Исследование микроградиентного распределения магнитного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование микроградиентного распределения магнитного поля

Полетаев Владимир Алексеевич, профессор

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

Представлены результаты исследования распределения магнитного поля на поверхности магнитопроводного материала. Рассмотрено распределение магнитного потока с учетом микронеровностей.

На поверхностях деталей существуют микронеровности, которые образуются в процессе их обработки при изготовлении. Параметры микронеровностей определяют шероховатость поверхностей. В электротехнических устройствах однородное магнитной поле около шероховатой магнитопроводящей поверхности перераспределяется и становится неоднородным. В устройствах, где используются мелкодисперсные магнитные среды (магнитные порошки, магнитные жидкости, магнитореологические суспензии), перераспределение напряженности магнитного поля около шероховатой магнитопроводящей поверхности может существенно изменять параметры устройств или происходящих в поле технологических процессов. Поэтому представляет интерес, исследование характера перераспределения магнитного поля около магнитопроводящей поверхности, определение толщины слоя около поверхности, где поле является неоднородным, и на каком удалении от поверхности неоднородность поля, вызванная шероховатостью, отсутствует. Для проведения расчетов была полученанаружная поверхность цилиндрической втулки с диаметром 50 мм точением на токарном станке 16К20 при следующих режимах:n = 800 об/мин, S = 1,5 мм/об. Измерение шероховатости Ra производилось на приборе профилометре-профилографе модели АБРИС-ПМ7, запись профилограмм производилась на ЭВМ.

На рис.1 представлена профилограмма шероховатой поверхности

распределение магнитное поле микронеровность

Рисунок 1. Профилограмма поверхности: Ra = 8,791 мкм; Rz = 31,222 мкм; Rmax = 42,807 мкм; Sm = 132,71 мкм

В настоящее время отсутствуют способы и технические средства измерения магнитного поля систем с микронными размерами, поэтому исследование выполнялось методом математического моделирования магнитного поля. Расчет магнитного поля проводился методом конечных элементов. Расчетная зона включала часть цилиндрической поверхности с аксиальной длиной L =280 мкм, включающую два шага выступов, т.е. два выступа и две впадины (рис.2). Высота воздушного участка над поверхностью принималась равной 3L. На вертикальных границах расчетной области векторный магнитный потенциал задавался постоянным. На левой границе потенциал принимался равным нулю, на правой границе величина потенциала рассчитывалась через среднюю индукцию над поверхностью и длину поверхности L. На верхней и нижней горизонтальных границах касательное поле принималось равным нулю. Расчетная сетка наносилась дифференцированно, с наименьшими элементами в области выступов поверхности и более крупными у верхней горизонтальной границы расчетной области. Количество элементов расчетной сетки составляло около 560 000.

На рис. 2показана картина распределения линий векторного магнитного потенциала над выступами шероховатой поверхности. Из рисунка видно, как равномерное распределение линий магнитного поля нарушается при подходе к выступам шероховатой поверхности. Наибольшая концентрация линий наблюдается у вершин выступов, что говорит о повышенной напряженности поля в этой зоне. Во впадинах между выступами концентрация линий поля уменьшается, что соответствует пониженной напряженности поля. На рис. 2 выделены четыре точки около шероховатой поверхности, в которых указаны значения индукции магнитного поля.

Рисунок 2. Картина распределения линий векторного магнитного потенциала над выступом шероховатой поверхности

Две точки около вершин выступов, и две точки во впадинах между выступами. При средней индукции поля над поверхностью 0.1 Тл индукция около вершин составляет 0.137 и 0.196 Тл, во впадинах 0.0188 и 0.0366 Тл. У одной из вершин индукция практически вдвое выше, а во впадине в 5 раз ниже среднего значения индукции над поверхностью Ф. То есть около рассматриваемой магнитопроводящей поверхности значение индукции меняется более чем на порядок. У выступа поверхности с большей высотой наблюдается более высокое значение индукции.

Интенсивность магнитного поля в любой точке рассматриваемого пространства удобно выражать относительно базового значения через коэффициент неоднородности:

K=H/H_Б, (1)

где H - напряженность поля в рассматриваемой точке, H_Б - базисная напряженность (средняя напряженность поля над шероховатой поверхностью)

Коэффициент неоднородности показывает, во сколько раз напряженность поля в рассматриваемой точке отличается от средней напряженности поля над магнитопроводящей поверхностью.

Рисунок 3. Изменение коэффициента неоднородности напряженности поля вдоль шероховатой поверхности: 1 - на расстоянии 0.03h от вершины, 2 - на расстоянии 0.5h от вершины, 3 - на расстоянии 1h от вершины.

На рис. 3 показано распределение коэффициента неоднородности магнитного поля на прямой линии, расположенной параллельно магнитопроводящей поверхности на расстоянии 0.03h; 0.5h; 1h от вершины выступа, где h - высота наибольшего выступа (рис. 2.)

Из кривых видно, что неоднородность поля распространяется на расстояние, превышающее высоту выступов шероховатой поверхности. Так на кривой 3 на расстоянии h от вершины выступа напряженность поля примерно на 10% превышает среднюю напряженность поля над поверхностью.

Если поместить около шероховатой поверхности мелкодисперсную магнитную среду, допустим, магнитную жидкость, то магнитные частицы будут стремиться попасть в зону, где напряженности поля максимальна, то есть к вершине выступа, создавая здесь повышенную концентрацию частиц. Вершины выступов покрываются слоем частиц, которые прочно удерживаются на поверхности. Магнитные частицы выстраиваются также в цепочки по линиям магнитного поля. Силы взаимодействия между частицами, тем выше, чем сильнее напряженность магнитного поля. То есть прочность цепочек из частиц существенно выше около вершин выступов шероховатой поверхности, чем на некотором удалении, где поле равномерное. Цепочки прочно связаны с вершинами выступов. Около шероховатой магнитопроводящей поверхности образуется слой магнитной жидкости с более сильным внутренним взаимодействием частиц, вследствие чего слой более прочный, чем слои в равномерном поле и, следовательно, менее подвижный. Каким образом данный слой отразится на параметрах электромеханических устройств с мелкодисперсными рабочими средами? При движении шероховатой поверхности цепочки будут разрушаться в первую очередь в области однородного магнитного поля, где силы взаимодействия между частицами меньше. Около шероховатой поверхности будет существовать трудно разрушаемый слой мелкодисперсной рабочей среды. Если рассматривается шероховатая поверхность вала, то появление неподвижного слоя мелкодисперсной рабочей среды, увеличивает эффективный диаметр вала, следовательно, возрастает момент трения вала устройства. Если толщина слоя соизмерима с рабочим зазором устройства, то его появление сокращает величину рабочего зазора, способствует заметному увеличению градиента сдвига и напряжению сдвига дисперсной среды в зазоре, соответственно, повышению потерь в устройстве.

Для снижения вышеуказанных отрицательных эффектов необходимо снижать степень перераспределения магнитного поля около шероховатой поверхности. Этого можно достичь уменьшая, высоту выступов магнитопроводящей шероховатой поверхности. Одном их возможных способов уменьшения высоты выступов является алмазное выглаживание поверхности.

Список литературы

1. Полетаев В.А., Перминов С.М. Пахолкова Т.А. Роль площадки на острие зубца в формировании магнитного поля и удерживающей способности рабочего зазора иагнитожидкостного уплотнения. Вестник ИГЭУ, Вып.5, 2011, С. 32 - 34.

2. Киселев В.В., Гомонай М.В., Пучков П.В., Лисовская И.А. Перспективы применения нанопорошков силикатов в смазочных материалах, используемых в аварийно-спасательной и пожарной технике. / Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2015. № 3 (26). - С. 38-46.

3. Киселев В.В. К проблеме улучшения триботехнических свойств смазочных материалов. / Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - 2006. Т. 49. № 12. - С. 113.

4. Киселев В.В., Топоров А.В., Никитина С.А., Пучков П.В., Покровский А.А., Зарубин В.П., Легкова И.А. Повышение качественных характеристик моторных масел за счет введения присадок. / В сборнике: Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии Материалы международной научно-технической конференции: (XVIII Бенардосовские чтения). - 2015. - С. 330-333.

5. Пучков П.В., Топоров А.В., Киселев В.В. Разработка конструкции трибологически безопасного резьбового соединения. / Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2012. № 1. - С. 28-31.

6. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Перспективы применения магнито-жидкостных устройств в пожарной и аварийно-спасательной технике. / Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2010. № 2. - С. 63-64.

Размещено на Allbest.ru