SEDIMENTACE MR KAPALINY PŘI STARTU NOVÉHO VESMÍRNÉHO NOSIČE

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN

SEDIMENTACE MR KAPALINY PŘI STARTU NOVÉHO VESMÍRNÉHO NOSIČE SEDIMENTATION OF MR FLUID AT THE START OF NEW SPACE LAUNCHER

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS

AUTOR PRÁCE

PAVEL BERKA

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2015

Ing. JAKUB ROUPEC, Ph.D.

ABSTRAKT Práce se zabývá experimentálním zjištěním míry sedimentace magnetoreologické (MR) kapaliny, vystavené účinkům zrychlení 1-6 G, čímž je simulováno přetížení při startu vesmírného nosiče. Cílem práce je poskytnout nové poznatky o sedimentaci MR kapalin. V práci je popsán kompletní experiment akcelerované i dlouhodobé sedimentace, včetně nově vyvinuté metody hodnocení míry sedimentace MR kapalin a měřícího zařízení zkonstruovaného pro tuto metodu. Výsledky této práce budou použity při vývoji nového tlumícího systému uložení nákladu ve vesmírných nosičích ESA.

KLÍČOVÁ SLOVA Magnetoreologická kapalina, MR kapalina, sedimentace, akcelerovaná sedimentace

ABSTRACT This bachelor thesis deals with sedimentation behavior of magnetorheological fluid exposed to acceleration 1-6 G. That simulates start of a space launcher. Main goal of this work is to bring new knowledge of MR fluids behavior. Experiment of accelerated sedimentation as well as the long term sedimentation is presented, including new method and measuring device developed to measure the sedimentation, in order to compare different commercial MR fluids. Results from this work will be used in development of the new semiactive dumping system for carrying load in ESA new space launcher.

KEY WORDS Magnetorheological fluid, MR fluid, sedimentation, accelerated sedimentation

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE BERKA, P. Sedimentace MR kapaliny při startu nového vesmírného nosiče. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2015. 58 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jakub Roupec, Ph.D.

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci na téma Sedimentace magnetoreologické kapaliny při startu nového vesmírného nosiče zpracoval samostatně pod vedením Ing. Jakuba Roupce Ph.D. a v seznamu zdrojů uvedl všechny zdroje, z nichž jsem čerpal. V Brně dne .........................

....................................... Pavel Berka

PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě bych rád poděkoval svému vedoucímu práce Ing. Jakubu Roupcovi Ph.D. za odborné rady, podnětné připomínky, trpělivost a přátelský přístup při tvorbě mé bakalářské práce.

OBSAH

OBSAH ABSTRAKT KLÍČOVÁ SLOVA ABSTRACT KEY WORDS BIBLIOGRAFICKÁ CITACE PROHLÁŠENÍ PODĚKOVÁNÍ OBSAH ÚVOD 1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 1.1 Magnetoreologická kapalina 1.1.1 Složení MR kapalin 1.1.2 MR efekt 1.1.3 Stabilizace MR kapalin 1.2 Metody měření sedimentace 1.2.1 Optické metody 1.2.2 Magnetické metody 2 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE 2.1 Cíle práce 2.2 Dílčí cíle práce 3 METODY A MATERIÁLY 3.1 Akcelerovaná sedimentace 3.1.1 Testovací centrifuga 3.1.2 Určení otáček pro dosažení požadovaného zrychlení 3.1.3 Předběžné testování 3.1.4 Měřící stand 3.1.5 Měřící řetězec standu 3.1.6 Příprava vzorků pro akcelerovanou sedimentaci 3.2 Dlouhodobá sedimentace při 1G 3.2.1 Příprava vzorků a postup měření 3.2.2. Úpravy měřicího standu 3.3 Metody analýzy naměřených dat 3.3.1 Analýza dat akcelerované sedimentace 3.3.2 Analýza dat dlouhodobé sedimentace 4 VÝSLEDKY 4.1 Akcelerovaná sedimentace 4.2 Dlouhodobá sedimentace 5 DISKUZE 5.1 Akcelerovaná sedimentace 5.2 Dlouhodobá sedimentace 6 ZÁVĚR 7 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 8 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK 9 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK

5 5 5 5 5 7 7 9 10 11 11 11 13 13 14 14 15 20 20 20 21 21 21 23 25 29 34 36 38 38 39 40 40 42 43 43 46 51 51 51 53 54 56 57

strana

9

ÚVOD

ÚVOD V dnešní době se stalo používání různých družic a satelitů pro naši společnost běžnou záležitostí. Využíváme je pro komunikaci, navigaci, pozorování a celou řadu dalších činností. Technologie a zařízení používaná na oběžné dráze patří mezi to nejlepší, co lidstvo dokáže vyrobit, a od vypuštění prvních družic značně pokročila. Stále sofistikovanější satelity s jemnou elektronikou a optikou samozřejmě kladou vyšší nároky na zacházení a jsou náchylnější k poškození. Při startu vesmírné rakety, jakožto i při samotném letu a oddělování jednotlivých segmentů a modulů dochází k nejrůznějším vibracím a rázům. Proto je snaha ochránit citlivý náklad a to použitím různých vibroizolačních systémů. Evropská vesmírná agentura se snaží společně s firmou Honeywell a ve spolupráci s VUT v Brně vyvinout nový semiaktivní izolační systém založený na MR tlumičích. Tyto tlumiče mají výborné tlumící vlastnosti založené na magnetických vlastnostech v nich obsažené magnetoreologické kapaliny. Vývoj je součástí programu FLPP 3 (Future Launcher Preparation Programme), jehož cílem je vyvinout technologie pro použití v nových vesmírných nosičích. Jelikož by se jednalo o první použití této kapaliny při letu do vesmíru, vyvstaly nároky na podrobné testování vlastností MR kapalin. Zvláště pak, vzhledem k použití, na její chování při vystavení přetížení při startu a letu nosiče. Hrozí zde zejména ztráta magnetických vlastností v důsledku sedimentace železných částic v kapalině při zvýšeném kvazistatickém zrychlení (až 6 G). Testování sedimentačních vlastností v této práci, je tak snahou poskytnout další poznatky o MR kapalinách, které by mohly usnadnit a umožnit jejich rozšíření do celé řady aplikací.

Obr. 1.1 Nový vesmírný nosič - koncept ESA [17]

strana

10

1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ


1

1.1 Magnetoreologická kapalina

1.1

Magnetoreologická kapalina (dále jen MR kapalina) byla poprvé představena v roce 1948 Jacobem Rabinowem z amerického Národního úřadu pro standarty (National Bureu of Standarts) [1]. Jedná se o suspenzi feromagnetických mikročástic a nosné kapaliny často s přídavkem aditiv. Při vystavení MR kapaliny účinkům magnetického pole dochází k vytvoření magnetických dipólů na každé částici, což dává vzniknout velmi silným vazebným interakcím mezi částicemi. V důsledku těchto interakcí mění MR kapalina své skupenství z tekutého na polo-tuhé až tuhé [2] a přechází do tzv. aktivovaného stavu. Viskozita MR kapaliny je poté funkcí aplikovaného magnetického pole a změnou tohoto pole může být také regulována [3]. Čas odezvy na změnu magnetického pole je velice rychlý, pohybuje se mezi 10-20 ms [4] a je to právě rychlá odezva, co z těchto kapalin tvoří vhodný prvek pro použití v různých dynamických aplikacích vyžadujících co nejrychlejší odezvu na měnící se externí podmínky. Příkladem takového použití jsou nejrůznější tlumiče využívané například u automobilů nebo ve stavebnictví k tlumení vibrací staveb. Na obr. 1.2 je ukázka tlumícího systému složeného s MR tlumičů u vojenského vozu Hummer od společnosti LORD Corporation.

Obr. 1.2 Tlumící systém vojenského vozidla Hummer [5]

1.1.1 Složení MR kapalin

1.1.1

MR kapaliny jsou složeny ze tří hlavních složek: feromagnetických částic, nosné kapaliny a aditivních přísad. Feromagnetické částice jsou rozptýleny v nosné kapalině a jsou klíčové pro MR vlastnosti kapaliny (obr. 1.3). Velikost používaných částic se většinou pohybuje okolo 0,2 až 2 µm [5] a má zásadní vliv na sedimentační vlastnosti MR kapaliny, jelikož částice jsou příliš velké nato, aby se projevil Brownův pohyb. K zabránění sedimentace jsou přidávána různá aditiva.[7]

strana

11


Obr. 1.3 Snímek feromagnetických částic v nosné kapalině (snímek elektronovým mikroskopem) [14]

Nosná kapalina hraje roli média, v němž jsou rozptýleny částice. Může být jak polární tak i nepolární. Důležitým faktorem při volbě nosné kapaliny je její viskozita. Nízká viskozita je požadována pro dosažení maximálního MR efektu (tzn. nárůstu viskozity kapaliny vlivem magnetického pole), na druhou stranu čím nižší je viskozita nosné kapaliny, tím horší je její stabilita a projevují se více problémy se zvýšenou sedimentací rozptýlených částic. Na druhou stranu vysoká viskozita nosné kapaliny zeslabuje výsledný MR efekt (dynamický rozsah MR kapaliny), protože zvyšuje viskozitu MR kapaliny v neaktivovaném stavu [8]. Obecně se spíše používají oleje s nižší viskozitou zejména olej polyalfaolefín [7]. Většinou je kapalina volena na základě požadovaných reologických vlastností a tepelné stability. Dalšími faktory, které musí být brány v potaz, jsou: chemická stabilita, kompatibilita s feromagnetickými částicemi a povrchové napětí [8].

strana

12


1.1.2

1.1.2 MR efekt Jak bylo uvedeno výše při vystavení MR kapaliny magnetickému poli dochází k nárůstu její viskozity. Tento jev se dá rozdělit do čtyřech fází viz obr. 1.4. V první fázi (1) jsou částice volně rozptýleny v nosné kapalině, ve druhé fázi (2) jsou částice vlivem magnetického pole zpolarizovány a vytváří řetězce, některé řetězce nejsou kompletní, ve třetí fázi (3) jsou z nekompletních řetězců zformovány další řetězce a konečně ve čtvrté fázi se částice stále více shlukují dokud nedojde k saturaci celého systému [15].

Obr. 1.4 Fáze magnetizace MR kapaliny.[15]

1.1.3 Stabilizace MR kapalin

1.1.3

Nestabilita MR kapalin značně omezuje jejich využití na trhu. Nejhoršími jevy ovlivňujícími stabilitu MR kapalin jsou sedimentace a oslabení MR efektu. V kapalinách taktéž dochází k erozi feromagnetických částic, jelikož tyto částice na sebe narážejí a dochází mezi nimi k tření, částice se poté ztenčují, což má negativní efekt na magnetické vlastnosti kapalin. Obecně platí čím větší jsou použité feromagnetické částice tím lepší je výsledný MR efekt, ale zhoršují se sedimentační vlastnosti. K zabránění degradace MR kapalin se využívají různé metody stabilizace. Nejčastější je přidání surfaktantů tedy látek schopných snižovat povrchové napětí. Další možností je např. povrchová úprava částic nebo přidání nanosférických částic [8]. Například stabilizace přidáním fumed silica (modifikace oxidu křemičitého vytvořená spalováním tetrachloridu křemíku) do MR kapaliny připravené s použitím karbonylových částic. Tímto se zabýval Lim a spol. [16]. Ve své práci dokázali že fumed silica přidaný do MR kapaliny značně zlepšuje její sedimentační vlastnosti.

strana

13


1.2

1.2 Metody měření sedimentace Míru sedimentaci je možno hodnotit celou řadou metod. Obvykle se používají metody optické. U sedimentace MR kapalin jsou však málo vhodné až nevhodné, zejména vzhledem k neprůhlednosti MR kapalin. Proto jsou zde uvedeny i jiné metody, založené na magnetických vlastnostech MR kapalin.

1.2.1

1.2.1 Optické metody K určení míry sedimentace jsou optické metody, jak již bylo řečeno, využívány nejčastěji. Nejjednodušší metoda předpokládá vznik jasného rozhraní mezi nosnou kapalinou a sedimentem. Poté je změřena výška sedimentu, nebo výška vyloučené nosné kapaliny. Pokud ovšem nedojde k vytvoření jasného rozhraní, je nutné použít jiné metody. Tyto metody jsou vesměs založené na analýze průchodu různých typů záření sedimentující suspenzí. Jak stoupá hustota sedimentu klesá množství záření, které je schopné proniknout sedimentem. Zde jsou uvedeny některé z těchto metod:  Měření optickým analyzátorem Jednou s možností jak stanovit míru sedimentační stability je optický analyzátor Turbiscan MA 2000. Toto zařízení detekuje a měří změny v neprůhledné suspenzi. Vzorek je skenován paprsky světla o vlnové délce 850 nm vertikálně postupně po celé výšce vzorku. Jeden detektor (transmission detector) měří intenzitu světla, která projde vzorkem skrz (pod úhlem 0° oproti původnímu paprsku). Druhý detektor (backscattering detector) měří intenzitu světla rozptýleného a odraženého vzorkem (s původním paprskem svírá úhel 135°). Pro hodnocení sedimentace neprůhledných vzorků se využívá právě hodnot back-scattering detektoru (BS) [10].

Obr. 1.5 Hodnocení sedimentace přístrojem Turbiscan [10]

Na obrázku 1.5 je závislost BS na výšce vzorku v čase testovaného N. Azemou [10]. Vzorek obsahuje minerální prášek rozpuštěný ve směsi vody a alkoholu (50 na 50) . Je patrné, že hodnota BS narůstá s časem. Z toho plyne že suspenze sedimentuje.

strana

14


Analýza rentgenovým zářením Při této metodě je měřena intenzita rentgenového záření procházejícího suspenzí. K testování MR kapaliny tuto metodu použil např. Marin Lita [11]. Na obrázku 1.6 jsou grafy intenzity záření měřené u dna vzorku. U každého vrcholu (píku) je znázorněna odpovídající hustota. Vzorky byly měřeny v týdenních intervalech.

Obr.1.6 Intenzita rentgenového záření a odpovídající hustota po 1, 2,3 a 4 týdnech a) nově namíchaná kapalina b) MRF-132DG od společnosti LORD [11]

Porovnávána je zde nově namíchaná kapalina a komerční kapalina od firmy LORD. Z obrázku vyplývá, že nově namíchaná kapalina sedimentuje pomaleji než kapalina společnosti LORD [11]. 1.2.2 Magnetické metody

1.2.2

Magnetické metody využívají magnetických vlastností rozptýlených částic. Většinou se jedná o experimentální metody vyvinuté pro laboratorní účely, nikoliv o komerční přístroje. Metoda podle Iglesiase Využitím neinvazivních magnetických metod se zabýval G.R. Iglesias spolu s kolektivem z univerzity v Granadě. V roce 2007 uveřejnili vlastní experimentální metodu měření sedimentace [9]. Tato metoda je založena na měření indukčnosti L cívky/cívek umístěných na testovaný vzorek v určitých místech viz obr. 1.7.

strana

15


Obr. 1.7 Metoda měření sedimentace měřením změny indukčnosti [9]

Později metodu zdokonalili použitím jedné cívky pohybující se za pomoci krokového motoru podél celého vzorku [12]. K cívce je paralelně připojen vhodně zvolený kondenzátor. Princip metody je založen na vzájemném vztahu mezi rezonanční frekvencí f paralelního LC obvodu a kapacitě a indukčnosti jeho komponent (cívky a kondenzátoru). Indukčnost je podle vztahu (1) funkcí parametrů cívky a permeability prostředí. (1) N [-] µ0 [H.m-1] µr [-] S [m2] l [m]

- počet závitů - permeabilita vakua - relativní permeabilita - obsah průřezu cívky - délka cívky

Permeabilita MR kapalin je dominantně ovlivněna objemovou koncentrací rozptýlených feromagnetických částic. Předpokládáme-li, že rozptýlené částice jsou uniformní a mají sférický tvar, pak relativní permeabilita je podle Maxwell - Garnettova vzorce pro sférické částice funkcí objemové koncentrace (objemového procenta) rozptýlených částic [13]. Dosazením zmíněných rovnic dostaneme přímo závislost rezonanční frekvence na objemové koncentraci (2). (2)

strana

16


f [Hz] φ [-]

- rezonanční frekvence - objemová koncentrace (objemový zlomek)

Výsledky této metody poté jsou prezentovány jako závislost objemové koncentrace částic buďto na poloze (výšce v testovacím vzorku), nebo na čase. Na obrázku 1.8 jsou výsledky měření pro testovaný vzorek s rozmíchanými karbonylovými částicemi v silikonovém oleji. Počáteční objemová koncentrace částic byla 3%. [12]

Obr. 1.8 Závislost objemové koncentrace částic na vzdálenosti od dna vzorku, pro různé časy sedimentace [12]

Iglesiasova práce vychází z předchozích měření sedimentace které provedl Gorodkin a kol., svou metodu a k ní vytvořené zařízení publikovali v roce 2000. Metoda podle Gorodkina [18] Stejně jako metoda Iglesiase je i Gorodkinova metoda založena na měření indukčnosti L magnetické cívky obepínající vzorek testované MR kapaliny. Měřící cívka je umístěna tak, aby její horní okraj byl zarovnán s hladinou MR kapaliny. Za cíl si klade stanovit hodnotu sedimentační konstanty S, která je definována vztahem (3). (3) u [m.s-1]

-sedimentační rychlost

strana

17


g [m.s-2]

-gravitační zrychlení

Jednotkou sedimentační konstanty je 1 sekunda, v praxi se ovšem používá jednotka 1 Svedberg (1 Sb=10-13 s). Realné suspenze dosahují hodnot megasvedbergů (1 MSb=10-7s). Po zavedení předpokladu laminárního proudění v kapalině a kulového tvaru částic zavádí podle Stokesova zákona odporovou sílu prostředí Ffr (4). (4) µ [Pa.s] a [m] u [m.s-1]

-dynamická viskozita -poloměr částic -rychlost prodění relativně k částicím

Pro zrychlení procesu sedimentace se provádí testování na centrifůze. Odstředivá síla centrifugy je odvozena z 2. Newtonova zákona a dána do rovnováhy s odporovou silou Ffr. Tím je dosaženo konstantní rychlosti sedimentace. Výsledný vztah pro sedimentační konstantu je podle Gorodkina:

(5)

n [s-1] x [m] R0 [m]

-otáčky centrifugy -vzdálenost kterou částice urazí za čas t -počáteční vzdálenost částic od středu otáčení

Pro určení S je zapotřebí tedy znát vzdálenost x, kterou urazí částice za čas t. Právě k stanovení této vzdálenost je měřena změna indukčnosti cívky L. Indukčnost cívky je stanovena ve výše uvedeném vztahu (1) a její změna je měřena při tomto experimentu pomocí měřiče indukčnosti. Feromagnetické částice působí jako jádro a zvyšují relativní permeabilitu prostředí a tím i indukčnost cívky. Jak částice sedimentují dochází k zmenšování permeability až zůstane pouze nosná kapalina o µ≈1 [18]. Vzdálenost x je zde stanovena podle vztahu (6).

(6) l [m] Lmax [H] L0 [H] L [H]

- délka cívky - indukčnost na začátku měření - indukčnost cívky bez MR kapaliny - indukčnost cívky

Měřící zařízení sestrojené Gorodkinem pro jeho metodu je schematicky znázorněno na obrázku 1.9. Vzorky s cívkou jsou pevně uchyceny na rotoru a proud do cívek je přiváděn pomocí rotujících kontaktů.

strana

18


Obr. 1.9 Měřící zařízení podle Gorodkina [18]

Navíc se tato metoda dá použít i k odhadu meze kluzu MR kapalin. Ze vztahu (7) lze stanovit kritické otáčky nk, při nichž začne v kapalině probíhat sedimentace. (7) a [m] nk [s-1] ρ [kg.m-3] ρo [kg.m-3] R0 [m] τo [MPa]

- poloměr částic - kritické otáčky - hustota částic - hustota nosné kapaliny - počáteční vzdálenost částic od středu otáčení - mez kluzu ve smyku

Pro n
strana

19

2 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE

2 2.1

2 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE 2.1 Cíle práce Problémem řešeným v této práci je experimentální určení míry sedimentace MR kapaliny při zrychlení 1-6 G, které odpovídá startu vesmírného nosiče. Tento problém lze rozdělit na dvě části a to: 1. Určení míry sedimentace při zrychlení větším než 1 G, neboli akcelerovanou sedimentaci. 2. Určení míry sedimentace při zrychlení 1G, tzn. provést test dlouhodobé sedimentace. Budou testovány různé komerčně dostupné MR kapaliny. Na základě výsledků a poznatků získaných z těchto experimentů bude vybrána vhodná MR kapalina, pro použití v tlumících elementech nově vyvíjené nákladní plošiny vesmírného nosiče společnosti ESA.

2.2

2.2 Dílčí cíle práce Pro splnění hlavních cílů práce je potřeba také splnit několik dílčích cílů: o o o o o o

strana

20

navrhnout vhodnou metodu simulace zrychlení vyšších než 1 G navrhnout vhodnou metodu vyhodnocení míry sedimentace navrženou metodu otestovat sestrojit měřicí zařízení a sestavit měřicí řetězec připravit vzorky pro testování navrhnout časový plán dlouhodobé sedimentace

3 MATERIÁL A METODY

3 METODY A MATERIÁLY

3

3.1 Akcelerovaná sedimentace

3.1

K dosažení potřebného přetížení bude použita centrifuga schopná nasimulovat požadované přetížení. Do ní budou vloženy vzorky MR kapaliny a vystaveny přetížení. Následně bude sedimentace testovaných MR kapalin vyhodnocena pomocí metody zvlášť vytvořené pro tento test. 3.1.1 Testovací centrifuga K nasimulování podmínek přetížení byla použita testovací centrifuga MPW-340 (obr. 3.1).

3.1.1

Obr. 3.1 Testovací centrifuga s měřícími přístroji

Předběžné testy ukázaly na několik nedostatků této centrifugy a musela být proto modifikována v několika směrech. V následující části jsou tyto nedostatky formulovány a je uvedeno jejich řešení. 1) uchycení vzorků - centrifuga není uzpůsobena pro uchycení zkumavek se vzorky, vnitřní průměr testovacích nádob centrifugy je větší než průměr zkumavek na vzorky Řešení: Byly vyrobeny středící prvky z Ertacetalonu C o vnitřním průměru odpovídajícím zkumavkám (obr. 3.2) a jejich dno vypodloženo molitanem, aby nedošlo k poškození zkumavek vlivem nerovnoměrného zatížení oblého dna odstředivou silou. Kvůli vyvážení musí být v centrifuze umístěny minimálně dva vzorky naproti sobě.

strana

21


Obr. 3.2 Středící vložka

2) regulace otáček - původní zdroj napájení neumožňuje přesnou a plynulou regulaci otáček Řešení: Původní napájení bylo nahrazeno napájením ze dvou stabilních zdrojů, jeden je napojen na stator a druhý na rotor centrifugy. Bylo nutné otestovat nové zapojení a stanovit závislost dosažených otáček na napětí na rotoru při různých napětích na statoru (obr. 3.3). Výsledné charakteristiky vykazují lineární závislost. Při napětích na statoru 4,5 a 5 V vykazovala centrifuga při vyšším napětí na rotoru náhlý pokles otáček. Nejvyšších otáček bylo dosaženo s napětím na statoru 6 V.

Otáčky [min^-1]

Závislost otáček centrifugy na napětí na rotoru pro různá napětí na statoru 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Napětí na rotoru [V] 4,5V

5V

6V

Obr. 3.3 Graf závislosti otáček na napětí na rotoru

strana

22

24

26

28

30


3) měření otáček - původní ukazatel otáček neumožňuje přesné odečítání údaje Řešení: Na centrifugu byl umístěn magnetický stojánek s upevněným optickým snímačem otáček Omron ESF2-DS30B4-P1(obr. 3.4), jež snímá odrazy od reflexních pásek nalepených na čtyřech místech rotoru. Ukázalo se, že při vyšších otáčkách snímač reaguje nejenom na reflexní pásky, ale také na rotující zkumavky. Z tohoto důvodu musely být reflexní pásky i snímač umístěny blíže středu otáčení.

Obr. 3.4 Detail snímače otáček

Napětí zdroje centrifugy i měření otáček je napojeno do analyzátoru DEWE 50 a vyhodnoceno pomocí počítačového software Dewesoft. 3.1.2 Určení otáček pro dosažení požadovaného zrychlení

3.1.2

Testované vzorky budou vystaveny odstředivému zrychlení, jež simuluje v tomto případě kvazistatické zrychlení při startu vesmírného nosiče. Zrychlení je zde funkcí otáček a geometrie centrifugy (tzn. vzdálenosti vzorku od středu otáčení). Za určující hodnotu zrychlení bylo vzato zrychlení ve středu výšky sloupce MR kapaliny ve zkumavce tzn. zrychlení ve vzdálenosti rstř na obr. 3.5.

strana

23


Obr.3.5 Schéma centrifugy

Zrychlení bylo stanoveno pomocí vzorce: (8) astř [m.s-2] n [s-1] rstř [m]

-zrychlení ve středu sloupce -otáčky centrifugy -vzdálenost středu sloupce kapaliny od středu otáčení centrifugy

V tabulce 1 je uvedena hodnota otáček nutných k dosažení daného středního zrychlení pro určitou výšku MR kapaliny ve zkumavce. Tab.1 Závislost otáček při požadovaném zrychlení a dané výšce sloupce MR kapaliny

strana

24


3.1.3 Předběžné testování

3.1.3

Při předběžných testech akcelerované sedimentace v testovací centrifuze nedošlo, ani při dlouhodobém vystavení MR kapaliny několikanásobně většímu přetížení (40G), k zviditelnění výrazného a ostrého rozhraní mezi nosnou kapalinou a sedimentovanou MRF. Vznikl pouze slabý rozdíl mezi odstíny MRF v horní a dolní části zkumavky obr. 3.6. Kapalina byla v horní části řídká a jednoznačně šlo o nosnou kapalinu. Přítomnost železný částic ovšem způsobila její zabarvení a tudíž bylo nutné použít jiný způsob hodnocení míry sedimentace.

Obr.3.6 ACC sedimentace - po 22hod odstřeďování při 40G

Byla navržena metoda, jejíž princip spočívá v měření magnetické indukce při vertikálním průchodu vzorku magnetickým obvodem (obr. 3.7). Také bylo navrženo několik možností jak snímat měřené hodnoty. Rozhodujícím parametrem pro výběr metody je maximální citlivost na MR kapalinu. Pro předběžné testy byla použita kapalina MRHCCS4-A od společnosti Liquid Research Ltd.

strana

25


Obr. 3.7 Magnetický obvod se sekundární cívkou

První testovanou možností bylo umístění sekundární cívky na magnetický obvod (obr. 3.7) a následné snímání indukovaného napětí v této cívce. Porovnáváno bylo indukované napětí na sekundární cívce s přítomností MR kapaliny v magnetickém obvodu a bez ní. Testovány byly tři různé možnosti umístění sekundární cívky viz obr. 3.8.

Obr.3.8 Různé pozice sekundární cívky na magnetickém obvodě

Tabulka 2 ukazuje poměr indukovaného napětí s a bez MR kapaliny při různých pozicích sekundární cívky na magnetickém obvodě. Použita byla primární cívka o 1200 závitech a sekundární cívka o 151 závitech. Bylo zjištěno, že při nižším napětí na sekundární cívce je poměr mezi stavem bez MR kapaliny a s MR kapalinou větší. Napájení primární cívky je stejné pro všechny tři případy.

strana

26


Tab. 2 Poměr naměřených napětí pro různé pozice sekundární cívky Pozice sek. cívky 1 2 3 Napětí [V] bez MR kap. 0,392 0,535 0,925 Napětí [V] s MR kap. 0,480 0,606 0,975 Poměr 22% 13% 5%

Nejlepších hodnot tedy dosáhlo měření napětí na cívce v pozici jedna. Druhou testovanou možností bylo použití Hallovy sondy k měření magnetické indukce. Byly testovány dvě pozice sondy a to: 1) V mezeře mezi stěnou magnetického obvodu a testovaným vzorkem 2) V mezeře mezi rameny magnetického obvodu Umístění sondy v obou pozicích je patrné na obr. 3.9.

Obr. 3.9 Umístění Hallovy sondy v pozicích 1 a 2

Podobně jako u sekundární cívky i zde byly porovnány stav s přítomností MR kapaliny a bez přítomnosti MR kapaliny. V grafu na obr. 3.10 je poměr naměřených indukcí v pozici 1 pro různé hodnoty proudu na primární cívce. Při testech byl používán stejnosměrný proud, jelikož užití střídavého proudu vedlo k zahřívání magnetického obvodu.

strana

27


Poměr indukce s MR kapalinou a bez MR kapaliny 120%

poměr [%]

100% 80% 60% 40% 20% 0% 0

1 2 proud na primární cívce[A]

3

4

Obr. 3.10 Závislost poměru naměřené indukce s MR kapalinou a bez, na proudu

V pozici 1 se poměr naměřené indukce pohyboval okolo 85% v pozici 2 to bylo pouze 11%. Celkově se tedy ukázalo, že lepší metodou bude měření magnetické indukce Hallovou sondou, jelikož oproti měření napětí na sekundární cívce vykazuje tato metoda větší citlivost. Ze dvou testovaných pozic Hallovy sondy se ukázala jako vhodnější pozice 1. V testech se tedy pokračovalo s touto metodou. Dalším krokem bylo stanovení vhodného budícího proudu primární cívky. Opět bylo cílem dosáhnout co nejvyšší citlivosti obvodu na přítomnost MR kapaliny. To znamená, co možná největšího rozdílu měřených hodnot ve stavu s MR kapalinou a bez ní. Již při předchozím testování Hallovy sondy se ukázalo, že při nižším budícím proudu je poměr naměřených intenzit vyšší. Proto byl tento vliv podrobněji testován. Výsledky tohoto testování jsou na obr. 3.11.

poměr magnetické indukce s abez MR kapaliny

1,90

1,85

1,80

1,75

1,70

1,65 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

budící proud[A]

Obr. 3.11 Závislost poměru naměřené indukce, s MR kapalinou a bez, na budícím proudu podrobnější

strana

28


Bylo tedy prokázáno, že čím nižší je budící napětí tím vyšší je poměr magnetické indukce. Závislost je téměř hyperbolická, pro nízké budící proudy menší než 1A hodnota poměru výrazně narůstá. Na druhou stranu je nutné zvolit takový proud, který vyvolá magnetickou indukci měřitelnou v rozsahu teslametru F.W.Bell 5180. Byla použita příčná sonda STD18-0404. Po zvážení obou faktorů byl zvolen budící proud 0,104 A použitý pro všechna pozdější měření. 3.1.4 Měřící stand

3.1.4

Navržená metoda byla tedy otestována a potvrzena jako vhodná. Pro tuto metodu byl navržen a následně sestaven měřící stand. Nákres principu metody je na obr. 3.12.

Obr. 3.12 Princip metody měření akcelerované sedimentace

Konstrukce standu Konstrukce standu byla navržena tak, aby umožnila co nejlepší opakovatelnost měření a zajistila co možná nejpřesnější výsledky. Základem je nosná konstrukce z hliníkových profilů BOSCH-REXROTH 45x45 mm. Dále jsou použity jiné většinou hliníkové profily a tyče. Stand se skládá z několika základních částí: a) b) c) d) e)

nosné konstrukce magnetického obvodu výtahu elektromotoru se spojkou a pohybovým šroubem elektrického obvodu se spouštěcím spínačem a dorazy

strana

29


Na obr. 3.13 je model měřicího standu vymodelovaný v programu Autodesk Inventor 2014.

Obr. 3.13 Měřící stand

Magnetický obvod Magnetický obvod (patrný na obr. 3.13) je vyroben z ocelové tyče čtvercového průřezu o rozměrech 15x15 mm. Má tvar obdélníku o rozměrech 135x100 mm. V jedné jeho delší straně je okruh přerušen a je zde otvor pro průchod testovaných vzorků. Skládá se ze čtyř dílů: hlavního ramene na němž je cívka, bočních ramen a dvou předních ramen. Jednotlivé díly jsou k sobě přišroubovány šrouby M6. Pro testování různých vzorků (jiný průměr zkumavky/odměrného válce) musí být tento otvor upraven (zvětšen/zmenšen). Toho je docíleno výměnou jednoho z předních ramen. Vzduchová mezera mezi stěnou obvodu a testovaným vzorkem musí být co nejmenší.Čím je větší tím menší je hodnota magnetické indukce naměřená sondou. Na jednom otevřeném konci je umístěna Hallova sonda sloužící k měření magnetické indukce. Upevnění sondy je realizováno tenkými plechy (tloušťky 0,6 mm), z nichž je vytvořeno pouzdro o rozměrech 10x4 mm odpovídajících rozměry sondě a umožňující jednoznačné ustavení sondy v měřicí poloze (obr. 3.14).

strana

30


Obr. 3.14 Umístění Hallovy sondy

Na magnetickém obvodu je umístěna cívka z měděného vinutého drátu (průměr drátu 1,25 mm) o 1200 závitech navinutých na plastové kostře. Napětí do cívky je přiváděno ze stabilizovaného zdroje Manson SDP2603. Vliv velikosti budícího proudu cívky na citlivost měření byl zhodnocen při předběžných testech. Zvolen byl proud 0,104 A. Měření proudu je realizováno pomocí měření napětí na odporu zapojeném sériově s cívkou (obr. 3.15) tzv. měření bočníkem. K měření napětí je použit napěťový vstup sběrnice dat Dewe-50-USB2. L

0,1 Ω

Obr. 3.15 Schéma zapojení cívky magnetického obvodu

strana

31


Konstrukce a pohon výtahu Na hlavní konstrukci jsou vertikálně upevněny vodící tyče z leštěné oceli, které slouží pro pohyb výtahu s testovaným vzorkem. Vodící tyče jsou umístěny v lineárních vedeních. Výtah je poháněn pomocí pohybového trapézového šroubu a napevno uchycené matice, rotace šroubu je zajištěna 12V elektromotorem umístěným v horní části zařízení. Šroub je k motoru upevněn pomocí spojky. Pomocí mikrospínačů a elektrického relé s třemi přepínacími kontakty byl vytvořen elektrický obvod (obr. 3.16). Princip funkce obvodu je následující: Spouštěcí tlačítko (1) přemosťuje spodní doraz (2), který je ve výchozí poloze (výtah dole) rozpojen. Po jeho stisknutí dojde k propojení obvodu. Motor se začne otáčet, výtah se pohybuje směrem nahoru. Tím se uvolní tlak na spodní doraz a tlačítko (2) se sepne. Výtah se pohybuje směrem nahoru, až narazí na vrchní doraz (3). Vrchní doraz se sepne a cívka relé se zapne a přepne polaritu kontaktů na motoru. Výtah se začne pohybovat směrem dolů. Cívka zůstane aktivní i po rozepnutí vrchního dorazu (3), protože doraz je přemostěn přepínacím kontaktem relé. Jakmile výtah opět narazí na spodní doraz, obvod je rozpojen.

Obr. 3.16 Schéma zapojení ovládacího obvodu měřícího standu (1) spouštěcí tlačítko, (2) spodní doraz, (3) vrchní doraz, (4) cívka relé

Výtah je poháněn stabilizovaným zdrojem Manson NSP3630. Pro pohon je nastaveno napětí 11,06 V.

strana

32


Uchycení testovaných vzorků Pro opakovatelnost měření je nezbytné jednoznačné uchycení testovaných vzorků v měřícím zařízení. K zajištění polohy vzorku slouží kruhové vedení (obr. 3.17) z plastu Ertacetal C, jedná se o dutý válec s vnitřním průměrem odpovídajícím vnějšímu průměru vzorku. Toto vedení je umístěno nad magnetickým okruhem , tak aby jeho osa procházela středem mezery magnetického obvodu. K nosné konstrukce je uchyceno dvojicí vertikálně umístěných šroubů M4.

Obr.3.17 Vedení pro centrifugační zkumavky

strana

33


3.1.5

3.1.5 Měřící řetězec standu Měřící řetězec (obr. 3.18) se skládá z těchto přístrojů a zařízení: o o o o o

Měřicí stand Stabilizovaný zdroj napětí Tesla metr Laserový měřič vzdálenosti Analyzátor dat DEWE-50-USB2

Obr.3.18 Měřící řetězec

Teslametr Magnetická indukce v obvodu je měřena pomocí Teslametru F.W.Bell 5180 s Hallovou sondou STD18-0404. Sonda využívá tzv. Hallova jevu, jež spočívá ve vychylování nabitých častic magnetickým polem a následném měření vzniklého Hallova napětí. Přístroj je kalibrován před každým měřením a jeho měřící rozsah je nastaven na nejcitlivější hodnotu. Aktivní měřicí oblastí je posledních 5 mm sondy, proto je sonda umístěna v magnetickém obvodu tak, aby byl střed této oblasti ve středu průřezu magnetickým obvodem.

strana

34


Stabilizovaný zdroj

Obr. 3.19 Zdroj napájení cívky [19]

K napájení cívky byl použit stabilizovaný zdroj Manson SDP 2603 (obr. 3.19). Rozsah výstupního napětí je 1-60 V a rozsah výstupního proudu 0-3 A. Laserový snímač vzdálenosti Byl použit snímač Baumer OADM 20U2472/S14C (obr. 3.18). Snímač je upevněn ve spodní části standu a snímá výtah zespodu. Je napájen napětím 12V z analyzátoru Dewetron. Rozsah měřitelné vzdálenosti je 50-300 mm. Rozlišení je udávané výrobcem v závislosti na měřené vzdálenosti 0,01-0,33 mm a maximální odchylka 0,031 mm.

Obr. 3.20 Laserový měřič vzdálenosti[20]

Analyzátor dat Všechna data o měření jsou zpracována pomocí analyzátoru dat Dewe-50-USB2-8 od firmy DEWETRON. Analyzátor je propojen s počítačem, na němž běží program Dewesoft v7.1 ve kterém jsou data vyhodnocena. Uživatelské rozhraní programu je na obr. 3.21. Zapojeny jsou tři vstupní kanály:   

kanál 0 - laserový měřič vzdálenosti kanál 4 - teslametr kanál 7 - napětí na bočníku

strana

35


Obr. 3.21 Uživatelské rozhraní Dewesoft

V režimu měření jsou zobrazeny a zaznamenány údaje o naměřené indukci, poloze a proudu v cívce. Poloha je pomocí matematického kanálu přepočítána, aby odpovídala dráze kterou urazí testovaný vzorek (tzn. od měřené polohy je odečtena minimální poloha). Byly také nastaveny triggerovací body pro zapnutí a vypnutí ukládání měření. 3.1.6

3.1.6 Příprava vzorků pro akcelerovanou sedimentaci V režimu akcelerované sedimentace budou testovány tyto kapaliny: Výrobce: LORD Corporation: o MRF-122 CG o MRF-132 DG o MRF-140 CG Liquids research o MRHCCS4-A o MRHCCS4-B Čínský producent HaoHua: o HaoHua 2.55 o HaoHua 3.05 o HaoHua 3.55

strana

36

Obr. 3.22 Vzorek pro akcelerovanou sedimentaci


Kapaliny jsou dodávány v neprůhledných zásobních láhvích o objemu 1 L. Před testováním byla každá kapalina důkladně promíchána po dobu 10 minut, aby byl odstraněn sediment vzniklý dlouhodobým uskladněním. Při testech byly použity cejchované centrifugační zkumavky o průměru 30 mm a výšce 110 mm s kulatým dnem a stěnách 1,5 mm silných. Aby byla šířka sloupce kapaliny stejná ve všech místech, bylo jejich dno zalito voskem po rysku 5 ml, čímž vznikl válcový prostor z rovným dnem. Do takto připravených zkumavek bylo nalito 40 ml MR kapaliny. Výška sloupce MR kapaliny je tedy 67 mm. Připraveny jsou vždy 4 vzorky (obr. 3.22).

strana

37


3.2

3.2 Dlouhodobá sedimentace při 1G

3.2.1

3.2.1 Příprava vzorků a postup měření V režimu dlouhodobé sedimentace byly testovány tyto kapaliny: Výrobce: LORD Corporation: o MRF-122 CG o MRF-132 DG o MRF-140 CG Liquids research o MRHCCS4-A o MRHCCS4-B Čínský producent HaoHua: o HaoHua 2.55 o HaoHua 3.05 o HaoHua 3.55 Postup přípravy Od každé kapaliny byl připraven jeden vzorek odlitím 100 ml MR kapaliny do odměrného válce o vnitřním průměru 28 mm. Vzorek byl následně zazátkován pryžovým špuntem, aby bylo zabráněno oxidaci a znečištění MR kapaliny. Od každého typu MRF byl připraven jeden vzorek (obr. 3.23).

Obr. 3.23 Vzorky MR kapaliny pro dlouhodobou sedimentaci

strana

38


Postup měření dlouhodobé 1G sedimentace V rámci dlouhodobé sedimentace byla pozornost zaměřena na nejjasněji viditelný projev sedimentace, a to vznik rozhraní mezi nosnou kapalinou a sedimentem. Vzdálenost tohoto rozhraní byla měřena přesným pravítkem viz obr. 3.24 vždy jako vzdálenost od rysky 90 ml, respektive 80 nebo 70 ml (v závislosti na výšce vyloučené kapaliny). Měření bylo prováděno každý den po dobu 6ti dní, poté bylo prováděnou jedenkrát za 2-3 dny. Každý vzorek byl také proměřen na měřicím standu, a to před začátkem dlouhodobého testování (etalonový vzorek), poté po 1000 hod., po 1458 hod. a nakonec po 2538 hod. sedimentace.

Obr. 3.24 Způsob měření sedimentu

3.2.2. Úpravy měřicího standu

3.2.2

Pro měření vzorků dlouhodobé sedimentace musely být provedeny úpravy měřícího standu:  Vedení vzorků zkumavek bylo vyměněno za vedení pro odměrné válce (obr.3.25)

Obr. 3.25 Vedení pro testování odměrných válců

strana

39


Vedení pro odměrné válce se skládá ze dvou částí. Zadní část je napevno uchycena k standu, zatímco přední část je odnímatelná pomocí dvou šroubů M4. Při výměně testovaných válců se odstraní přední část a válce se vymění. Nový válec je následně předním dílem zajištěn ve své poloze. Mezi oběma díly jsou nalepeny podložky aby nedošlo k sevření válce a tím zamezení jeho pohybu. Na vnitřním průměru je také vytvořena drážka pro zasunutí Hallovy sondy. Vnější průměr vedení je 70 mm a vnitřní průměr 32 mm. 

Byly posunuty dorazy (mikrospínače) výtahu tak, aby byl magnetický obvod na začátku měření nad hladinou MR kapaliny a aby se dno odměrného válce dostalo co nejblíže k magnetickému obvodu.



Rameno magnetického obvodu bylo vyměněno za kratší tak, aby vznikla dostatečně velká mezera pro odměrný válec.

3.3

3.3 Metody analýzy naměřených dat

3.3.1

3.3.1 Analýza dat akcelerované sedimentace

Magnetická indukce [mT]

Data získaná z měřicího řetězce popsaného v kapitole 3.1.5 jsou vyexportována z programu Dewesoft do Excelu ve formě závislosti magnetické indukce na poloze (příklad takových dat je na obr. 3.26). Měření každého vzorku bylo provedeno třikrát, z těchto dat byla vybrána jedna sada dat, dále použitá pro vyhodnocení. Data jsou seřazena a indukce je zprůměrována plovoucím průměrem přes 20 hodnot. 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8

0 min 60 min

0

20

40

60

80

100

Poloha [mm] Obr. 3.26 Naměřená data bez korekce

Jak je z obrázku patrné srovnávaná data se liší počáteční magnet. indukcí (offsetem) a tvar křivek je také zkreslen. Bylo odzkoušeno, že kvůli remanenci vykazuje magnetický obvod po vypnutí a opětovném zapnutí odlišné hodnoty indukce. Odchylky jsou v jednotkách mT. Při běžném měření nejsou tyto rozdíly podstatné. Avšak výsledky měření sedimentace ve velmi malém magnetickém poli jsou na tyto změny extrémně citlivé. Jednotlivé křivky musí být tedy zkorigovány. strana

40


Korekce vychází z předpokladu, že plochy pod křivkou magnetické indukce musí být (po odečtení indukce bez vzorku - offsetu) stejné, jelikož se pohybujeme v lineární oblasti a částice v MR kapalině se nikam neztrácejí ani nepřibývají, pouze mění svou polohu. Postupovalo se tedy následovně: Od výsledných hodnot byla nejprve odečtena hodnota magnetické indukce ve stavu bez přítomnosti vzorku (offset). Data po odečtu offsetu jsou na obr. 3.28.


9 8 7 6 5

5 min

4

10 min

3

15 min

2 1 0 0

20

40

60

80

100

Poloha [mm] Obr. 3.28 Naměřená data po odečtení offsetu

Dále byly numerickou integrací spočteny obsahy ploch pod křivkami a tyto obsahy byly porovnány s obsahem plochy pod křivkou etalonového vzorku (tj. vzorek změřený ihned po připravení, bez odstředění na centrifuze). Obsah plochy etalonu a vzorku byl podělen. Vzniklým korekčním číslem byly vynásobeny hodnoty indukce vzorku. Graf hodnot po korekci je na obr. 3.28. Data začínají a končí ve stejných bodech a dají se jednoduše porovnávat.


9 8 7 6 5 4

0 min

3

60 min

2 1 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Poloha [mm] Obr. 3.28 Naměřená data po korekci

strana

41


3.3.2

3.3.2 Analýza dat dlouhodobé sedimentace Měření na standu V programu Matlab byl vytvořen skript pro zpracování dat. Tento skript načte data z Dewesoftu, poté odečte offsetovou indukci a data zprůměruje. Podobně jako u dat akcelerované sedimentace je pak porovnána plocha pod křivkami (plocha je numericky integrována) a data jsou upravena tak, aby plocha pod nimi byla vždy stejná. Upravená data jsou vykreslena pro každou kapalinu vždy do jednoho grafu. Metoda měření výšky rozhraní Naměřené vzdálenosti rozhraní v závislosti na čase byly zaneseny do tabulky a porovnány s původní hladinou vznikla tak procentuální závislost výšky rozhraní na čase. Data jsou porovnána v grafech dle výrobce kapalin.

strana

42

4 VÝSLEDKY

4 VÝSLEDKY 4.1 Akcelerovaná sedimentace

4 4.1

Testování při zatížení 6 G, čemuž odpovídá 253 ot./min na centrifuze. Testovány byly dva vzorky kapaliny MRF-132DG (označení vz. 1 a vz. 2). Metodika zpracování dat je popsána v předchozí kapitole. Na obr. 4.1 je graf sedimentace vzorku 1 pro různé časy odstřeďování od 0 po 180 minut. Pro odstřeďování do 30ti minut bylo také provedeno podrobnější měření po 5ti minutách, tento podrobnější test je zobrazen na obr. 4.2. Stejně je vyhodnocen i vzorek 2 na obr. 4.3 a 4.4. Ostatní kapaliny nebyly, kvůli velkému objemu práce při vývoji standu, změřeny. Budou doměřeny a výsledky budou dodány k obhajobě práce.

strana

43

4 VÝSLEDKY

Kapalina LORD MRF-132DG vz.1:

Akcelerovaná sedimentace MRF-132DG vz.1

9 8


7 6 5 4 3 2 1 0 0

10

20

30

40

50

60

Poloha [mm] 30 min 180 min

0 min 150 min

70

80

90

60 min hladina

100 90 min dno

Obr. 4.1 Graf akcelerované sedimentace MRF-132DG vz.1 pro 0-180 min

Akcelerovaná sedimentace MRF-132DG vz.1 9

MAgnetická indukce [mT]

8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

10

20

30

40 50 60 Poloha vzorku [mm]

70

0 min

5 min

10 min

15 min

20 min

180 min

hladina

dno

80


strana

44

90

100

4 VÝSLEDKY

Kapalina LORD MRF -132DG vz.2:


9


8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

10

20

0 min

30

30 min


60 min

90 min

70

180 min

80

90

hladina

100 dno



9


8 7 6 5 4 3 2

1 0 0

10

20

30


70

80

90

0 min

5 min

15 min

20 min

30 min

180 min

hladina

dno

100


strana

45

4 VÝSLEDKY

4.2

4.2 Dlouhodobá sedimentace Výsledky hodnocené metodou měření výšky rozhraní sediment - nosná kapalina jsou zobrazeny na obrázcích 4.5-4.7. Na ose y je procentuálně vyjádřena změna výšky rozhraní oproti původní výšce (100%), na ose x je pak čas v hodinách. Sedimentace kapalin LORD

105% 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70%

MRF-122 EG

65%

MRF-132 DG MRF-140 CG

60% 55% 0

500

1000

1500

2000

2500

3000 3500 čas [hod]

Obr. 4.5 Sedimentace kapalin LORD - měření výšky rozhraní, vpravo testované vzorky

Sedimentace kapalin Liquid Research

105% 100% 95% 90% MRHCCS4-A

85%

MRHCCS4-B

80% 0

500

1000

1500

2000

2500

3000 3500 čas [hod]

Obr. 4.6 Sedimentace kapalin Liquid Research - měření výšky rozhraní, vpravo testované vzorky

strana

46

4 VÝSLEDKY

105%

Sedimentace kapalin Hao-Hua 100% 95% 90% Hao Hua 2.55

85%

Hao Hua 3.05 Hao Hua 3.55

80% 0

500

1000

1500

2000

2500

3000 3500 čas [hod]

Obr. 4.7 Sedimentace kapalin HaoHua - měření výšky rozhraní, vpravo testované vzorky

Měření magnetické indukce na standu Na obrázcích 4.8- 4.14 jsou výsledky dlouhodobé sedimentace měřené na měřicím standu. |Kapalina MRF-140CG nebyla pro velký objem práce vyhodnocena.

Obr. 4.8 Sedimentace kapaliny HaoHua 2.55

strana

47

4 VÝSLEDKY



strana

48

4 VÝSLEDKY

Obr. 4.11 Sedimentace kapaliny MRHCCS4-A

Obr. 4.12 Sedimentace kapaliny MRHCCS4-B

strana

49

4 VÝSLEDKY

Obr. 4.13 Sedimentace kapaliny MRF-122EG

Obr. 4.14 Sedimentace kapaliny MRF-132DG

strana

50

5 DISKUZE

5 DISKUZE 5.1 Akcelerovaná sedimentace

5 5.1

Z naměřených hodnot akcelerované sedimentace jasně vyplývá, že u testovaných vzorků nedochází k výraznějším projevům sedimentace, ani při vystavení vzorků přetížení 6 G po dobu 30-ti minut. Do této hodnoty se křivky (0 min, 5 min, 10 min, 15 min, 20 min ) víceméně překrývají a vzniklé odchylky lze přisoudit nikoliv sedimentaci, ale spíše malé tuhosti upevnění vzorku a změnám v umístění sondy a vzorku. Ostré přechody mezi magnetickými a nemagnetickými složkami (MR kapalina dno/vzduch) jsou částečně vyhlazeny, jelikož magnetický obvod má šířku 15 mm, proto je nárůst magnetické indukce plynulý a ne ostrý. Po počátečním nárůstu je mag. indukce po jistou vzdálenost konstantní, což odpovídá rovnoměrné hustotě MR kapaliny. Křivka 30 minut u vzorku 4, již vykazuje málo výrazný pokles v horní části vzorku a nárůst u dna, vzorek 3 však tuto změnu ještě nevykazuje. Při delším vystavování vzorku přetížení 6 G, se začne sedimentace projevovat u obou vzorků. Dochází k poklesu indukce u hladiny MR kapaliny a naopak k nárůstu hodnot u dna, což jednoznačně svědčí o úbytku koncentrace feromagnetických částic v horní části vzorku a jejich sedimentaci u dna. Rozdíl v nejvyšších hodnotách magnetické indukce mezi etalonovým vzorkem a vzorkem odstřeďovaným po dobu 180ti minut činil 8%. Dá se očekávat, že při delším testování by byl úbytek magnetické indukce u hladiny výraznější jelikož by došlo k dalšímu úbytku částic. Indukce u dna by naopak narůstala, až by dosáhla určité maximální hodnoty- odpovídající minimálnímu prostorovému uspořádání částic. Celkově lze říci, že sedimentace u testovaných vzorků se projevuje při zatížení 6 G po době delší než 30 minut. Problém s počáteční indukcí (offsetem) je nejspíš způsoben poměrně vysokou magnetickou remanencí oceli, z níž je magnetický obvod vyroben. Pokaždé když je napájení cívky vypnuto a zapnuto změní se hodnota počáteční magnetické indukce. Řešením by bylo vyrobit obvod z materiálu vykazujícího nízkou remanenci například z Behanitu (0,02% C). Zlepšení měřících vlastností standu by mohlo být také dosaženo zlepšením upevnění vzorků a plynulosti pohybu výtahu.

5.2 Dlouhodobá sedimentace

5.2

U dlouhodobé sedimentace je z porovnání grafů na obr. 4.5-4.7 patrné, že nejrychleji sedimentuje kapalina MRF-122EG u které tvoří sediment 60% celého objemu MR kapaliny. Tato kapalina má z kapalin LORD nejnižší obsah Fe částic. Hustější kapaliny LORD sedimentují pomaleji. Tento rozdíl rychlostí sedimentací v závislosti na hustotě kapalin je u kapalin LORD v porovnání s ostatními výrobci nejvýraznější. U kapalin MRF-122EG a MRF-132DG se konce křivek začínají zalamovat (obr. 5.1), to pravděpodobně znamená, že kapaliny dosáhly maximální hustoty.

strana

51

5 DISKUZE

Obr. 5.1 Zalomení křivek v oblasti maximální hustoty

Rychlost sedimentace obou kapalin Liquid Research probíhá srovnatelně rychle, o něco rychleji sedimentuje MRHCCS4-B. Rychlost je srovnatelná s nejhustější kapalinou LORD (MRF-140CG). Kapaliny producenta HaoHua sedimentují nejpomaleji. HaoHua 2.55 dosáhla nejlepších sedimentačních vlastností ze všech porovnávaných MR kapalin. Za 3122 hod sledování se u ní vyloučila nosná kapaliny jen v 4,3 % objemu vzorku. Grafy vyhodnocení sedimentace na měřicím standu (obr. 4.8-4.14) korespondují s hodnotami naměřenými pravítkem. Obecně můžeme v těchto grafech pozorovat posun křivek počátečního nárůstu směrem ke dnu, což odpovídá vyloučení nosné kapaliny na povrchu vzorku. Poté je indukce konstantní. S rostoucím časem však dochází k nárůstu indukce v této konstantní oblasti, odpovídajícímu zhoustnutí sedimentující kapaliny. U dna pozorujeme region s postupným nárůstem indukce, jak se částice usazují a tvoří se sediment. Tento region je ovlivněn rozhraním MR kapalina-dno válce a proto je zde u etalonových vzorků nižší indukce než v konstantní oblasti. V tabulce 3 jsou uvedeny maximální hodnoty indukce u měřených kapalin. Tab.3 Maximální hodnota indukce při dlouhodobé sedimentaci (po korekci dat)

strana

52

MR Kapalina

max. indukce [mT]

HaoHua2.55 HaoHua 3.05 HaoHua 3.55 MRHCCS4-A MRHCCS4-B MRF-122EG MRF-132DG

2,87248 3,56753 4,28636 2,41704 3,80845 4,38745 4,31165

6 ZÁVĚR

6 ZÁVĚR

6

Hlavním cílem práce bylo stanovit míru sedimentace MR kapalin při kvazistatickém přetížení 1-6 G. Po prozkoumání možností a předběžných testech bylo rozhodnuto o vyvinutí vlastní metody hodnocení sedimentace na základě měření magnetické indukce. Pro tuto metodu byl vyvinut měřicí stand, který byl úspěšně otestován. Přetížení bylo nasimulováno na centrifuze k tomu zvlášť upravené. Dlouhodobá sedimentace byla vyhodnocena pomocí dvou metod. Vzhledem k náročnosti vývoje, konstrukce a testování standu nebyly v režimu akcelerované sedimentace změřeny všechny požadované vzorky kapalin, ale pouze jedna - MRF-132DG ve dvou vzorcích. Ta vykázala stability po dobu 30ti minut při zatížení 6 G. Bude-li tato kapalina použita v tlumičích vibroizolační plošiny, nepředpokládá se, že by doba vystavení přetížení byla delší než 30 minut (max.1,5 min provozu). Kapalina je tedy z hlediska sedimentace vyhovující. Při dlouhodobé sedimentaci měly nejlepší stabilitu kapaliny HaoHua. Sedimentace za zvýšené teploty nebyla testována z důvodu přílišného objemu práce. Cíle práce vytyčené v kapitole 2 tedy byly splněny, navíc byla vyvinuta zcela nová metoda hodnocení sedimentace MR kapalin včetně měřícího přístroje. Další pokračování výzkumu by se mohlo ubírat následujícími směry:  proměření zbývajících kapalin  měření za zvýšených teplot  snímky části z elektronového mikroskopu (SEM)  FTIR analýza nosné kapaliny pro zjištění jejího složení  ACC sedimentace při vyšším G s následovným přiřazením výsledků k výsledkům sedimentace při 1 G

strana

53

7 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ

7

7 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] J. Rabinow, Themagnetic fluid clutch, AIEETrans.67(1948)1308-1315. [2] M.T. Lopez-Lopez, P. Kuzhir, S. Lacis, G. Bossis, F. Gonzalez-Caballero, J.D.G. Duran, Magnetorheology for suspensions of solid particles dispersed in ferrofluids, J. Phys.:Condens.Mater18 (2006) s2803–s2813. [3] S.E. Premalatha R. Chokkalingam, M. Mahendran, Magnetomechanical properties of iron based MR fluids, Am. J. Polym. Sci.2 (4) (2012)50–55. [4] GENÇ, Seval a Pradeep P PHULÉ. Rheological properties of magnetorheological fluids. Smart Materials and Structures. 2002-02-01, vol. 11, issue 1, s.140-146.DOI: 10.1088/0964-1726/11/1/316. Dostupné z: http://stacks.iop.org/09641726/11/i=1/a=316?key=crossref.67e726d72611e12 ddcec796655a6e0d2 [5] LORD Corporation - Adhesives, Coatings, Vibration and Motion Control, and Magnetically Responsive [online]. Dostupné z URL: [cit. 24.4.2015]. [6] NOVÁČEK, V. Technologie výroby Magnetoreologických kapalin. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 40 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jakub Roupec. [7] ROUPEC, Jakub. Mezní a degradační procesy magnetoreologických tlumičů odpružení. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, 2011. [8] ASHTIANI, M., S.H. HASHEMABADI a A. GHAFFARI. A review on the magnetorheological fluid preparation and stabilization. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2015, vol. 374, s. 716-730. DOI: 10.1016/j.jmmm.2014.09.020. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0304885314008403 [9] IGLESIAS, G.R., L. Fernández RUIZ-MORÓN, J. Insa MONESMA, J.D.G. DURÁN a A.V. DELGADO. An experimental method for the measurement of the stability of concentrated magnetic fluids. Journal of Colloid and Interface Science. 2007, vol. 311, issue 2, s. 475-480. DOI: 10.1016/j.jcis.2007.03.063. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0021979707003864 [10] AZEMA, N. Sedimentation behaviour study by three optical methods — granulometric and electrophoresis measurements, dispersion optical analyser. Powder Technology. 2006, vol. 165, issue 3, s. 133-139. DOI: 10.1016/j.powtec.2005.10.015.Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0032591006001240

strana

54

7 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ

[11] MARIN LITA. Characterization of sedimentation and high magnetic field flow behavior of some magnetorheological fluids. Journal of Physics: Conference Series [online]. 2009, roč. 149, č. 1, s. 012071 [cit. 2015-0505]. DOI: 10.1088/1742-6596/149/1/012071. [12] IGLESIAS, G. R., M. T. LÓPEZ-LÓPEZ, A. V. DELGADO a J. D. G.

DURÁN. 2011. Description and performance of a fully automatic device for the study of the sedimentation of magnetic suspensions.Review of Scientific Instruments. 82(7): 073906-. DOI: 10.1063/1.3609228. ISSN 00346748. [13] J.C.M. Garnett, Philos. Trans. R. Soc. London 203 (1904) 385. [14] ZIPSER, L., L. RICHTER a U. LANGE. Magnetorheologic fluids for actuators. Sensors and Actuators A: Physical. 2001, vol. 92, 1-3, s. 318-325. DOI: 10.1016/S0924-4247(01)00590-8. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0924424701005908 [15] CHEN, Xi, Xiaoqiang ZHU, Zeyu XU, Yuanchang LIN a Guotian HE. The research of the conductive mechanism and properties of magnetorheological fluids. Physica B: Condensed Matter. 2013, vol. 418, s. 32-35. DOI: 10.1016/j.physb.2013.02.042.Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0921452613001373 [16] LIM, Sung Taek, Min Seong CHO, In Bae JANG a Hyoung Jin CHOI. Magnetorheological characterization of carbonyl iron based suspension stabilized by fumed silica. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2004, vol. 282, s. 170-173. DOI: 10.1016/j.jmmm.2004.04.040. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0304885304004391 [17] DUCROS, D.. esa.int [online]. [cit. 10.5.2015]. Dostupný na WWW: http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2011/03/NGL_concept [18] GORODKIN, S. R., W. I. KORDONSKI, E. V. MEDVEDEVA, Z. A. NOVIKOVA, A. B. SHOREY a S. D. JACOBS. 2000. A method and device for measurement of a sedimentation constant of magnetorheological fluids. Review of Scientific Instruments. 71(6): 2476-. DOI: 10.1063/1.1150638. ISSN 00346748. Dostupné také z: http://scitation.aip.org/content/aip/journal/rsi/71/6/10.1063/1.1150638 [19]MANSON [online]. Dostupné z URL: [cit. 16.5.2015]. [20] WALKER INDUSTRIAL [online]. Dostupné z URL: [cit.16.5.2015]

strana

55

8 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK 8

8 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK MR ACC FLPP ESA FTIR SEM L [H] N [-] µ0 [H.m-1] µr [-] S [m2] l [m] f [Hz] φ [-] u [m.s-1] g [m.s-2] µ [Pa.s] a [m] u [m.s-1] n [s-1] x [m] R0[m] l [m] Lmax [H] L0 [H] L [H] τo [MPa]

strana

56

- magnetoreologický - accelerated (akcelerovaná) - Future launcher preparation programme - Evropská vesmírná agentura - Fourier transform infrared (spectroscopy) - Scanning electron microscope (rastrovací elektronový mikroskop) - indukčnost - počet závitů - permeabilita vakua - relativní permeabilita - obsah průřezu cívky - délka cívky - rezonanční frekvence - objemová koncentrace (objemový zlomek) - sedimentační rychlost - gravitační zrychlení - dynamická viskozita - poloměr částic - rychlost prodění relativně k částicím - otáčky centrifugy - vzdálenost kterou částice urazí za čas t - počáteční vzdálenost částic od středu otáčení - délka cívky - indukčnost na začátku měření - indukčnost cívky bez MR kapaliny - indukčnost cívky - mez kluzu ve smyku

9 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK


9

OBRÁZKY: Obr.1.1 Nový vesmírný nosič - koncept ESA [17] Obr.1.2 Tlumící systém vojenského vozidla Hummer [5] Obr.1.3 Snímek feromagnetických částic v nosné kapalině (snímek elektronovým mikroskopem) [14] Obr.1.4 Fáze magnetizace MR kapaliny.[15] Obr.1.5 Hodnocení sedimentace přístrojem Turbiscan [10] Obr.1.6 Intenzita rentgenového záření a odpovídající hustota po 1, 2,3 a 4 týdnech Obr.1.7 Metoda měření sedimentace měřením změny indukčnosti [9] Obr.1.8 Závislost objemové koncentrace částic na vzdálenosti od dna vzorku, pro různé časy sedimentace Obr.1.9 Měřící zařízení podle Gorodkina [18] Obr.3.1 Testovací centrifuga s měřicími přístroji Obr.3.2 Středící vložka Obr.3.3 Graf závislosti otáček na napětí na rotoru Obr.3.4 Detail snímače otáček Obr.3.5 Schéma centrifugy Obr.3.6 ACC sedimentace - po 22 hod. odstřeďování při 40 G Obr.3.7 Magnetický obvod se sekundární cívkou Obr.3.8 Různé pozice sekundární cívky na magnetickém obvodě Obr.3.9 Umístění Hallovy sondy v pozicích 1 a 2 Obr.3.10 Závislost poměru naměřené indukce s MR kapalinou a bez, na proudu Obr.3.11 Závislost poměru naměřené indukces MR kapalinou a bez, na budícím proudu - podrobnější Obr.3.12 Princip metody měření akcelerované sedimentace Obr.3.13 Měřící stand Obr.3.14 Umístění Hallovy sondy Obr.3.15 Schéma zapojení cívky magnetického obvodu Obr.3.16 Schéma zapojení ovládacího obvodu měřícího standu Obr.3.17 Vedení pro centrifugační zkumavky Obr.3.18 Měřící řetězec Obr.3.19 Zdroj napájení cívky [19] Obr.3.20 Laserový měřič vzdálenosti[20] Obr.3.21 Uživatelské rozhraní Dewesoft Obr.3.22 Vzorek pro akcelerovanou sedimentaci Obr.3.23 Vzorky MR kapaliny pro dlouhodobou sedimentaci Obr.3.24 Způsob měření sedimentu Obr.3.25 Vedení pro testování odměrných válců Obr.3.26 Naměřená data bez korekce Obr.3.27 Naměřená data po odečtení offsetu

strana

57


Obr. 3.28 Naměřená data po korekci Obr. 4.1 Graf akcelerované sedimentace MRF-132DG vz.1 pro 0-180 min Obr. 4.2 Graf akcelerované sedimentace MRF-132DG vz.1 pro 0-30 min Obr. 4.3 Graf akcelerované sedimentace MRF-132DG vz.2 pro 0-180 min Obr. 4.4 Graf akcelerované sedimentace MRF-132DG vz.2 pro 0-180 min Obr. 4.5 Sedimentace kapalin LORD - měření výšky rozhraní, vpravo testované vzorky Obr. 4.6 Sedimentace kapalin Liquid Research - měření výšky rozhraní, vpravo testované vzorky Obr. 4.7 Sedimentace kapalin HaoHua - měření výšky rozhraní, vpravo testované vzorky Obr. 4.8 Sedimentace kapaliny HaoHua 2.55 Obr. 4.9 Sedimentace kapaliny HaoHua 3.05 Obr. 4.10 Sedimentace kapaliny HaoHua 3.55 Obr. 4.11 Sedimentace kapaliny MRHCCS4-A Obr. 4.12 Sedimentace kapaliny MRHCCS4-B Obr. 4.13 Sedimentace kapaliny MRF-122EG Obr. 4.14 Sedimentace kapaliny MRF-132DG Obr. 5.1 Zalomení křivek v oblasti maximální hustoty TABULKY: Tab. 1 Závislost otáček při požadovaném zrychlení a dané výšce sloupce MR kapaliny Tab. 2 Poměr naměřených napětí pro různé pozice sekundární cívky Tab.3 Maximální hodnota indukce při dlouhodobé sedimentaci (po korekci dat)

strana

58

SEDIMENTACE MR KAPALINY PŘI STARTU NOVÉHO VESMÍRNÉHO NOSIČE

Recommend Documents