít při regulaci lineárního nebo rotačního pohybu. Typické MR kapaliny se skládají ze tří základních složek: feromagnetických částic, nosné kapaliny, aditivních přísad a stabilizátorů. Nosná kapalina je nemagnetická má velký vliv zejména na trvanlivost a výsledné vlastnosti. Tvoří obvykle 60 80 objemových % MR kapaliny a může jí být olej, voda glycerín nebo silikon [5]. Velmi používané jsou uhlíkovodíkové oleje. Ty mohou být minerální, syntetické nebo kombinace obou. Nejčastěji používaný syntetický uhlovodík je typu polyalfaolefínů vykazující velmi dobré antioxidační vlastnosti a nízkou viskozitu přes široký rozsah teplot. Méně používané jsou silikonové oleje a to hlavně v situacích, kde nejsou vhodné uhlíkovodíkové oleje, kvůli jejich nesnášenlivosti s ostatními materiály jako pryžové těsnění a přepážky. U nosné kapaliny na bázi vody se objevuje problém s oxidací a korozí feromagnetických částic [1]. Feromagnetické částice se vyskytují v různých formách lišící se velikostí, materiálem a strukturou. Požadavky kladené na částice jsou následující: vysoká magnetická susceptibilita χ m (charakterizuje chování materiálu ve vnějším magnetickém poli) 13

1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ nízká remanentní magnetizace M R (magnetizace, kterou materiál vykazuje po odstranění magnetického pole) nízká koercivita H c (magnetické pole potřebné k odstranění remanentní magnetizace) dobrá chemická stabilita a antikoagulační vlastnosti Běžně používané feromagnetické částice jsou práškové železo, magnetit Fe 3 O 4, nikl, ferit, aj. V současnosti nejvíce používaný je vysoce čistý práškový pentakarbonyl železa, tzv. CI částice (obr. 1.2), vyrobený tepelným rozkladem (CVD Chemical Vapor Deposition) z Fe(CO) 5 [1, 7]. V dnešní době se soustřeďuje velká pozornost na využití částic s kompozitní strukturou. Tyto částice vykazují stejné magnetické vlastnosti jako částice na bázi železa, řeší však problém s oxidační a sedimentační stabilitou. Jedná se většinou o částice ze železa nebo železných oxidů v kombinaci s organickými nebo anorganickými látkami. Obr. 1.2 CI částice [7] Hlavním účelem aditivních přísad je snížit sedimentaci a bránit shlukování částic, vlivem kterého dochází k zhoršení vlastností MR kapaliny v aktivním stavu. Pro tento účel se používají organické nebo anorganické tixotropní aditiva a disperzanty (tenzidy), jako jsou xanthamová guma, silikonový gel, stearany a karboxylové kyseliny. Bohužel přísady mohou ovlivňovat magnetické vlastnosti MR kapaliny [1, 6]. 1.2 1.2 Model popisu magnetoreologické kapaliny Chování magnetoreologické kapaliny závisí na intenzitě vnějšího magnetického pole. Při absenci pole vykazuje kapalina viskoelastické chování dle modelu Newtonovské kapaliny. V tomto případě se viskozita nemění, pokud dojde ke změně smykového spádu kapaliny. Existuje zde lineární závislost mezi smykovým napětím a smykovým spádem. Avšak při působení vnějšího magnetického pole dochází u MR kapaliny ke změně skupenství a tím pádem i ke změně chování na viskoplastické, které generuje mez kluzu v závislosti na velikosti intenzity vnějšího magnetického pole a kapalina tak zvyšuje svoji zdánlivou viskozitu. Takové kapaliny označujeme jako nenewton- 14

1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ ské. V současné době neexistuje univerzálně akceptovatelná teorie popisující MR efekt. Nicméně obecně přijatelný a užívaný popis je tzv. Binghamský model [2, 9]: ( H ) τ = τ + η ɺ γ, τ τ (0) 0 0 kde τ je celkové smykové napětí, τ 0 je mez kluzu při intenzitě magnetického pole H, η je dynamická viskozita při absenci magnetického pole a γɺ je smykový spád kapaliny. Při celkovém napětí pod mezí kluzu se materiál chová viskoelasticky [8]: τ = G γ, τ < τ (2) 0 kde G je komplexní materiálový modul a γ je součinitel objemové stlačitelnosti. Základním zdrojem hodnocení MR kapaliny jsou tokové a viskozitní křivky. Obrázek 1.3 zobrazuje tokové a viskozitní křivky MR kapaliny popsané Bighamským modelem. Závislost viskozity na smykovém spádu popisuje viskozitní křivka (obr. 1.3a). Toková křivka (obr. 1.3b) znázorňuje závislost celkového smykového napětí na smykovém spádu. Výsledné smykové napětí je rovno součtu meze kluzu a viskózní složky napětí (viz. členy rovnice 1). Obr. 1.3 Viskozitní a toková křivka MR kapaliny popsané Bighamským modelem [2] Obr. 1.4 Toková a viskózní křivka MR kapaliny MRF9 při 25 C [15] Reálné chování MR kapaliny (obrázek 1.4) vykazuje některé odchylky od Binghamského modelu. U viskózní části jde především o tzv. smykové řídnutí, kdy se viskozi- 15

1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ ta kapaliny snižuje vlivem zvyšujícího se smykového spádu. Toto viskózní řídnutí má vliv zejména při nízkých smykových spádech. V reálných podmínkách, např. ve štěrbině MR tlumiče automobilu, je dosahováno smykových spádů kapaliny v řádu 10 3 10 5 s -1. V tomto intervalu smykových spádů však dochází k poklesu viskozity řádově o desetiny či setiny Pa s, proto s jevem smykového řídnutí není nutné při takovýchto spádech uvažovat [10,11]. U části meze kluzu jde především o pokles meze kluzu vlivem krátké doby průtoku MR kapaliny (řádově při smykových spádech 10 5 s -1 ) skrz aktivní oblast MR ventilu. Tento pokles je především závislý na délce aktivní oblasti MR ventilu, rychlosti MR kapaliny a hydraulických poměrech v MR zařízení, proto je nutné s tímto jevem při konstrukci MR zařízení počítat [10]. Důležitým faktorem majícím přímý vliv na reologické vlastnosti (viskozita a mez kluzu) MR kapaliny je teplota. Graf znázorňující závislost meze kluzu na teplotě je na obr. 1.5a. Obecné pravidlo exponenciálního poklesu viskozity se vzrůstající teplotou je možné vidět na obr. 1.5b [14]. Obr. 1.5 Závislost reologických vlastnosti nové MR kapaliny LORD 140-CG na teplotě při smykovém spádu řádově 10 5 s -1 [14] 1.3 1.3 Operační módy MR kapaliny Všechna zařízení využívající MR kapalinu jsou řazena do jednoho ze tří operačních módů: mód tlakově řízeného toku smykový mód tahový nebo tlakový mód První mód můžeme nazvat jako zařízení s nepohyblivými povrchy (mód tlakově řízeného toku obr. 1.6). MR kapalina proudí pod tlakovým spádem mezi dvěma pevně uloženými deskami a množství proudící kapaliny může být regulováno vnějším magnetickým polem. Někdy tento mód bývá nazýván Poiseuillovo proudění. Tlakový spád prezentujeme jako výsledek součtu viskózní části P η a části meze kluzu P τ, která je indukována magnetickým polem [1]: 12η QL cτ L g w g 0 P = Pη + Pτ = + (3) 3 kde L, g a w jsou délka, výška a šířka tokového kanálku mezi pevnými deskami, Q je 16

1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ objemový průtok, η je viskozita kapaliny bez aplikovaného pole a τ 0 je mez kluzu generovaná v reakci na magnetické pole. Parametr c má rozmezí hodnot od minimální hodnoty 2 (pro P η / P τ menší než ~1) do max. hodnoty 3 (pro P η / P τ větší než ~100). Tento mód se využívá především u tlumičů, regulátorů apod. Obr. 1.6 Tlakově řízený mód [4] Obr. 1.7 Smykový mód [4] U druhého, tzv. smykového módu (obr. 1.7), je kapalina v klidu umístěna mezi dvěma rovnoběžnými deskami pohybujícími se vzájemně k sobě relativní rychlostí v 0 a magnetické pole je aplikováno kolmo na tyto desky. Kapalina je v tomto případě namáhána prostým smykem. Využití nachází hlavně u upínacích zařízení, brzd a spojek. Pro zařízení pracující v tomto módu lze odvodit rovnici [1]: ηv A = + = + (4) g 0 F Fη Fτ τ 0Lw kde v 0 je relativní rychlost desek a A je smyková plocha desky. Celková síla vyvolaná u smykového módu je součtem síly F η způsobené viskózním bržděním a síly F τ od smykového napětí, které je vyvoláno magnetickým polem. Třetí tahový nebo tlakový mód (obr. 1.8) je méně obvyklý než oba předcházející [4]. Kapalina a jedna z desek jsou v klidu a druhá deska kmitá s malou amplitudou maximálně několik milimetrů ve směru rovnoběžném s magnetickým polem. Využití hlavně u tlumičů s malými vibracemi, tzv. silentbloky (pryž dopovaná Fe částicemi). 17

1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr. 1.8 Tahový nebo tlakový mód [4] 1.4 1.4 Trvanlivost MR kapaliny V závislosti na podmínkách zatížení začnou všechny MR kapaliny časem vykazovat určitý stupeň opotřebení, který se projevuje zhoustnutím kapaliny (In-Use- Thickening, nebo také IUT). Experimenty s trvanlivostí MR kapalin se detailně zabývá článek Carlsona [13]. Autor v něm popisuje experiment, kdy byla MR kapalina zatěžována 600 000 cykly v neaktivovaném stavu. Došlo k nárůstu tlumící síly z 200 N na 500 N (obr. 1.9) za současného zhoustnutí kapaliny. Tento stav byl poté označen jako nevyhovující. Obr. 1.9 Degradace MR kapaliny - růst tlumící síly v závislosti na počtu zatěžovacích cyklů [13] Podle Carlsona je zhoustnutí MR kapaliny, a tím i zvýšení tlumící síly, následkem zvýšení viskozity [3]. Carlson vysvětluje navýšení viskozity pravděpodobně přítomností nanočástic v kapalině, které vzniknou odlupováním křehké vrstvy oxidů a karbidů při vyšším smykovém napětí. Původní kapalina s nízkou viskozitou se stává pastou podobné konzistence jako leštidlo na boty. Během experimentu nebyla vůbec měřena teplota uvnitř tlumiče. Byla pouze regulována připevněním hliníkových žeber na tlumič pro rychlejší přestup tepla a odhadnuta na menší než 100 C. Autor tedy neuvažoval o vlivu teploty na životnost v průběhu dlouhodobého zatěžování. 18

1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Na experimenty s trvanlivostí MR kapaliny navázal vědecko-výzkumný tým z Ústavu Konstruování Strojní fakulty Vysokého učení technického v Brně [14]. Během zatěžovacího testu byl již zahrnut vliv teploty na MR kapalinu. Teplota byla uvnitř reometru regulována vodním chlazením v rozsahu 45 až 56 C a proud procházející magnetizační cívkou byl nastaven na maximální provozní úrovni 2A z důvodu zvýšení mechanického zatížení. Velikost proudu během trvanlivostního testu nemá vliv na výsledné reologické vlastnosti MR kapaliny, pouze sníží počet zátěžných cyklů do stavu provozního zhoustnutí. Výsledky dokazují, že zhoustnutí MR kapaliny během testu životnosti má za následek zvýšení tlumící síly, což se projeví navýšením meze kluzu (obr. 1.10). Naopak viskozita zůstala během experimentu téměř neměnná (tab. 1.1). Byla tedy vyvrácena hypotéza Carlsona o růstu viskozity během trvanlivostního testu, jak bylo v mnoha publikacích dříve uváděno. Tab. 1.1 Viskozita během trvanlivostního testu při referenční teplotě 45 C [14] nová MR 9.000 kj 25.500 kj 56.400 kj 87.200 kj 118.600 kj η [Pa.s] 0,238 0,150 0,164 0,146 0,167 0,169 Obr. 1.10 Mez kluzu v průběhu trvanlivostního testu [14] Jako užitečné měřítko pro předpověď životnosti MR kapaliny slouží tzv. LDE (lifetime dissipated energy) parametr definovaný vztahem [12]: 1 life LDE = P dt V (5) 0 kde P je mechanický výkon, který je přeměněn na teplo v MR zařízení a V je objem MR kapaliny. LDE je celková mechanická energie přeměněná na teplo vztažená na jednotku objemu MR kapaliny za celou dobu provozu zařízení. Nejkvalitnější MR kapaliny mohou snést LDE vyšší než 10 8 J/cm 3 [12] než zhoustnou na stupeň, kdy tlumí více nebo přenáší větší krouticí moment, než je požadováno. Problém je v tom, že se sníží dynamický rozsah zařízení. Na druhé straně méně kvalitní MR kapaliny mohou snést LDE pouze 10 5 J/cm 3. Dnešním komerčním MR kapalinám, v nárazových tlumičích automobilu, to v ekvivalentu trvá stovky tisíc 19

1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ kilometrů bez snížení výkonu. Vývoj trvanlivosti MR kapalin je možno vidět na obr. 1.11 [6]. Obr. 1.11 Postupný vývoj IUT odolnosti u MR kapalin [13] 20

2 FORMULACE ŘEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO ANALÝZA 2 FORMULACE ŘEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO ANALÝZA 2 V dnešní době se využitím MR kapalin realizují nové přístroje a technologie, které jsou v mnohém ohledu výhodnější alternativou k těm stávajícím. Vývoj MR zařízení se zaměřuje hlavně na chování ve vysokých rychlostech a na regulaci velice rychlých jevů, jako jsou otřesy a rázy. Problém při dimenzování a navrhování těchto reálných zařízení by mohl nastat při dlouhodobě tepelně náročném provozu, který je u některých aplikací MR kapaliny zcela běžný. Otázkou tedy zůstává, jak velký vliv na výsledné reologické vlastnosti a celkovou trvanlivost MR kapaliny v odmagnetovaném stavu bude mít zvýšená teplota kolem 70 C během dlouhodobého zatěžování. Teplota bude měřena přímo v aktivní zóně MR tlumiče a regulovaná vodním chlazením. Díky těmto znalostem tepelného chování MR kapalin se budou moci definovat provozní meze MR zařízení a současně ovlivnit kvalita provozu MR systémů. Obr 2.1 Degradace MR kapaliny během trvanlivostního testu [14] 21

3 VYMEZENÍ CÍLŮ PRÁCE 3 3 VYMEZENÍ CÍLŮ PRÁCE Hlavním cílem této bakalářské práce bude sledovat degradaci MR kapaliny při dlouhodobém zatěžování za teploty kolem 70 C, čímž by se mělo navázat na výsledky výzkumného tým z Ústavu Konstruování Strojní fakulty Vysokého učení technického v Brně, který se tímto problémem již dříve zabýval. Z časové náročnosti celého experimentu bude proveden jen první zatěžovací cyklus do hodnoty 90000 J/cm 3 (viz. tabulka 1.1). Vliv teploty se bude moci posoudit až po ukončení celého trvanlivostního testu. Hlavní cíle budou: sledovat změnu reologických vlastností MR kapaliny (viskozita, mez kluzu) sledovat změnu zbytkového magnetismu Vedlejší cíle: sledovat změnu míry pulzací (podíl směrodatné odchylky napětí na magnetizační cívce vzhledem k směrodatné odchylce rychlosti pístnice) Ke splnění hlavních a vedlejších cílů bude nutné provést tyto dílčí cíle: vyřešit systém vodního průtokového chlazení vytvořit masku programu Dewesoft seznámit se s obsluhou programu Datalogger a MultiViscoMRQ 22

4 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ 4 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ 4.1 Měřená MR kapalina Trvanlivostní test se bude provádět s MR kapalinou z nabídky firmy LORD Corporation s označením MRF-140CG, jejíž vlastnosti jsou uvedené v tabulce 4.1. 4 4.1 Tab. 4.1 Vlastnosti MR kapaliny výrobce LORD Corporation typ kapaliny 140-CG hustota 3,69 kg/dm 3 hm. podíl Fe částic 86,4% obj. podíl Fe částic 40,5% střední velikost Fe částic 1,89 µm viskozita při 20 C a γ = 800 s -1 0,880 Pa s -1 životnost LDE 10 7 J cm -3 4.2 Popis měřícího řetězce K sledování degradace MR kapalin jsme využili pístový průtokový reometr (obr. 4.1) navržený a zkonstruovaný výzkumným týmem Ústavu Konstruování, jehož konstrukce vychází z relativně dostupného, komerčně používaného jednoplášťového tlumiče firmy DELPHI MagneticRide. Popis rekonstrukce je uveden v literatuře [16]. Reometr je před každým měřením tlakován dusíkem na tlak 3MP a pístnice je opakovaně mazána olejem po určité sérii testů, aby se minimalizoval vliv tření ucpávky. Tlumič je provozován na mechanické diagnostické stanici Gillop 1.4 (obr. 4.1) při pevně nastaveném zdvihu. Pohon je realizován klikovým mechanismem s křižákem, který zajišťuje stejnosměrný motor s tyristorovým regulátorem, čímž umožnuje plynulou změnu frekvence zdvihu. Stanice je osazená tenzometrickým snímačem síly HBM U2AD1, polovodičovým snímačem teploty LM35 a lineárním, indukčnostním snímačem zdvihu SD2. Dále jsou zaznamenávány elektrické veličiny, čili napětí a proud, ve vinutí cívky pístu. Zařízení Gillop 1.4 umožňuje řídit experiment na základě změny frekvence i amplitudy zdvihu. Technické parametry reometru a pulsátoru jsou uvedeny v tabulce 4.2. Měření okamžité teploty přímo ve štěrbině vychází ze závislosti elektrického odporu vinutí cívky na teplotě. Odpor cívky je vypočítán z naměřených hodnot proudu a napětí. 4.2 Tab. 4.2 Technická data měřící stanice [14] maximální otáčky 1500 ot./min zdvih pulsátoru 49,2 (5; 13; 26,7; 90,2) mm maximální pístová rychlost 7,8 m/s plocha štěrbiny 67,7 mm 2 plocha pístu 944,5 mm 2 šířka štěrbiny 0,75 mm délka štěrbiny 37 mm max. intenzita magnetického pole 150 ka/m max. provozní teplota 120 C 23

4 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ Během trvanlivostního testu, při kterém bude snaha regulovat teplotu ve štěrbině na hodnotu kolem 70 C, musí být k reometru hadicí připojeno průtokové vodní chlazení (obr. 4.2). To se skládá z regulačního ventilu našroubovaného na vodovodní baterii ke snížení tlaku vody a dále z dvoucestného ventilu firmy Gardena k regulací průtoku vody procházející reometrem. Průtok je regulován v rozsahu 75 až 100 ml/min v závislosti na aktuální hodnotě teploty uvnitř štěrbiny, kterou ukazuje program Dewesoft. Obr. 4.1 Reometr upevněný na stanici Gillop 1.4 Obr. 4.2 Systém vodního chlazení Signály ze snímačů jsou vzorkovány frekvencí 500Hz analyzátorem DEWE 800 od firmy Dewetron (obr. 4.3). Pro naše účely využijeme DAQP moduly, které jsou uvedeny v tabulce 4.3. Tab. 4.3 Napojení snímačů na moduly analyzátoru DEWE 800 číslo kanálu připojený snímač typ modulu 0 polovodičový snímače teploty LM35 přímý vstup 8 proud procházející cívkou DAQP-LV 9 napětí na cívce DAQP-LV 10 snímač frekvence otáček pulzátoru DAQP-FREQ-A 12 indukčnostní snímač zdvihu SD2 DAQP-CFB 13 tenzometrický snímač síly HBM U2AD1 DAQP-BRIDGE 24

4 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ Obr. 4.3 Analyzátor DEWE 800 4.3 Software pro rozběhové zkoušky K záznamu dat během rozběhového testu nám slouží program Datalogger (obr. 4.4) vytvořený v programu LabView. Délka rozběhového testu je nastavena na 80 s, při kterém zvyšujeme rychlost pístnice z nuly na maximální hodnotu a zase zpět do zastavení. Výstupem programu Datalogger je soubor naměřených dat ze všech 6 kanálu, která jsou zaznamenávána vzorkovací frekvencí 500 Hz. Aby byly měřené hodnoty uprostřed měřícího rozsahu, je nutné měnit nastavení rozsahu jednotlivých kanálů v závislosti na proudu procházejícím cívkou reometru (tabulka 4.4). K napájení cívky bylo použito stabilizovaného proudu, aby indukované magnetické pole bylo stejné. 4.3 Obr. 4.4 Maska programu Datalogger 25

4 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ Tab. 4.4 Tabulka nastavení rozsahu měřících kanálů proud procházející cívkou číslo kanálu 0A 0,5A 1A 1,5A 2A 0 10V 10V 10V 10V 10V 8 0,01V 0,1V 0,2V 0,2V 0,5V 9 0,1V 1V 2,5V 2,5V 5V 12 50mV/V 50mV/V 50mV/V 50mV/V 50mV/V 13 0,1mV/V 0,2mV/V 0,2mV/V 0,5mV/V 0,5mV/V 4.4 4.4 Software pro analýzu naměřených dat Na zpracování souboru dat pořízených programem Datalogger a vyhodnocení tokových křivek se využije analytického programu MultiViscoMRQ (obr. 4.5) vytvořeném v MS Office, který byl již dříve naprogramován pro výzkumné účely Ústavu Konstruování. Při každém rozběhovém testu je naměřeno velké množství dvojic bodů (F,v) v různých zátěžných stavech majících velký rozptyl, který je způsoben provozními podmínkami klikového mechanismu v průběhu testu. Z těchto bodů program vybere jen ty, u nichž je zrychlení pístu blízké nule (rychlost pístu je tedy maximální). Tím se odstraní vliv pružnosti plynové náplně v reometru a vliv setrvačných sil. Z této vyseparované množiny dvojic (F,v) je použita jen množina bodů s vyrovnanou četností při různých pístových rychlostech. Tuto množinu vytvoříme rozdělením rozsahu rychlostí na sto úseků a v každém je stanovena střední hodnota síly. Obr. 4.5 Maska programu MultiViscoMRG Z těchto hodnot je nutné odvodit funkční závislost smykového napětí τ na smykovém spádu γ. Předpokládejme laminární proudění newtonowské kapaliny štěrbinou o 26

4 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ tloušťce h, šířce b a délce l. Dále předpokládejme, že na délce l dochází k tlakové ztrátě p. Potom pro objemový průtok Q parabolického rychlostního profilu štěrbinou platí [17]: b p 3 Q = h (7) 12η l Současně pro objemový průtok s uvažováním střední rychlosti rychlostního profilu v s platí dle [17]: Q = hbv s (7) Porovnáním rovnice (6) a (7) a vyjádřením viskozity η dostaneme: 2 ph η = (8) 12v s l Pro smykové napětí ve vrstvě kapaliny platí [17]: ph τ = (9) 2l Dosazením vztahů (8) a (9) do newtonovy rovnice dostaneme vztah pro výpočet smykového spádu γ ve vrstvě protékající kapaliny: 6v s τ γ = = (10) η h Tlaková ztráta p vyskytující se v rovnici (9) je u nenewtonovských kapalin popsána rovnicí (3). Předpokládejme, že válcová mezera štěrbiny je velmi úzká a tudíž ji můžeme rozvinout na obdélníkovou mezeru o šířce b = 2π r, kde r je vnitřní poloměr štěrbiny. S pomocí rovnice kontinuity můžeme střední rychlost v s vyjádřit v závislosti na okamžité rychlosti pístu: S p S p v = s v v bh = 2π rh (11) kde S p je činná plocha pístu tlumiče. Nyní můžeme napsat vztahy pro přepočet F-v diagramu na tokovou křivku: ph Fh τ = = (12) 2l 2lS p 6v s 3vS p γ = = (13) 2 h π rh kde F je síla působící na plochu pístu S p. 27

4 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ V této fázi již program interaktivním procesem identifikuje mezní hodnotu smykového spádu, při kterém dochází k viskoplastické deformaci (zlom na tokové křivce). Dále je již možné provádět regresní analýzu části tokové křivky za zlomem, kde nekorigovanou mez kluzu určíme z průsečíku regresní přímky s osou τ a nekorigovanou viskozitu ze směrnice regresní přímky. Korekce těchto reologických veličin je nutná z důvodu toho, že cívka je uvnitř štěrbiny umístěna jen ve střední části, kdežto na krajích štěrbiny již kapalina prochází výrazně slabším magnetickým polem. Obr. 4.6 Vytvořená maska programu DEWESoft 4.5 4.5 Software pro záznam během trvanlivostního testu zatěžování Ke sledování požadovaných veličin on-line v reálném čase a k pořízení záznamu trvanlivostního testu MR kapaliny použijeme software DEWESoft od firmy Dewetron (obr. 4.6). Data jsou vzorkována frekvencí 100 Hz a měřící rozsah jednotlivých kanálů je nastaven pro proud 2A v tabulce 4.4. Kromě hodnot ze snímačů umístěných na měřící stanici bylo nutné, pro potřeby aktuálního snímání veličin charakterizujících trvanlivostní zkoušku, vytvořit v DEWESoftu následující matematické kanály: rychlost bez filtru použitím funkce IIR filtr (Infinite Impuls Response) provedeme numerickou derivaci zdvihu rychlost použitím funkce FIR filtru (finite impulse response) s dolní propustí, která nám nepropustí signály vyšších frekvencí směrodatná odchylka rychlosti použitím funkce základní statistika, vypočet probíhá přes měřící blok o velikosti 1s rychlost pro práci využitím funkce rovnice, kde podmínkou if odstraníme rychlosti, jejichž směrodatná odchylka je menší než 0,001 if('rychlost/stdev'<0.001,0,'rychlost') 28

4 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ zrychlení bez filtru použitím funkce IIR filtr (Infinite Impuls Response) provedeme numerickou derivaci zdvihu zrychlení použitím funkce FIR filtru (finite impulse response) s dolní propustí, která nám nepropustí signály vyšších frekvencí maximální zrychlení použitím funkce základní statistika, vypočet probíhá přes celý měřící blok směrodatná odchylka rychlosti použitím funkce základní statistika, vypočet probíhá přes měřící blok o velikosti 1s efektivní a průměrná hodnota síly použitím funkce základní statistika, vypočet probíhá přes celý měřící blok odpor cívky využitím funkce rovnice, v níž podle Ohmova zákona podělíme snímané napětí proudem 'napeti'/'proud' teplota uvnitř cívky využitím funkce rovnice, do níž vložíme vztah pro výpočet teploty uvnitř cívky ze snímaného napětí a proudu, a která obsahuje kalibrační koeficienty 'odpor'*(-4.43911*('proud')^2-0.22894*'proud'+350.7729) +3.517369*('proud')^2-0.04391*'proud'-273.213 směrodatná odchylka napětí funkcí základní statistika, vypočet probíhá přes měřící blok o velikosti 1s okamžitý výkon použitím funkce rovnice jako součin absolutních hodnot rychlosti pro práci a síly vyhodnocenou 13-tým kanálem abs('rychlost pro práci')*abs('síla') celková práce funkcí IIR filtr (Infinite Impuls Response) provedeme numerickou integraci okamžitého výkonu LDE funkcí rovnice jako podíl celkové práce a objemu MR kapaliny 'celkova prace'/100 Míra pulzací funkcí rovnice jako podíl směrodatné odchylky napětí a směrodatné odchylky rychlosti if('rychlostpro práci'=0,0,'napeti/stdev'/'rychlost/stdev'*1000) Součástí programové masky je i vykreslení F-v (síla rychlost) diagramu se zřetelnou hysterezí a pro diagnostiku tlumičů důležitý diagram F-z (síla zdvih). 29

4 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ 4.6 4.6 Metodika měření Měřící proces (obr. 4.7) bude rozdělen do dvou fází. MĚŘENÍ PROUDOVÉ A TEPLOTNÍ CHARAKTERISTIKY MR KAPALINY NA POČÁTKU TEPLOTNÍ CHARAKTERISTIKY V INTERVALU 20-75 C PRO PROUDY: 0,055A (ODMAGNETOVÁNO) 0,5A (NEODMAGNETOVÁNO) 1.ZATĚŽOVACÍ CYKLUS VISKOZITA A MEZ KLUZU V INTERVALU 30-40 C PRO PROUD 0,5A (ODMAGNETOVÁN) 1A 1,5A 2A 1. ZATĚŽOVACÍ CYKLUS KONČÍ DOSAŽENÍM HODNOTY LDE 18000 J/cm 3 TEPLOTNÍ CHARAKTERISTIKY V INTERVALU 20-75 C PRO PROUD 0,055A (ODMAGNETOVÁNO) VISKOZITA A MEZ KLUZU INTERVALU 30-40 C PRO PROUD 0,5A (ODMAGNETOVÁNO) 2.ZATĚŽOVACÍ CYKLUS VISKOZITA A MEZ KLUZU INTERVALU 30-40 C PRO PROUD 0,5A (NEODMAGNETOVÁNO) 2. ZATĚŽOVACÍ CYKLUS KONČÍ DOSAŽENÍM HODNOTY LDE 36000 J/cm 3 TEPLOTNÍ CHARAKTERISTIKY V INTERVALU 20-75 C PRO PROUD 0,055A (ODMAGNETOVÁNO) 3.ZATĚŽOVACÍ CYKLUS VISKOZITA A MEZ KLUZU INTERVALU 30-40 C PRO PROUD 0,5A (ODMAGNETOVÁNO) VISKOZITA A MEZ KLUZU INTERVALU 30-40 C PRO PROUD 0,5A (NEODMAGNETOVÁNO) 3. ZATĚŽOVACÍ CYKLUS KONČÍ DOSAŽENÍM HODNOTY LDE 54000 J/cm 3 4.ZATĚŽOVACÍ CYKLUS TEPLOTNÍ CHARAKTERISTIKY V INTERVALU 20-75 C PRO PROUD 0,055A (ODMAGNETOVÁNO) VISKOZITA A MEZ KLUZU INTERVALU 30-40 C PRO PROUD 0,5A (ODMAGNETOVÁNO) VISKOZITA A MEZ KLUZU INTERVALU 30-40 C PRO PROUD 0,5A (NEODMAGNETOVÁNO) 4. ZATĚŽOVACÍ CYKLUS KONČÍ DOSAŽENÍM HODNOTY LDE 72000 J/cm 3 5.ZATĚŽOVACÍ CYKLUS TEPLOTNÍ CHARAKTERISTIKY V INTERVALU 20-75 C PRO PROUD 0,055A (ODMAGNETOVÁNO) VISKOZITA A MEZ KLUZU INTERVALU 30-40 C PRO PROUD 0,5A (ODMAGNETOVÁNO) VISKOZITA A MEZ KLUZU INTERVALU 30-40 C PRO PROUD 0,5A (NEODMAGNETOVÁNO) 5. ZATĚŽOVACÍ CYKLUS KONČÍ DOSAŽENÍM HODNOTY LDE 90000 J/cm 3 TEPLOTNÍ CHARAKTERISTIKY V INTERVALU 20-75 C PRO PROUD 0,055A (ODMAGNETOVÁNO) VISKOZITA A MEZ KLUZU INTERVALU 30-40 C PRO PROUD 0,5A (ODMAGNETOVÁNO) VISKOZITA A MEZ KLUZU INTERVALU 30-40 C PRO PROUD 0,5A (NEODMAGNETOVÁNO) VYHODNOCENÍ Obr. 4.7 Schéma měřícího procesu V první fázi měřícího procesu, z důvodu srovnání nové a zatěžované MR kapaliny, naměříme teplotní a proudové charakteristiky nové MR kapaliny při proudech 0A, 30

4 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ 0,5A, 1A, 1,5A, 2A. Proud 0,5A bude měřen neodmagnetován a odmagnetová z hodnoty proudu 2A. Proud 0A neodmagnetován je realizován proudem 0,055 A z důvodu snímání teploty uvnitř štěrbiny v závislosti na odporu cívky. Teplotní rozsah bude v rozmezí 20 až 75 C. Zvolily se tyto charakteristické teploty uvnitř škrtící štěrbiny 20 až 28 C, 35 C, 40 C, 60 C a 75 C, kdy u každé budou realizovány 3 rozběhové testy při maximálních pístových rychlostech v rozsahu 0,18 až 0,36 m/s. U nízkých teplot nebude potřeba MR kapalinu předehřívat, protože se zahřeje teplem vzniklým během rozběhového testu. U vyšších teplot bude nutné kapalinu předehřívat. Sledování aktuální teploty a zmařené energie během předehřívání zajistí program DEWESoft. Výsledkem měření proudových charakteristik bude závislost meze kluzu na proudu procházejícím cívkou a výsledkem teplotních charakteristik bude závislost viskozity a meze kluzu na teplotě. Naměřené hodnoty současně poslouží jako vstupní parametry pro další fázi experimentu. Druhá, hlavní fáze experimentu, sleduje chování MR kapaliny v průběhu trvanlivostního testu. Cyklické zatížení reometru bude probíhat při proudu 2A, rychlosti pístnice 0,36 m/s a teplotě 70 C, která bude regulována vodním chlazením až do námi zvolené hodnoty LDE. Poté ihned naměříme teplotní charakteristiky v rozmezí teplot 20 až 75 C při proudu 0,055A a změříme viskozitu společně s mezí kluzu v rozsahu teplot 30 až 40 C při proud 0,5A s (ne)odmagnetováním MR kapaliny. Charakteristické hodnoty LDE jsou: 18000 J/cm 3, 36000 J/cm 3, 54000 J/cm 3, 72000 J/cm 3 a 90000 J/cm 3. Výsledkem má být sledování meze kluzu, viskozity a vlivu zbytkového magnetizmu během zatěžování v závislosti na LDE. Vedlejší cíl bude sledovat veličinu míra pulzací, definovanou jako podíl směrodatné odchylky napětí v cívce k směrodatné odchylce rychlosti pístnice, která by mohla v budoucích zařízeních sloužit jako diagnostický parametr hodnotící stav MR kapaliny. 31

5 ANALÝZA A INTERPRETACE ZÍSKANÝCH VÝSLEDKŮ 5 5 ANALÝZA A INTERPRETACE ZÍSKANÝCH VÝSLEDKŮ Naměřené počáteční teplotní charakteristiky proudu 0,055A jsou v grafu 5.1 a 5.2. Teplotní křivky pro ostatní proudy jsou v příloze I. Byla potvrzena hypotéze nezávislosti meze kluzu na teplotě a naměřen exponenciální pokles viskozity na teplotě. Teplotní závislost meze kluzu nové MR kapalina při proudu 0,055A (odmagnetováno) 2,5 2,0 mez kluzu [kpa] 1,5 1,0 τ = 0,96 kpa 0,5 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 teplota [ C] Graf 5.1 Závislost meze kluzu na teplotě nové MR kapaliny při proudu 0,055A Závislost viskozity na teplotě nové MR kapaliny při proudu 0,055A (odmagnetováno) 0,6 0,5 viskozita [Pa.s] 0,4 0,3 η(t) = 0,9672e -0,021t 0,2 20 30 40 50 60 70 80 teplota [ C] Graf 5.2 Závislost viskozity na teplotě nové MR kapaliny při proudu 0,055A 32

5 ANALÝZA A INTERPRETACE ZÍSKANÝCH VÝSLEDKŮ Výše uvedeným důkazem nezávislosti meze kluzu na teplotě můžeme pro každou hodnotu proudu (0,055A, 0,5A, 1A, 1,5A, 2A) nahradit mez kluzu v celém teplotním intervalu jednou průměrnou hodnotou. Proudová charakteristika lineární závislosti meze kluzu na proudu procházejícím cívkou je v grafu 5.3. 35 Závislost meze kluzu na proudu procházejícím cívkou 30 25 mez kluzu [kpa] 20 15 10 5 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 proud [A] Graf 5.3 Proudová závislost meze kluzu Záznam teploty během části trvanlivostního testu je znázorněn v grafu 5.4. Počáteční nárůst u každého zatěžovacího cyklu je způsoben ohřevem MR kapaliny z teploty 20 C na teplotu 70 C. V zásadě byly dodrženy podmínky udržení teploty během celého testu životnosti v intervalu 65 až 75 C. 100 Průběh teploty během trvanlivostního testu teplota [ C] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 1. zatěžovací cyklus 2. zatěžovací cyklus 3. zatěžovací cyklus 4. zatěžovací cyklus 5. zatěžovací cyklus 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 LDE [J/cm 3 ] Graf 5.4 Sledování teploty během trvanlivostního testu 33

5 ANALÝZA A INTERPRETACE ZÍSKANÝCH VÝSLEDKŮ Růst meze kluzu při proudu 0,055A během části testu životnosti je vykreslen v grafu 5.5. Hodnotě 90000 J/cm 3 LDE během zatěžování při teplotě 70 C odpovídá mez kluzu 1,53 kpa. V článku [14] hodnotě 90000 J/cm 3 LDE během zatěžování při teplotě 56 C odpovídá mez kluzu 1,274 kpa. Lze tedy vyslovit hypotézu, že při vyšší teplotě zatěžování dochází k většímu nárustu meze kluzu, tedy k větší degradaci MR kapaliny. 1,6 Mez kluzu během části trvanlivostní zkoušky při proudu 0,055A 1,5 1,4 1,3 mez kluzu [kpa] 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0 20000 40000 60000 80000 100000 LDE [J/cm 3 ] Graf 5.5 Mez kluzu během trvanlivostního testu Viskozita během trvanlivostního testu je ukázána v grafu 5.6. Viskozita během trvanlivostního testu při proudu 0,055A viskozita [Pa.s] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 η(t) = 0,9672e -0,021t η(t) = 0,3878e -0,018 t 0 LDE 18000 LDE 36000 LDE 54000 LDE 72000 LDE 90000 LDE 0,1 η(t) = 0,323e -0,017 t 20 30 40 50 60 70 80 teplota [ C] Graf 5.6 Viskozita během trvanlivostního testu 34

5 ANALÝZA A INTERPRETACE ZÍSKANÝCH VÝSLEDKŮ Z grafu 5.6 je patrné, že od hodnoty 36000 J/cm 3 LDE je již procentuální rozdíl změny viskozity zanedbatelný. Pokles proti počáteční hodnotě je pravděpodobně způsoben zaběhnutím kapaliny. Měření zbytkového magnetismu znázornuje graf 5.7. Body křivky zbytkového magnetismu jsou získány rozdílem meze kluzu při proudu 0,5A v odmagnetovaném a neodmagnetovaném stavu. Vysvětlení příčiny počátečního poklesu meze kluzu je pravděpodobně přítomností nanočástic v kapalině, které vzniknou odlupováním křehké vrstvy oxidů a karbidů. Zbytkový magnetismus se od hodnoty 45000 J/cm 3 LDE již nemění. mez kluzu [kpa] 12 11 10 9 8 7 6 5 4 Mez kluzu během části trvanlivostního testu při proudu 0,5A 14 0,5A (odmagnetováno) 0,5A (nemagnetováno) 13 zbytkový magnetismus 3 0 20000 40000 60000 80000 100000 LDE [J/cm 3 ] Graf 5.7 zbytkový magnetismus při trvanlivostním testu Sledování veličiny míra pulzací znázorňuje graf 5.8. 50 Průběh míry pulzací během trvanlivostního testu 40 míra pulzací 30 20 10 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 LDE [J/cm 3 ] 1. zatěžovací cyklus 2. zatěžovací cyklus 3. zatěžovací cyklus 4. zatěžovací cyklus 5. zatěžovací cyklus Graf 5.8 míra pulzací při trvanlivostním testu 35

5 ANALÝZA A INTERPRETACE ZÍSKANÝCH VÝSLEDKŮ Velké píky na počátku a konci každého zatěžovacího testu jsou způsobeny nárůstem, nebo poklesem rychlosti. Zatím nejsou jasné ani velké výchylky při čtvrtém zatěžovacím cyklu. Je patrné, že v průběhu testu průměrná hodnota míry pulzací roste, proto by se tedy mohla v budoucnu stát parametrem hodnotícím stav MR kapaliny. 36

6 ZÁVĚR 6 ZÁVĚR 6 Tato bakalářská práce si kladla za cíl posoudit chování nové MR kapaliny během zkoušky části životnosti při teplotě 70 C. Z naměřených teplotních křivek nové MR kapaliny lze konstatovat, že mez kluzu je nezávislá na teplotě. Z výsledku proudové charakteristiky je patrné, že mez kluzu je téměř lineárně závislá na proudu procházejícím cívkou. K testu trvanlivosti je nutné zdůraznit, že z časové náročnosti celého experimentu byla proměřena jen dvanáctina předpokládané životnosti MR kapaliny MRF-140CG. Potvrdili jsme hypotézu o závislosti meze kluzu na LDE publikovanou v literatuře [16]. Viskozita se během testu od hodnoty 36000 J/cm 3 LDE již znatelně nemění a během dalšího testování se dá považovat za nezávislou na LDE parametru, čímž jsme vyvrátily dříve publikovanou teorii v literatuře [3]. Porovnáním výsledků publikovaných v článku [16] můžeme zavést hypotézu, že trvanlivost MR kapaliny je negativně závislá na rostoucí provozní teplotě. Analýzou chování zbytkového magnetismu můžeme usoudit, že jeho závislost na LDE je jen do hodnoty 45000 J/cm 3, poté se již výrazně neměnil. Posledním sledovaným parametrem je míra pulzací. Její růst v závislosti na LDE by mohl sloužit jako diagnostický parametr hodnotící stav MR kapaliny. Na závěr lze konstatovat, že byly úspěšně splněny všechny vytyčené cíle bakalářské práce. 37

7 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ 7 7 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ MR - magnetoreologický ER - elektroreologický CI - Carbonyl Iron χ m - magnetická susceptibilita M R [A/m] - remanentní magnetizace H c [A/m] - koercivita µ 0 [H/m] - magnetická permeabilita τ [Pa] - smykové napětí τ 0 [Pa] - mez kluzu při magnetické intenzitě H η [Pa s] - dynamická viskozita při absenci magnetického pole γɺ [s -1 ] - smykový spád kapaliny G - komplexní materiálový modul P η [Pa] - viskózní část tlakového spádu P τ [Pa] - část meze kluzu tlakového spádu γ [Pa] - součinitel objemové stlačitelnosti L [m] - délka tokového kanálku g [m] - výška tokového kanálku w [m] - šířka tokového kanálku Q [m 3 s -1 ] - objemový průtok F η [N] - síla způsobená viskózním bržděním F τ [N] - síla vyvolaná smykovým napětím v 0 [m s -1 ] - relativní rychlost desek A [m 2 ] - smyková plocha desky LDE [J/cm 3 ] - lifetime dissipated energy (mechanická energie přeměněná na teplo) P [W] - výkon V [cm 3 ] - objem IUT - In-Use-Thickening (zhoustnutím kapaliny) Q [m 3 s -1 ] - objemový průtok l [m] - délka štěrbiny b [m] - šířka štěrbiny h [m] - tloušťka štěrbiny p [Pa] - tlaková ztráta v s [Pa] - střední rychlost parabolického rychlostního profilu r [m] - vnitřní poloměr štěrbiny S p [m 2 ] - činná plocha pístu tlumiče 38

8 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 8 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 8 [1] SCHWARTZ, M. Smart Materials. Boca Raton : CRC Press, 2009. ISBN: 978-1-4200-4372-3 [2] SCHWARTZ, M. Encyclopedia of Smart Materials. New York: John Wiley & Sons, 2002. 597 600 s. ISBN: 0-471-17780-6 [3] JANOCHA, H., Adaptronics and Smart Structures: Basics, Materials, Design, and Applications. 2nd Edition, Berlin Heidelberg: Springer Verlag, 2007, s. 184 204, ISBN: 978-3-540-71965-6 [4] AVRAAM, T., MR-fluid brake design and its application to a portable muscular rehabilitation device. PhD thesis, Université Libre de Bruxelles, 2009 [5] BURSON, K., LORD MR Damping Solutions for Automotive Applications, Vehicle Dynamic Expo Presentation, May 2006. [6] OLABI, A. G., GRUNWALD A., Design and application of magnetorheological fluid, Materials & Design, 2007, vol. 28, no. 10, s. 2658-2664 [7] Kciuk, M., Kciuk, S., Turczyn, R., Magnetorheological characterization of carbonyl iron based suspension, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, April 2009, vol. 33, no. 2, s. 135-141 [8] Jolly M. R., Bender J. W., Carlson W. J., Properties and Applications of Commercial Magnetorheological Fluids, Smart Structures and Materials, 1998, Vol. 3327, s. 262-275 [9] Delivorias R., Witteman W.J., Wismans J.S.H.M., Geers M.G.D., Research on smart materials: Application of ER and MR fluids in an Automotive Crash Energy Absorber, Eindhoven, 2004, Internal report no. MT04.18 [10] Goncalves, F., D., Characterizing the Behavior of Magnetorheological Fluids at High Velocities and High Shear Rates, PhD thesis, Blacksburg, Virginia, January 2005. [11] Cheng, H., B., Hou, P., Zhang, Q., J., Wereley, N., M., Effect of storage and ball milling on sedimentation and rheology of a novel magnetorheological fluid, Journal of Physics, 2009, vol. 149, no. 1, s. 1-5 [12] Gordaninejad F., Graeve A. O., Fuchs A., York D., Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions: Proceedings of the 10th International Conference, Singapore, World Scientific Printers, 2007, s. 392-394, ISBN: 981-277-119-0 39

8 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [13] Carlson, J., D., What makes a Good MR Fluid, 8 th International Conference on Electrorheological (ER) and Magnetorheological (MR) Suspensions, Nice, July 2001 [14] Roupec, J., Mazurek, I., Strecker, Z., Changing the Behavior of MR Fluid during Long Term Operation, 17 th International Conference Engineering Mechanics, Svratka, Czech Republic, May 2011 [15] Guerrero-Sanchez, C., Lara-Ceniceros, T., Jimenez-Regalado, E., Rasa, M., Schubert, U., S., Magnetorheological Fluids Based on Ionic Liquids, Advanced Materials, 2007, vol. 19, no. 13, s. 1740-1747 [16] Roupec, J., Mazůrek, I., Studium a měření tokových křivek magnetoreologických kapalin s pomocí adaptovaného MR hydraulického tlumice, In FSI Junior konference 2008. 1. Brno: VUT FSI v Brně, 2009. s. 120-128. ISBN: 978-80-214-3834-7 [17] Noskievič, J. a kol., Mechanika tekutin, 1. vyd. Praha: SNTL/ALFA, 1987. 199 s. [18] Yang, G., Spencer, B., F., Carlson, J., D., Sain, M., K., Large-scale MR fluid dampers: modeling and dynamic performance considerations, Engineering Structures, March 2002, vol. 24, no. 3, s. 309-323 40

9 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ 9 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ 9 OBRÁZKY: Obr. 1.1 MR efekt Obr. 1.2 CI částice Obr. 1.3 Viskozitní a toková křivka MR kapaliny popsané Bighamským modelem Obr. 1.4 Toková a viskózní křivka MR kapaliny MRF9 při 25 C Obr. 1.5 Závislost reologických vlastnosti nové MR kapaliny LORD 140-CG na teplotě při smykovém spádu řádově 10 5 s -1 Obr. 1.6 Tlakově řízený mód Obr. 1.7 Smykový mód Obr. 1.8 Tahový nebo tlakový mód Obr. 1.10 Mez kluzu v průběhu trvanlivostního testu Obr. 1.11 Postupný vývoj IUT odolnosti u MR kapalin Obr 2.1 Degradace MR kapaliny během trvanlivostního testu Obr. 4.1 Reometr upevněný na stanici Gillop 1.4 Obr. 4.2 Systém vodního chlazení Obr. 4.3 Analyzátor DEWE 800 Obr. 4.4 Maska programu Datalogger Obr. 4.5 Maska programu MultiViscoMRG Obr. 4.6 Vytvořená maska programu DEWESoft Obr. 4.7 Schéma měřícího procesu GRAFY: Graf 5.1 Závislost meze kluzu na teplotě nové MR kapaliny při proudu 0,055A Graf 5.2 Závislost viskozity na teplotě nové MR kapaliny při proudu 0,055A Graf 5.3 Proudová závislost meze kluzu Graf 5.4 Sledování teploty během trvanlivostního testu Graf 5.5 Mez kluzu během trvanlivostního testu Graf 5.6 Viskozita během trvanlivostního testu Graf 5.7 zbytkový magnetismus při trvanlivostním testu Graf 5.8 míra pulzací při trvanlivostním testu 41

SEZNAM PŘÍLOH SEZNAM PŘÍLOH ČÍSLO Příloha I NÁZEV PŘÍLOHY Teplotní charakteristiky MR kapaliny 42

PŘÍLOHA I PŘÍLOHA I Teplotní charakteristiky MR kapaliny při proudu 0,5A (neodmagnetováno) Závislost viskozity na teplotě nové MR kapaliny při proudu 0,5A (neodmagnetováno) 0,45 0,40 0,35 viskozita [Pa.s] 0,30 0,25 η(t) = 0,9672e -0,019t 0,20 0,15 20 30 40 50 60 70 80 teplota [ C] Závislost meze kluzu na teplotě nové MR kapaliny při proudu 0,5A (neodmagnetováno) 16 14 τ 0 = 13,4 kpa 12 mez kluzu [kpa] 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 teplota [ C] 43

PŘÍLOHA I Teplotní charakteristiky MR kapaliny při proudu 1A Závislost viskozity na teplotě nové MR kapaliny při proudu 1A (neodmagnetováno) 0,40 0,35 viskozita [Pa.s] 0,30 0,25 0,20 η(t) = 0,546e -0,018 t 0,15 0,10 20 30 40 50 60 70 80 teplota [ C] Závislost meze kluzu na teplotě nové MR kapaliny při proudu 1A (neodmagnetováno) 25 20 τ 0 = 20 kpa mez kluzu [kpa] 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 teplota [ C] 44

PŘÍLOHA I Teplotní charakteristiky MR kapaliny při proudu 1,5A Závislost viskozity na teplotě nové MR kapaliny při proudu 1,5A (neodmagnetováno) 0,40 0,35 viskozita [Pa.s] 0,30 0,25 0,20 η(t) = 0,4893e -0,016 t 0,15 0,10 20 30 40 50 60 70 80 teplota [ C] Závislost meze kluzu na teplotě nové MR kapaliny při proudu 1,5A (neodmagnetováno) 35 30 τ 0 = 29,5 kpa 25 mez kluzu [kpa] 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 teplota [ C] 45

PŘÍLOHA I Teplotní charakteristiky MR kapaliny při proudu 2A Závislost viskozity na teplotě nové MR kapaliny při proudu 2A 0,6 0,5 viskozita [Pa.s] 0,4 0,3 η(t) = 1,1597e -0,026 t 0,2 0,1 20 30 40 50 60 70 80 teplota [ C] Závislost meze kluzu na teplotě nové MR kapaliny při proudu 2A 35 τ 0 = 32 kpa 30 25 mez kluzu [kpa] 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 teplota [ C] 46