VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN
TESTOVÁNÍ REMANENCE VE SPORTOVNÍM TLUMIČI V ZÁVISLOTI NA MATERIÁLU MAGNETICKÉHO OBVODU TEST OF REMANENCE IN A SPORT DAMPER IN DEPEDENCE ON A MATERIAL OF MAGNETIC CIRCUIT
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS
AUTOR PRÁCE
JAN POLÁŠEK
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2015
Ing. JAKUB ROUPEC, Ph.D.
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování Akademický rok: 2014/2015
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Jan Polášek který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Základy strojního inženýrství (2341R006) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Testování remanence ve sportovním tlumiči v závislosti na materiálu magnetického obvodu v anglickém jazyce: Test of remanence in a sport damper in dependence on a material of magnetic circuit Stručná charakteristika problematiky úkolu: Cílem práce je experimentálně určit nejvýhodnější materiál magnetického obvodu sportovního tlumiče s ohledem na minimální remanenci a maximální indukci ve vzduchové štěrbině. Velikost remanence je závislá na chemickém složení materiálu, nejvíce na množství uhlíku a síry. Student vybere 3 materiály, ze kterých sestaví jednoduchý magnetický obvod. Výsledky budou následně zpracovány jako doporučení pro návrh magnetického obvodu sportovního tlumiče. Cíle bakalářské práce: Bakalářská práce musí obsahovat: (odpovídá názvům jednotlivých kapitol v práci) 1. Úvod 2. Přehled současného stavu poznání 3. Analýza problému a cíl práce 4. Materiál a metody 5. Výsledky 6. Diskuze 7. Závěr 8. Seznam použitých zdrojů Forma práce: průvodní zpráva, fotografická dokumentace, laboratorní protokol, digitální data Typ práce: experimentální; Účel práce: výzkum a vývoj Rozsah práce: cca 27 000 znaků (15 - 20 stran textu bez obrázků). Zásady pro vypracování práce: http://dokumenty.uk.fme.vutbr.cz/BP_DP/Zasady_VSKP_2015.pdf Šablona práce: http://dokumenty.uk.fme.vutbr.cz/UK_sablona_praci.zip
Seznam odborné literatury: [1] MALKIN, Alexander Ya. Rheology fundamentals. Toronto: ChemTec Pub, 1994. ISBN18-951-9809-7. [2] MALKIN, Alexander Ya, AVRAAM, I. Rheology: concepts, methods, and applications. 2nded. Toronto: ChemTec Pub, 2012. ISBN 978-189-5198-492. [3] KUBIK, M. Návrh testovacího standu pro stanovení provozních parametrů magnetickéhohřídelového těsnění. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 94s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jakub Roupec Ph.D.
Vedoucí bakalářské práce: Ing. Jakub Roupec, Ph.D. Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2014/2015. V Brně, dne 11.11.2014 L.S.
_______________________________ prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. Ředitel ústavu
_______________________________ doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D. Děkan fakulty
ABSTRAKT Tato bakalářská práce se věnuje testování maximální magnetické indukce, remanence a B-H křivek různých ocelí a uplatnění těchto poznatků při volbě materiálů pro magnetický obvod magnetoreologických (MR) tlumičů. Úvod práce se zabývá rešerší zachycující poznatky o magnetoreologických kapalinách a magnetických charakteristikách různých materiálů. Další část bakalářské práce se věnuje volbě ocelí o různém chemické složení, tepelném zpracování ocelí, jejím testováním a porovnáním s MKP výsledky. Cílem práce je také návrh upínacího přípravku na testování magnetického obvodu a popis použitých měřicích přístrojů a metodiky měření.
KLÍČOVÉ SLOVA Magnetoreologická kapalina, remanence, magnetický obvod, B-H křivka.
ABSTRACT This bachelor’s thesis deals with testing of maximal magnetic induction, remanence and B-H curve of different kinds of steels and application of this knowledge when choosing materials for magnetic circuit of magnetorheological (MR) dampers. The introduction of the thesis is intended to analyse knowledge of magnetorheological fluids and magnetic characteristics of different kinds of materials. Another part of bachelor’s thesis deals with the choice of steels of different chemical composition, heat treatment of steel, testing and comparing with FEM results. The aim of the thesis is also to design a clamping device for testing of magnetic circuit and to describe used measuring instruments and measurement methodology too.
KEY WORDS Magnetorheological fluid, remanence, magnetic circuit, B-H curve.
strana
5
strana
6
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE POLÁŠEK, J. Testování remanence ve sportovním tlumiči v závislosti na materiálu magnetického obvodu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2015. 51 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jakub Roupec, Ph.D.
strana
7
strana
8
PROHLÁŠENÍ AUTORA O PŮVODNOSTI PRÁCE Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci „Testování remanence ve sportovním tlumiči v závislosti na materiálu magnetického obvodu“ vypracoval samostatně pod vedením Ing. Jakuba Roupce Ph.D., s využitím doporučené literatury. V Brně dne 17. května 2015 ………………………………… Jan Polášek
strana
9
strana
10
PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych tímto způsobem poděkovat vedoucímu práce Ing. Jakubu Roupcovi Ph.D. za odborné vedení práce a taktéž svým rodičům a přátelům za podporu při celém průběhu studia.
strana
11
strana
12
OBSAH ÚVOD ................................................................................................................ 15 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ .......................................... 17 2.1 Magnetické kapaliny .................................................................................... 17 2.1.1 Nanomagnetická kapalina ................................................................... 17 2.1.2 Magnetoreologická kapalina ............................................................... 18 2.1.3 Nosné médium .................................................................................... 19 2.1.4 Použití MR kapalin ............................................................................. 19 2.2 Magnetické obvody...................................................................................... 20 2.2.1 B-H křivky .......................................................................................... 20 2.2.2 Remanentní magnetismus ................................................................... 24 3 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE ..................................................... 25 4 MATERIÁL A METODY ............................................................................... 26 4.1 Tepelné zpracování oceli S235JR ................................................................ 27 4.2 Měřící řetězec .............................................................................................. 30 4.2.1 Schéma zapojení ................................................................................. 31 4.3 Upínací přípravek ........................................................................................ 32 4.3.1 Sestava přípravku verze 1 ................................................................... 32 4.3.2 Sestava přípravku verze 2 ................................................................... 33 4.3.3 Sestava přípravku verze 3 ................................................................... 35 4.4 Metodika měření .......................................................................................... 36 4.4.1 Měření remanence ............................................................................... 36 4.4.2 Měření B-H křivek .............................................................................. 37 5 VÝSLEDKY ...................................................................................................... 38 5.1 Ocel S235JR ................................................................................................ 38 5.2 B-H křivky oceli S235JR ............................................................................. 38 5.3 Oceli DC01 a DC04 ..................................................................................... 39 5.4 Simulační testování v ANSYS Workbench ................................................. 40 6 DISKUZE .......................................................................................................... 44 6.1 Porovnání testovaných ocelí Hallovou sondou ............................................ 44 6.2 Srovnání ocelí simulačního a reálného měření ............................................ 44 6.3 Simulace magnetického indukčního toku v obvodu .................................... 45 7 ZÁVĚR .............................................................................................................. 46 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ ........................................................................ 47 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN......................... 49 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ ........................................................................... 50 SEZNAM TABULEK .............................................................................................. 51 1 2
strana
13
strana
14
Úvod
1 ÚVOD
1
Při výrobě automobilů dnes vedle efektivního výkonu a nízké spotřeby hraje důležitou roli také dostatečný komfort. Není se čemu divit, lidé totiž ve svých vozech tráví mnohem více času, než tomu bylo v minulosti. Podle studie provedené Harvard Health Watch stráví průměrný Američan řízením svého vozu 101 minut denně. [14] Pod zvyšováním pohodlí si lze vesměs představit snahu eliminovat či odstranit různé rušící jevy, kterými mohou být např. hluk, teplo, vibrace anebo rázy. Aby se tedy zvýšilo pohodlí cestujících při jízdě automobilem, používají se pro tyto účely tlumiče. Mezi nejrozšířenější tlumiče vibrací patří kapalinové tlumiče, které jsou napuštěné někdy i vysoce viskózními oleji. Jedním ze zlomových událostí ve vývoji tlumičů bylo použití magnetoreologické (MR) kapaliny místo průmyslového oleje. MR kapaliny dokážou měnit ve velké míře své fyzikální vlastnosti v závislosti na magnetickém poli, ve kterém se nachází. Díky této schopnosti brzo také dosáhly velkých úspěchu v různých odvětvích jako je automobilový průmysl, stavebnictví a biomedicínské inženýrství. Současné MR kapaliny jsou schopny dosáhnout meze toku až 80 kPa a především je tato schopnost reverzibilní. Reverzibilita MR kapaliny je však dána použitým materiálem magnetického obvodu, který tuto návratnost ovlivňuje. U dnešních automobilů jsou nejpoužívanější tzv. pasivní systémy odpružení, kdy je tlumič paralelně připojen k pružině. Zdaleka lepšího odpružení je možné dosáhnout využitím aktivního závěsu kola. Podstatou toho systému jsou pružící jednotky vybavené zvláštními elektromotory, které plynule regulují tuhost pérování. MR tlumiče patří mezi semiaktivní systémy využívající proměnlivou charakteristiku odpružení. Toto řešení by mělo oproti paralelnímu systému zlepšit kvalitu odpružení. Výhodou semiaktivního systému je jejich konstrukční jednoduchost, robustnost a v neposlední řadě také možnost v případě poruchy systému pracovat jako pasivní závěs. Volba materiálu magnetického obvodu je nezanedbatelnou součástí konstrukce MR tlumičů. Jeho správným výběrem lze docílit přesného řízení odpružení tlumiče a tím i zvýšení komfortu při jízdě automobilem. Materiál magnetického obvodu by měl vykazovat dobré magnetické vlastnosti a to z hlediska vysoké maximální magnetické indukce a nízkého remanentní magnetismu. Tato bakalářská práce se věnuje analýze materiálu magnetického obvodu z hlediska remanence, díky které je ovlivněna reverzibilita MR kapaliny uvnitř tlumiče. Další z cílů této práce je také testování magnetické indukce magnetického obvodu, která ovlivňuje maximální zvýšení viskozity MR kapaliny a tedy i tuhost tlumiče.
strana
15
Úvod
strana
16
Přehled současného stavu poznání
2
PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ
2.1 Magnetické kapaliny
2 2.1
Magnetické kapaliny, taktéž označovány jako koloidní ferokapaliny, ferofluida nebo nanokompozitní magnetika, byly vyvinuty v 60. letech dvacátého století v NASA pro řízení toku tekutého paliva v beztížném stavu magnetickým polem [1]. Magnetická kapalina se řadí mezi tzv. inteligentní materiály v podkategorii kapaliny reagující na pole [2]. Jedná se v podstatě o suspenzi kovových kuličkových částic rozptýlených v nosné kapalině, kde jejich koncentrace určují magnetické vlastnosti této kapaliny [1]. Do této skupiny patří i elektroreologické kapaliny a i různé typy polymerních gelů [2]. Základní vlastností magnetických kapalin je jejich schopnost měnit svou hustotu a viskozitu v závislosti na okolním působícím magnetickém poli, které můžeme řídit a kontrolovat a tím dosahovat potřebných vlastností magnetických kapalin pro dané účely použití [3]. 2.1.1 Nanomagnetická kapalina
2.1.1
Nanomagnetické kapaliny (ferokapaliny) jsou kapaliny, u kterých se velikost částic pohybuje v jednotkách nanometrů (10-9 m), většinou 3 až 15 nm. Histogram četnosti různých velikosti částic pro typickou nanomagnetickou kapalinu můžete vidět na obr. 1. Díky této velikosti dochází k rozptýlení částic Brownovým pohybem, což je náhodný pohyb mikroskopických částic v kapalném nebo plynném médiu podmíněný teplotou prostředí.
Obr. 1 Histogram četností velikostí nanočástic v typické komerční nanomagnetické kapalině [1]
strana
17
Přehled současného stavu poznání
Nanočástice jsou nejčastěji z velmi čistého práškového železa. Každá nanočástice tvoří Weissovu doménu se spontánní magnetizací; nanočástice má magnetický moment, tj. stává se malým permanentním magnetem. Nepůsobí-li na kapalinu magnetické pole, jsou magnetické momenty nanočástic náhodně orientovány a kapalina se navenek jeví jako nemagnetická [1]. Naopak po jejím zmagnetizování se částice uspořádají rovnoběžně se směrem magnetické indukce [2]. Problémem pro průmyslové využití MR kapalin je jejich koloidní stabilita. MR kapalina je koloidně stabilní, nedochází-li vlivem přitažlivých sil mezi nanočásticemi ke vzájemnému shlukování. Toto je dosaženo tím, že jednotlivé nanočástice jsou pokryty ochranným polymerním povlakem, tzv. detergentem (povrchově aktivní látkou) zabraňujícím přímému kontaktu mezi částicemi. Tento polymer je tvořen dlouhými řetězci polárních molekul (např. kyseliny mastné). Každý řetězec je jedním koncem (hydrofilní hlavou) pevně vázán s magnetickou nanočásticí a svým druhým koncem (hydrofobním ocasem) je volněji přitahován molekulami nosného média. Délka tohoto řetězce je asi 1 až 2 nm. Vrstva detergentu vyvolává odpuzovací síly mezi nanočásticemi. Strukturu MR kapaliny s těmito řetězci je patrná z obr. 2 [1]. Magnetická nanočástice Detergent
Obr. 2 Magnetické nanočástice, jejichž povrch je opatřen detergentovým řetězcem molekul [1] 2.1.2
2.1.2 Magnetoreologická kapalina U magnetoreologických kapalin (MR kapalin) je velikost částic v řádech mikrometrů (10-6 m), přibližně asi 5 µm viz obr. 3 [1]. Výhodou této kapaliny jsou její reologické vlastnosti [4]. Oproti ferokapalin s nanočásticemi se liší především tím, že vnější magnetické pole extrémně zvyšuje jejich viskozitu, kapaliny ztrácejí svou tekutost a ztuhnou, tj. vykazují silný magnetoviskozní jev, což může být u mnohých aplikací vítané [1]. Maximálního magnetoreologického účinku lze dosáhnout výběrem částic s vysokou saturační magnetizací. Sedimentace u této kapaliny se řeší buď přidáním nanočástic nebo přidáním povrchově aktivních látek. Přidáním těchto látek se kapalina stává měkkou. Pojem měkká naznačuje, že kapalina má menší rozdíl viskozity v aktivovaném a neaktivovaném stavu, než bez těchto aditiv. Problém je ovšem oxidace, která výrazně ovlivňuje životnost. Oxiduje jak nosná kapalina, tak částice. Oxidací dochází ke změně viskozity, meze toku či samotného chemického složení. To vede ke zhoršení MR efektu. Oxidy na povrchu částic mají nižší magnetickou saturaci nebo nejsou vůbec magnetické [4]. strana
18
Přehled současného stavu poznání
Obr. 3 Železné částice MR kapaliny pod mikroskopem [2]
2.1.3 Nosné médium
2.1.3
Nosné médium MR kapaliny definuje její chemické a mechanické vlastnosti, kdy tímto médiem může být voda, minerální nebo syntetický olej [1]. Hlavním kritériem pro výběr této kapaliny je viskozitní index udávající míru změny viskozity v závislosti na teplotě, kdy prioritou je, aby tyto změny viskozity se změnou teploty byly co nejmenší. Mezi další kritéria výběru MR kapaliny jsou antioxidační vlastnosti, teplota varu, teplota tuhnutí a vypařovací tlak při zvýšené teplotě [2]. 2.1.4 Použití MR kapalin
2.1.4
Většina zařízení pracující na principu MR kapalin, používají jeden ze tří módů toku, viz obr. 4: Pressure driven flow mode (z angl. tlakem řízený mód toku - ventilový mód) – nepohyblivé póly. Tento princip využívají tlumiče, tlumiče rázů a ventily. Je vhodný pro aplikace v automobilových podvozkách. Direct-shear mode (z angl. mód přímého smyku – smykový mód) – relativně pohyblivé póly translační nebo rotační kolmo na aplikované magnetické pole. Využívá se toho u spojkách, brzdách, zámcích a tlumičích se středními frekvencemi pohybu. Squeez-film mode (z angl. mód stlačeného filmu – tahový-tlakový) – relativně pohyblivé póly ve směru aplikovaného magnetického pole. Využití toho módu najdeme v tlumičích pro velké zatížení a krátké dráhy pohybu nebo v silentblokách [2].
Obr. 4 Zatěžovací módy MR kapalin (a) ventilový; (b) smykový; (c) tahový-tlakový [2]
strana
19
Přehled současného stavu poznání
2.2
2.2 Magnetické obvody Magnetické obvody slouží k vytváření a soustředění magnetického pole do určitého prostoru. V praxi se můžeme setkat s různými tvarovými modifikacemi těchto obvodů pro odlišné aplikace. V současnosti je snaha tyto obvody optimálně tvarovat a tím dosahovat jejich potřebných charakteristických parametrů. Magnetické obvody jsou tvořeny cívkou o určitém počtu závitů, přes kterou proudí elektrický proud a vodivými dráhami přenášejícími magnetické pole do pracovního prostoru. Příklady jednoduchých magnetických obvodů jsou na obr. 5 [4]. Vodivé dráhy jsou důležité nejen z pohledu tvarového seskupení, ale i z pohledu volby materiálu, respektive jeho chemického složení a tepelného zpracování.
Obr. 5 Různé tvarové provedení magnetických obvodů [5] 2.2.1
2.2.1 B-H křivky Pro charakterizaci materiálu z pohledu magnetických vlastností se používají tzv. B-H křivky (hysterezní křivky). Jsou to křivky závislostí magnetické indukce B a na intenzitě magnetického pole H v daném materiálu. B-H křivky jsou také popsány matematickými vztahy:
strana
20
Přehled současného stavu poznání
B = Hµrµ0 kde: B H
T A.m-1 H.m-1 H.m-1
µ0 µr
(1)
magnetická indukce intenzita magnetického pole permeabilita vákua relativní permeabilita
Vztah na výpočet velikosti magnetické indukce:
∅
B= S
(2)
kde:
∅ S
Wb m2
magnetický indukční tok plocha, kterou prochází magnetický indukční tok [2]
Ze vztahu (1) lze určit směrnici B-H křivky neboli permeabilitu. Některé materiály mají konstantní permeabilitu (neměnnou směrnici) - lineární materiály a jiné zase proměnnou permeabilitu (směrnici) - nelineární materiály. Změna velikosti permeability je způsobena seřazením velmi malých částic materiálu. Tyto částice jsou při určité hodnotě intenzity magnetického pole seřazené v nejdokonalejší možné poloze, a proto se zvyšující se intenzitou magnetického pole nedochází ke změně magnetické indukce. Příklady B-H křivek lineárních (vzduch) a nelineárních materiálů (ocel a železo) můžete vidět na obr. 6. Vztah (2) vyjadřuje důležitou nepřímou úměru, kde se zmenšující se plochou roste magnetická indukce. Magnetický indukční tok je závislý na elektrickém proudu protékající cívkou, geometrických vlastnostech cívky a vedením [2].
Obr. 6 B-H křivky oceli, železa a vzduchu [6]
strana
21
Přehled současného stavu poznání
Materiály je možné také rozdělit do 7 skupin podle toho, jak se chovají ve vnějším magnetickém poli: feromagnetické – mohou být velmi silně zmagnetizovány i tehdy, jsou-li vloženy do velmi slabého magnetického pole. Po odstranění magnetického pole si dokážou i nadále udržet své magnetické vlastnosti [7]. Obecně platí, že výrazně zesilují silové účinky magnetického pole. Pro permeabilitu feromagnetických látek platí µf >> µ0, kde µ0 je permeabilita vakua [2]. Příklady feromagnetických materiálů jsou např. železo a jeho slitiny, kobalt, nikl nebo gadolinium [7]. paramagnetické – tyto materiály se chovají magneticky pouze tehdy, pokud jsou vloženy do vnějšího magnetického pole, µp > µ0 [2]. Paramagnetické materiály jsou např. platina, sodík, hliník, chróm a mangan [7]. diamagnetické – po vložení těchto materiálů do magnetického pole se toto pole zeslabí, µd < µ0 [2]. Mezi diamagnetika patří zlato, stříbro, rtuť, měď a olovo [7]. antiferomagnetické – jsou to látky, které po vložení do magnetického pole se magnetické momenty domén uspořádají proti sobě (antiparalelně) a jsou stejně velké. ferimagnetické – (ferity) jsou to látky podobné jako antiferomagnetické, až na to, že magnetické momenty domén uspořádané antiparalelně nejsou stejně velké. metamagnetické – látky, které se v silném magnetickém poli chovají jako feromagnetické a ve slabém jako antiferomagnetické. neutrální – látky mající proměnnou permeabilitu rovnou jedné, např. vakuum (µ0) [10]. Průběhy B-H křivek feromagnetického, paramagnetického, diamagnetického materiálu a vakua můžete vidět na obr. 7.
Obr. 7 B-H křivky feromagnetického materiálu (šedá), paramagnetického (modrá), diamagnetického (zelená), vakua (červená) [2]
strana
22
Přehled současného stavu poznání
Další rozdělení magnetických materiálů lze uspořádat podle velikosti tzv. koercitivní síly Hk, což je intenzita magnetického pole nutná k potlačení zbytkového magnetismu, na:
magneticky měkké – jsou charakteristické malou koercitivní silou a velkou remanencí, tudíž úzkou hysterezní smyčkou. Mají velkou maximální permeabilitu. Mezi magneticky měkké materiály můžeme zařadit čisté železo, slitiny železa s křemíkem, slitiny železa s niklem a měkké ferity.
magneticky tvrdé – tyto materiály mají naopak velkou koercitivní sílu, širokou hysterezní smyčkou a velkou remanenci. Magneticky tvrdé materiály jsou kalené uhlíkové oceli s vysokou tvrdostí dále také slitiny železa s niklem, hliníkem a kobaltem [7].
Průběhy B-H křivek magneticky měkkého a tvrdého materiálu lze vidět na obr. 8
Obr. 8 B-H křivky magneticky měkkého (vlevo) a tvrdého (vpravo) materiálu [8]
strana
23
Přehled současného stavu poznání
2.2.2
2.2.2 Remanentní magnetismus Po zmagnetizování feromagnetického materiálu vnějším magnetickým polem a následně jeho vyjmutím se materiál stává tzv. dočasným magnetem [11]. Tento jev se nazývá jako remanentní magnetismus a značí se Br. Tuto skutečnost můžete opět spatřit na B-H křivce v obr. 9, který vypovídá o nevratnosti magnetizačních procesů ve feromagnetických látkách. U těchto látek se pohybuje mezi 0,5 a 1 T [9]. K úplnému odstranění remanence v materiálu je nutno vložit danou součást do vnějšího magnetického pole opačné polarity o intenzitě koercitivní síly Hk [13]. Remanentní magnetismus závisí na chemickém složení materiálu a také na jeho tepelném zpracování [10].
Obr. 9 B-H křivka s naznačenými kótami remanence Br a koercitivní síly Hk [9]
strana
24
Analýza problému a cíl práce
3 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE
3
V dnešní době víme, že chemický prvek, který nejvíce ovlivňuje ocel z pohledu chování v magnetickém poli, je zejména uhlík (C), který zhoršuje permeabilitu, maximální magnetickou indukci a koercitivní sílu, viz obr. 10. Taktéž je známo, že magnetické vlastnosti materiálu se mění i s jeho tepelným zpracováním (TZ). Maximální magnetickou indukci, nízkou koercitivní sílu a tedy i remanenci je možné dosáhnout žíháním materiálu [10]. Druhů žíhání je však mnoho a vznikají při nich odlišné strukturní i chemické změny v materiálu. Prozatím však nevíme, jaký druh zmíněného TZ výrazně ovlivní magnetické vlastnosti naší testované oceli. Cílem této práce bude otestovat magnetickou indukci a remanenci 3 druhů ocelí s různým chemickým složením. Z těchto materiálů bude sestavený jednoduchý magnetický obvod s 1,3mm vzduchovou mezerou. Pomocí Hallovy sondy budeme měřit magnetickou indukci a remanenci v této mezeře. Abychom však otestovali i vliv tepelného zpracování na magnetické vlastnosti materiálu, tak jednu zvolenou ocel podrobíme různým TZ. Jako první druh TZ použijeme homogenizační žíhání, kde dojde ke zhrubnutí austenitického zrna oceli. Dále použijeme normalizační žíhání, kde se naopak zjemní austenitické zrno. Jako poslední typ TZ zvolíme kalení do vody, při kterém vznikne vnitřní pnutí v materiálu. Získané výsledky následně porovnáme s teoretickými MKP výsledky.
Obr. 10 Graf vlivu množství uhlíku (C) v materiálu na koercitivní sílu H a magnetickou indukci B [12]
strana
25
Materiál a metody
4
4 MATERIÁL A METODY Jak již bylo zmíněno v předchozí kapitole, byly zvoleny 3 oceli z různým chemickým složením, ze kterých byl vytvořen jednoduchý obvod. Následně byly u těchto ocelí testovány jejich magnetické charakteristiky ve vzduchové mezeře. Tabulku zvolených materiálů můžete vidět v tab. 1. Tab. 1 Přehled zvolených materiálů
ČSN
Materiál Zn. chem. slož
%C
%Mn
%P
%S 0,04
%Si
%Al
11 375
S235JR
1.0038
0,2
1,4
0,04
10 131
DC01
1,0330
0,12
0,6
0,045 0,045
11 305
DC04
1,0338
0,08
0,4
0,025 0,025 0,03 0,025
%Cu
%N
0,55 0,012
Materiál S235JR byl zakoupen jako za studena tažená ocel čtvercového profilu 15 x 15 mm, tudíž sestavení magnetického obvodu bylo rychlé a nenáročné. Ovšem materiály s nízkým procentem uhlíku jako DC01 a DC04 se v čtvercových profilech nevyrábějí, protože se už jedná hlubokotažné oceli vyráběné v plechových tabulích nebo pásech. Z toho důvodu bylo zvoleno řešení, že se tvar obvodu nařeže vodním paprskem a jednotlivé plechy se poté na sebe naskládají a vytvoří stejný profil jako u oceli S235JR. Řezání vodním paprskem bylo vybráno, protože tato technologie umožňuje dělit materiál tzv. studeným řezem, neboli bez tepelně ovlivněné oblasti jako je to např. u laseru a plazmy. V tepelně ovlivněné oblasti by se změnila struktura oceli a při testování by mohla zkreslovat výsledky. Aby byl taktéž zachován stejný profil daného magnetického obvodu, bylo třeba zakoupit plechy v tloušťkách, které jsou násobkem 15 mm. Plech DC01 byl pořízen v tloušťce 1,5 mm a DC04 1 mm. Nákres geometrie magnetického obvodu lze vidět na obr. 11.
strana
26
Materiál a metody
Obr. 11 Nákres geometrie magnetického obvodu
4.1 Tepelné zpracování oceli S235JR
4.1
Ocel S235JR se pořídila v takovém množství, aby se z ní daly sestrojit celkem 4 obvody. Z toho 1 obvod zůstal v původním stavu a zbylé 3 obvody byly různě tepelně zpracovány: normalizační žíhání – Ocel byla ohřáta na teplotu 900 °C při výdrži 1 hodinu. Po uplynutí dané doby se pec vypnula, což umožnilo pomalému ochlazování a to takovou rychlostí, aby se vytvořila ferito-perlitická struktura. Toto TZ bylo provedeno za účelem zjemnění austenitického zrna a zrovnoměrnění sekundární struktury. Po zchladnutí oceli bylo potřeba součásti obvodu obrousit od vytvořených okují smirkovým papírem. Normalizační žíhání oceli bylo provedeno na Ústavu konstruování (ÚK), kde byla možnost použít pec, která mohla vyvinout maximální teplotu právě 900°C. Graf ohřevu a výdrže oceli na dané teplotě je viditelný na obr. 12.
strana
27
Materiál a metody
Obr. 12 Graf ohřevu oceli při normalizačním žíhání
homogenizační žíhání – při tomto TZ oceli se vyrovnává chemická nestejnorodost, která přednostně vzniká při tuhnutí odlitků nebo ingotů. Ocel byla ohřáta na 1100 °C a ponechána v peci minimálně 2 hodiny při této teplotě. Graf ohřevu a výdrže oceli při homogenizačním žíhání je možné vidět na obr. 14. Předtím, než však byly součásti obvodu vloženy do pece, byly zabaleny do tzv. austenitické fólie z důvodu vzniku velkých vrstev okují (obr. 13). Zmíněná fólie byla použita proto, že pec nemá ochrannou atmosféru, díky které by daná ocel neoxidovala. Při tak vysokých teplotách, při kterých se provádí homogenizační žíhání, dochází k silné difuzi uhlíku zapříčiňující oduhličení oceli. Dalším důsledkem vysokých teplot žíhání je zhrubnutí zrna austenitu. Po více jak 2 hodinách byly součásti obvodu z pece vyjmuty a nechaly se ochladit na vzduchu. Homogenizační žíhání bylo provedeno na Ústavu materiálových věd a inženýrství (ÚMVI), kde byla k dispozici pec umožňující ohřát ocel na více než 1000°C.
Obr. 13 Homogenizačně vyžíhaná ocel v austenitické folii
strana
28
Materiál a metody
Obr. 14 Graf ohřevu oceli při homogenizačním žíhání
kalení do vody – podobně jako u normalizačního žíhání byla ocel zahřáta na 900 °C a ponechána v peci po dobu 1 hodiny. Po jejím uplynutí byla ocel prudce ochlazena ve studené vodě. Důsledkem prudkého ochlazení vzniká v materiálu vnitřní pnutí. Struktura oceli je tvořena martenzitem s jistým podílem zbytkového austenitu. Po zakalení bylo opět nutné součásti obvodu očistit a obrousit od zoxidovaných vrstev materiálu. Kalení oceli stejně jako normalizační žíhání bylo realizováno na Ústavu konstruování (ÚK). Grafický průběh ohřevu a výdrže oceli je viditelný na obr. 15.
Obr. 15 Graf ohřevu oceli před zakalení do vody
strana
29
Materiál a metody
Normalizační a homogenizační žíhání bylo zvoleno z důvodu překrystalizace materiálu, a tudíž vzniku různé velikosti zrn austenitu, které by mohlo mít vliv na následně měřené magnetické vlastnosti oceli. Naopak kalením do vody by bylo přínosné zjistit, zda tyto magnetické vlastnosti mohou být ovlivněny i rozdílnou rychlostí ochlazování. Na obr. 16 je zachycena ocel S235JR bez TZ a po zmíněných tepelných úpravách.
Obr. 16 Ocel S235JR zleva bez tepelného zpracování, kalená do vody, normalizačně žíhaná a homogenizačně žíhaná 4.2
4.2 Měřící řetězec K tomu, aby bylo možné magnetický obvod měřit Hallovou sondou, musí být zapotřebí i dalších měřicích přístrojů a jejich vzájemné zapojení. Pro tyto účely byly použity následující zařízení: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
strana
30
Generátor signálu HEWLETT PACKARD 33120A Zdroj napájení GWINSTEK PST-3202 Měřící zařízení DEWE-50-USB2-8 Zesilovač signálu LEISTUNGSVERSTARKER LV 102 Teslametr 5180 GAUSS / TESLA METER Bočník Notebook
Materiál a metody
4.2.1
4.2.1 Schéma zapojení Generátor signálu
Zesilovač signálu
V
Zdroj napájení
Bočník
+
Cívka
Měřící zařízení Dewetron
Teslametr
Analogový výstup Hallova sonda Notebook
strana
31
Materiál a metody
Generátor signálu slouží k odmagnetování obvodu. Samotný však neumožní vyvolat dostatečně silný zdroj proudu na to, aby v obvodu odstranil remanenci, která v něm po daném měření zůstala. Proto musí být propojen se zesilovačem signálu. Zesilovač je zapojen přes přepínač a bočník k cívce a umožňuje tak odmagnetování obvodu. Z cívky potom vede další vodič zpět do zesilovače. Pro zmagnetování obvodu a tím i získání potřebných magnetických charakteristik slouží zdroj napájení, který je zapojen k cívce přes přepínač a bočník. Analogicky z cívky potom vede další vodič zpět do zdroje. Použití zmíněného bočníku je zajištěno měření proudu při vytváření B-H křivek daných materiálů. Dalším prvkem je jednotka měřícího zařízení Dewetron, do které vede analogový výstup z teslametru. Dále je také paralelně spojen dvěma vodiči na bočník a zajišťuje tak měření napětí na bočníku. Mezi další přístroje patři notebook zapojený do Dewetronu, ze kterého získává naměřená data. Nakonec je teslametr propojen vodičem k Hallové sondě a umožňuje tak měření magnetické indukce a remanence ve vzduchové štěrbině. 4.3
4.3 Upínací přípravek Pro měření magnetických charakteristik je potřeba obvod pevně upnout a zajistit, aby všechny dosedací plochy obvodu na sebe navzájem přesně doléhaly. Nutné je také zabezpečit, aby byly odebrány všechny stupně volnosti obvodu. To umožní při opětovném složení magnetického obvodu naměřit přibližně stejné výsledky a vyvarování se velkým chybám způsobeným špatným upnutím. Pro tyto účely měření byl navrhnut a sestrojen upínací přípravek složený z duralových profilů a mosazných šroubů. Důvod použití duralu a mosazi je ten, že nejsou feromagnetické. Dural je paramagnetický, a tedy neudrží magnetismus bez přítomnosti vnějšího magnetického pole. Naopak mosaz je diamagnetická látka, která po vložení do magnetického pole toto pole zeslabuje. Díky těmto vlastnostem mosazi, byla šrouby použity pouze k smontování celého upínacího přípravku, nikoliv k sešroubování magnetického obvodu do jednoho celku. Pokud by se uvnitř magnetického obvodu vyskytovaly mosazné šrouby, docházelo by k obtékání magnetického indukčního toku okolo nich a tím následně ke zkreslování výsledků naměřených ve vzduchové mezeře. Homogenita magnetického obvodu z hlediska materiálu by byla narušena.
4.3.1
4.3.1 Sestava přípravku verze 1 Sestava obsahuje 4 upínky přišroubované k zakládací desce (obr. 17). Každá z nich má 2 přítlačné šrouby. Boční šroub zabezpečuje doražení k jedné straně upínky a horní šroub zase přítlak na podložku upínky. Mezi mosaznými šrouby a magnetickým obvodem jsou vloženy malé duralové podložky. Toto je provedeno z toho důvodu, aby se obvod při opětovném upínání nepoškodil a aby byla síla vyvolaná přítlačným šroubem rovnoměrněji rozložena v určité části obvodu. Na obrázku sestavy je možné také vidět 2 podsestavy složené z úhelníků zajišťující přítlaky jádra, na kterém je navinuta cívka, k ostatním částem obvodu.
strana
32
Materiál a metody
Dosedací strana upínky
Podsestava upínky
Cívka
Jádro cívky
Podložka upínky
Podsestava úhelníků
Horní a boční přítlačný šroub
Podložky přítlaku
Obr. 17 Sestava upínacího přípravku verze 1
Po vyrobení sestavy přípravku a upnutí magnetického obvodu byly zjištěny následující problémy: 1. Dosedací strany upínky, na které přiléhá obvod, jsou nakřivo. Tato skutečnost je způsobena rozdílnou roztečí vyvrtaných děr pro šrouby každé z upínek. Díky tomu není splněna podmínka, aby dosedací plochy jednotlivý části obvodu na sebe přesně doléhaly. 2. Přítlačné šrouby na upínkách v místě, ke se nachází vzduchová mezera, působí na každou součást obvodu odlišným přítlakem. Tím je způsobeno špatné rozložení přítlačných sil na danou část obvodu a společně s prvním problémem zapříčiňují, že vzduchová mezera nemá v každém svém místě konstantní měřící prostor 1,3 mm. 4.3.2 Sestava přípravku verze 2
4.3.2
Na obrázku sestavy přípravku verze 2 (obr. 18) lze nyní vidět velkou dorazovou kostku, která nahrazuje dosedací strany upínek. Tato součást je ofrézována, aby na jejich jednotlivých stěnách byly dodrženy co možná nejpřesnější hodnoty kolmosti, rovinnosti a drsnosti povrchu. Tyto funkční plochy byly proto všechny vybroušeny a umožňují tak přesnější doražení magnetického obvodu. Díky geometrické a rozměrové přesnosti této dorazové kostky je také zajištěno lepší dosednutí jednotlivých částí obvodu. Další úpravou oproti sestavy verze 1 je dlouhá dorazová lišta v místě obvodu se vzduchovou mezerou. Díky ní je síla přítlačných šroubů rovnoměrněji rozložena na danou část obvodu a společně s dorazovou kostkou umožňují, že vzduchová mezera má v každém místě stejný měřící prostor.
strana
33
Materiál a metody
Dorazová kostka
Dorazová lišta
Magnetický obvod
Podsestavy úhelníků
Obr. 18 Sestava upínacího přípravku verze 2
Po upravení přípravku byly i přesto zjištěny další nedostatky, díky kterým docházelo k rozdílným výsledkům opakovaného měření: 1. Přesnost dosednutí jednotlivý částí obvodu je stále nedostatečná. Díky velké dorazové kostce se tato přesnost sice velmi zlepšila, ale stále nebyla ideální a opakovatelnost naměřených výsledků nemohla být dosažena. 2. Dalším problémem, byly přítlaky na jádro obvodu s cívkou pomocí 2 podsestav složených z úhelníků. Tyto přítlaky jsou nedostatečné a magnetický obvod není díky nim přesně a pevně zajištěn. Jejich další nevýhodou byla složitá manipulaci při společném upínání jádra a bočních částí obvodu.
Obr. 19 Sestava upínacího přípravku verze 2 - pohled ze strany dosedací lišty
strana
34
Materiál a metody 4.3.3
4.3.3 Sestava přípravku verze 3 V poslední verzi sestavy přípravku došlo k dalším výrazným úpravám. Jednou z nich je odebrání podložek upínek, na kterých původně ležel celý obvod. Důvody odebrání těchto prvků bylo několik. Jedním z nich byl, že nepodpíraly magnetický obvod po celé své ploše. Dalším důvod je, že podložky upínek mohly být různě vysoké a celkově dohromady nemusely vytvářet ideální rovinnou plochu. V neposlední řadě také drsnost dosedací plochy, na které ležel obvod, byla nevyhovující. Celý magnetický obvod nyní leží na základové desce, jak můžete vidět na obr. 18. Dosedací plocha základové desky byla vybroušena pomocí smirkového papíru na rovné rýsovací desce, čímž byla zajištěna ideální rovina pro založení magnetického obvodu. Tím, že se poloha upnutí celkového obvodu snížila, nastal další problém s cívkou. Ta do obvodu nemohla být vložena, z důvodu kolize se základovou deskou. Řešením tohoto problému je vytvořený velký výřez do základové desky po úroveň dorazové kostky. Díky němu je nyní magnetický obvod i s cívkou sestavitelný. Poslední úpravou bylo, že obě podsestavy z úhelníků bylo nahrazeny 2 duralovými kostkami s vyvrtanou závitovou dírou skrz celou součást. Do této díry byl vložen přítlačný šroub, který přes ponechaný úhelník vyváří dostačující sílu, pro pevné uložení a upnutí celého obvodu. Po všech finálních úpravách byl obvod opakovaně otestován měřícím zařízením. Magnetický obvod byl po každém měření rozebrán z upínacího přípravku, poté opět složen zpátky a změřen Hallovou sondou. Po několikátém otestování bylo docíleno toho, že přípravek je použitelný a opakovatelnost naměřených výsledků magnetické indukce a remanence byla v přijatelném rozsahu ±7 mT (tab.2). Tab. 2 Tabulka opakovatelnosti výsledků
Měření 1. 2. 3.
Proud Magnetická indukce Remanence I [A] 1,5 1,5 1,5
Bmax [mT] 437 448 440
Br [mT] 124 130 127
strana
35
Materiál a metody
Základová deska
Dorazová kostka Cívka
Kostky přítlaku Magnetický obvod Úhelník přítlaku
Přítlačné šrouby
Obr. 20 Sestava upínacího přípravku verze 3 4.4
4.4 Metodika měření Při měření byly zjišťovány tyto charakteristiky: 1. Magnetická indukce Bmax 2. Remanentní magnetismus Br 3. B-H křivka
4.4.1
4.4.1 Měření remanence Na zdroji napájení bylo stisknuto tlačítko OUT PUT a poté na něj nastavena hraniční hodnota proudu na 1,5 A. Postupným zvyšováním napětí na zdroji bylo dosaženo požadovaného proudu 1,5 A a byla odečtena hodnota magnetické indukce. Pro získání následné hodnoty remanence bylo nutné po předchozím magnetickém nasycení materiálu nastavit napětí a proud na nulové hodnoty. Naměřené data magnetické indukce a remanence byly odečítány z teslametru. Pro další měření bylo potřeba upnutý obvod odmagnetovat. Opět bylo stisknuto tlačítko OUT PUT. Poté byl od zdroje odpojen banánek s bočníkem a místo něj byla zapojena větev s generátorem a zesilovačem signálu. Stisknutím tlačítka SINGLE na generátoru signálu byl magnetický obvod odmagnetován, což bylo zjistitelné z teslametru, který ukazoval nulovou hodnotu remanence. Pro opětovné měření byla větev s generátorem a zesilovačem signálu odpojena od zdroje a místo nich zapojen banánek s bočníkem.
strana
36
Materiál a metody
4.4.2 Měření B-H křivek
4.4.2
Pro získání B-H křivek byl měřící postup velice podobný. Po stisknutí tlačítka OUT PUT na zdroj napájení byla nastavena hraniční hodnota proudu na 3,5 A. Zvyšováním hodnoty napětí byla získána křivka prvotní magnetizace tzv. panenská křivka. Poté následným snížením napětí byla získána první (horní) část B-H křivky. Následně bylo potřeba přepólovat cívku, kdy se pouze přehodily banánky na zdroji napájení z plusu na mínus a naopak. Opakovaným zvýšením napětí bylo dosaženo druhého stavu magnetického nasycení tentokrát v záporných hodnotách. Dalším snížením napětí na nulovou hodnotu byla získána druhá (dolní) část B-H křivky. Znovu bylo nutné cívku přepólovat zpět do původního stavu. Následným zvyšováním napětí bylo docíleno opět stavu magnetického nasycení a tím i celkového vykreslení B-H křivky. Odmagnetování bylo provedeno stejný postupem jako při měření magnetické indukce a remanence.
strana
37
Výsledky
5
5 VÝSLEDKY
5.1
5.1 Ocel S235JR V následující tabulce lze vidět porovnání naměřených výsledků magnetické indukce a remanentní magnetismu oceli S235JR bez TZ k ostatním různě teplené zpracovaným viz tab. 3. Tab. 3 Porovnání naměřených výsledků oceli S235JR
Veličina/Jednotky Bez TP Kalená Homogen. žíhaná Norm. žíhaná
Proud Magnetická indukce Remanence Poměr Bmax/Br I [A] 1,5 1,5 1,5 1,5
Bmax [mT] 300 279 406 389
Br [mT] 88 68 45 38
3,41 4,10 9,02 10,24
Z tabulky je viditelné, že nejvyšší magnetickou indukci vykazuje homogenizačně žíhaná ocel. Nicméně normalizačně žíhaná ocel má téměř podobné výsledky jako homogenizačně žíhaná, která dosahuje o 17 mT menší magnetickou indukci. Normalizačně žíhaná ocel také dosahuje nejnižší hodnoty remanentního magnetismu ze všech testovaných materiálů. Dále je v tabulce vidět hodnota magnetická indukce oceli S235JR bez tepelného zpracování (TZ), která je vyšší než kalené oceli do vody. Kalená ocel sice má o 21 mT nižší magnetickou indukci, ale její remanentní magnetismus oproti oceli bez TZ je o 20mT nižší. Poslední sloupec tabulky vyjadřuje poměr magnetické indukce k remanentnímu magnetismu, ze kterého nejlépe vystupuje normalizačně žíhaná ocel. 5.2
5.2 B-H křivky oceli S235JR Dalšími výsledky měření byly B-H křivky (obr. 21), znázorňující závislost magnetické indukce B na intenzitě magnetického pole H. Měření probíhalo do hraniční hodnoty proudu 3,5 A. Z grafu je zřetelné, že největší magnetickou indukci v celém intervalu vykazuje homogenizačně žíhaná ocel, která měla z předešlé tabulky (tab. 3) taktéž nejvyšší magnetickou indukci Bmax. Naopak nejnižší magnetická indukce byla naměřená u kalené oceli.
strana
38
Výsledky
Obr. 21 B-H křivky oceli S235JR
5.3 Oceli DC01 a DC04
5.3
Měření těchto ocelí nemohlo být provedeno. Magnetický obvod u těchto materiálů se skládá z několika plechů o dané tloušťce uložených na sebe. Celkový obvod je složen ze dvou různých plechových profilů viz obr. 22, které se nechali vyřezat vodním paprskem. Profily byly nařezány tak, že po složení celkového magnetického obvodu vytvářely vzduchovou mezeru o velikosti 0,8 mm. Měření mělo probíhat původně s Hallovou sondou o tloušťce 0,6 mm. Tato sonda se byla během měření poškozena. Dodání nové sondy o stejné tloušťce trvá několik týdnů, a proto nemohlo být měření těchto oceli uskutečněno. Měření oceli S235JR bylo provedeno se sondou o tloušťce 1,25 mm. Tato širší sonda však nemohla být použita pro magnetické obvody složené z plechových profilů.
Obr. 22 Plechy magnetického obvodu
strana
39
Výsledky
5.4
5.4 Simulační testování v ANSYS Workbench V programu Autodesk Inventor byla vymodelována sestava magnetického obvodu s cívkou o 5,5 závitech (obr. 23) a importována do programu ANSYS Workbench. Rozměry obvodu jsou stejné, jako u reálně měřeného Hallovou sondou viz obr. 11. Materiál zvolený pro tento magnetický obvod byla ocel 1018 Steel 90,5 HRB a Pure iron annealed. Zmíněná ocel Pure iron annealed je v doslovném překladu čistá žíhaná ocel. Důvod volby této oceli je ten, že pomocí simulace v uvedeném programu by bylo vhodné případně poukázat, jak by se chovaly oceli DC01 a DC04 při reálném testování Hallovou sondou.
Obr. 23 Importovaný magnetický obvod s cívkou v ANSYS Workbench
Měření probíhalo při proudu 1,5 A protékající cívkou o 500 závitech. Pro magnetomotorické napětí cívky platí rovnice:
Um = I . z = 1,5 . 500 = 750 A.závit kde: Um I z
A.závit A závit
(3)
magnetomotorické napětí elektrický proud počet závitů cívky
V sestavě modelu je vidět zjednodušená cívka o 5,5 závitech. Tudíž analogicky je potřeba v simulaci přepočítat proud, aby se vytvořila stejná magnetická indukce, která bude procházet obvodem jako při fyzickém měření. Proud procházející cívkou v simulaci lze získat zpětným vyjádřením ze vzorce (3) a (4) při konstantním magnetomotorickém napětí:
I=
Um = z
750 = 136,4 A 5,5
(4)
Podle průběhů B-H křivek (obr. 24) testovaných oceli v tomto programu je možné předběžně odhadnout chování materiálu v magnetickém poli, a tedy i magnetickou indukci ve vzduchové mezeře.
strana
40
Výsledky
Obr. 24 B-H křivky ocelí v programu ANSYS Workbench
V následujícím grafu (obr. 26) lze vidět průběh magnetické indukce měřené od vrchní hrany do středu profilu magnetického obvodu ve vzduchové mezeře viz obr. 25. Tato MKP analýza byla provedena při proudu 136,4 A protékající cívkou o 5,5 závitech, což je podle vztahů (3) a (4) ekvivalentní jako při reálném měření s 500závitovou cívkou a proudem o 1,5 A. Ve zmíněném grafu je patrné, že magnetická indukce byla dosažena již ve 2,5 mm od vrchní hrany a konstantní až do středu profilu magnetického obvodu. Taktéž je viditelné, že ocel 1018 Steel 90,5 HRB má ve vzduchové mezeře menší hodnotu magnetické indukce než ocel Pure iron annelaed. V grafu jsou také viditelné naměřené hodnoty všech testovaných oceli ve středu profilu magnetického obvodu.
Obr. 25 Měřená cesta od vrchní hrany do středu profilu magnetické obvodu
strana
41
Výsledky
Obr. 26 Graf magnetické indukce ve vzduchové mezeře
Hodnoty magnetické indukce můžete vidět v tab. 4, ze které lze poznat, že ocel Pure iron annelaed má o necelých 200 mT ve středu a více jak o 100 mT na vrchní hraně profilu vyšší indukci než ocel 1018 Steel 90,5 HRB. Do tabulky jsou doplněny i naměřené výsledky magnetické indukce všech testovaných materiálů. Tab. 4 Tabulka magnetických indukcí v různých vzdálenostech od vrchní hrany magnetického obvodu
strana
42
Výsledky
Mezi další zjištěné výsledky simulací v programu ANSYS Workbech je skutečnost, že magnetický indukční tok neproudí daný průřezem magnetického obvodu rovnoměrně. Jeho maximální hodnoty byly naměřeny na vnitřní straně obvodu funkcí Probe. Největší koncentrace magnetického indukčního toku byly zjištěny na vnitřních rohách a v místě uložení cívky, přičemž jeho minimální hodnoty byly naměřeny na vnějších rohách magnetického obvodu viz obr. 27.
Obr. 27 Rozdílný magnetický indukční tok v rohové části magnetického obvodu
strana
43
Diskuze
6
6 DISKUZE
6.1
6.1 Porovnání testovaných ocelí Hallovou sondou Z tabulky testovaných ocelí viz tab. 3 vykazovala při proudu 1,5 A protékající cívkou nejvyšší magnetickou indukci homogenizačně žíhaná ocel. Tato skutečnost může být ovlivněna právě velkou difuzí uhlíku při teplotách okolo 1100 °C, při kterých tato ocel byla tepelně zpracovávaná. Nicméně normalizačně žíhaná ocel má téměř podobné výsledky jako homogenizačně žíhaná. Tato TZ ocel sice dosahuje magnetické indukce 389 mT, přesto má nejnižší hodnotu remanentního magnetismu. U normalizačně žíhané oceli taktéž dochází k difuzi uhlíku do okolní atmosféry pece a tvorbě okují. Tato difuze ale není tak velká jako u homogenizačně žíhané oceli. Důvod, proč naměřené výsledky těchto dvou tepelně zpracovaných oceli jsou téměř srovnatelné, je pravděpodobně ten, že by měly mít rozdílnou velikost austenitického zrna. Obecně při homogenizačním žíhání roste velikost austenitického zrna tzv. zhrubne zrno, ale při normalizačním žíhání se toto zrno zmenší tzv. zjemní. Ve zmíněné tabulce je taktéž vidět hodnota magnetická indukce oceli S235JR bez TZ, která je vyšší než u kalené oceli do vody. Tato skutečnost může být způsobena právě prudkým ochlazení ohřáté oceli do vody a tím vytvoření možného vnitřního pnutí v daném materiálu. Kalená ocel sice vykazuje o 20 mT nižší remanentní magnetismus oproti oceli bez TZ, to však muže být způsobeno opět difuzi uhlíku z oceli při TZ a tvorbě okují. Důležité je také porovnat kalenou ocel s normalizačně žíhanou z toho důvodu, že jejich doby ohřevu jsou stejné. Jejich rozdíl je pouze v rychlosti chladnutí. Je pravděpodobné, že možné vzniklé vnitřní pnutí v zakalené oceli negativně ovlivňuje magnetické nasycení materiálu. Proto ocel, která byla kalená do vody, dosahuje nižší magnetické indukce než ocel bez TZ. Obecně lze také poznamenat, že difuze uhlíku z oceli při TZ je velice přínosná pro zvýšení magnetické indukce a snížení remanentního magnetismu v materiálu. Z tohoto důvodu také nejlépe vystupují normalizačně a homogenizačně žíhané oceli. Poslední sloupec tabulky vyjadřuje poměr magnetické indukce k remanentnímu magnetismu, ze kterého nejlépe vystupuje normalizačně žíhaná ocel. Díky tomuto poměru je možné lépe určit vhodnost volby materiálu magnetického obvodu s ohledem na vysokou magnetickou indukci a nízkou remanenci. Čím je daný poměr větší, tím je ocel pro aplikace v MR tlumičích vhodnější.
6.2
6.2 Srovnání ocelí simulačního a reálného měření Při simulační testování ocelí v programu ANSYS Workbench vycházely hodnoty magnetické indukce obecně vyšší, než při reálném měření Hallovou sondou viz tab. 4. Magneticky nelineární materiál 1018 Steel 90,5 HRB, který by se dal považovat jako ekvivalent konstrukční uhlíkové oceli S235JR dosahoval magnetické indukce 429 mT. Této hodnotě se však blíží pouze homogenizačně žíhaná ocel. Ostatní magnetické indukce měřených materiálů Hallovou sondou se této hodnotě zdaleka nepřibližují. Ze zmínění tabulky lze také vidět, že zdaleka největší magnetickou indukci ze všech materiálů má Pure iron annelaed testovaný v ANSYS Workbench. Vzhledem k jeho vysoké magnetické indukci by bylo velmi
strana
44
Diskuze
přínosné jeho srovnání s reálně měřenými materiály jako právě DC01, DC04 nebo s ARCO Pure Iron. Na obr. 24 je možné vidět celkové porovnání B-H křivek ocelí testovaných v programu ANSYS Workbench a reálně měřených Hallovou sondou. Ze zmíněného obrázku lze poznat zřetelný rozdíl mezi materiály testovanými MKP analýzou a Hallovou sondou.
Obr. 28 Graf porovnání B-H křivek všech testovaných ocelí
6.3 Simulace magnetického indukčního toku v obvodu
6.3
Ze získaných výsledků proudění magnetického indukčního toku v obvodu viz obr. 27 je možné usoudit, že tento magnetický tok neprochází celým průřezem obvodu rovnoměrně. Tento poznatek by bylo vhodné zohlednit u budoucích návrhů magnetického obvodu.
strana
45
Závěr
7
7 ZÁVĚR Hlavním cílem této bakalářské práce bylo měření magnetické indukce, remanentního magnetismu a B-H křivek ve vzduchové mezeře magnetického obvodu. Tyto naměřené hodnoty byly poté porovnány s MKP výsledky. Nedílnou součástí této práce byla také volba materiálů magnetického obvodu a jeho tepelné zpracování. Při volbě materiálu bylo vycházeno z obr. 10, který vyjadřuje vliv množství uhlíku (C) v materiálu na koercitivní sílu H a magnetickou indukci B. Proto byly oceli rozděleny do 3 skupin podle procenta uhlíku: První skupina 0,2 ± 0,02% C => Ocel S235JR s 0,2% C Druhá skupina 0,14 ± 0,02% C => Ocel DC01 s 0,12% C Třetí skupina 0,06 ± 0,02% => Ocel DC04 s 0,08 % C Součástí měření byl také návrh upínacího přípravku, do kterého se obvod zakládal. Postupným měřením magnetického obvodu musel být upínací přípravek několikrát upravován, z důvodu nedosažení opakovatelnosti naměřených výsledků. Proto byly vytvořeny 3 verze tohoto přípravku a až v poslední verzi bylo docíleno přijatelných výsledků rozptylu naměřených hodnot. Konstrukce poslední verze upínacího přípravku musela splňovat přesné rozměrové a geometrické tolerance a taktéž nízkou drsnost povrchu. Přínosy práce:
strana
46
Podle MKP analýzy víme, jaké druhy ocelí vykazují vysokou magnetickou indukci.
Víme, jaké druhy tepelného zpracování mají pozitivní vliv na magnetickou indukci a remanenci v materiálu.
Známe, jak vypadá proudění magnetického indukčního toku v obvodu, který ovlivňuje magnetickou indukci měřenou ve vzduchové mezeře.
Víme, jaké požadavky musí být kladeny na konstrukci upínacího přípravku pro budoucí testování magnetických obvodů.
Seznam použitých zdrojů
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1]
MAYER, D. Magnetické kapaliny a jejich použití (1. část); ELEKTRO 3/2007 [online]. Dostupné z URL:
[cit. 2015-02-21].
[2]
DLUGOŠ, J. Simulace magnetického obvodu magnetoreologické spojky metodou konečných prvků. Brno: Vysoké učeni technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2012. 78 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jakub Roupec, Ph.D.
[3]
NOVÁČEK, V. Technologie výroby Magnetoreologických kapalin. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 40 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jakub Roupec.
[4]
KUBIK, M. Návrh testovacího standu pro stanovení provozních parametrů magnetického hřídelového těsnění. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 94s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jakub Roupec Ph.D.
[5]
SEDLÁČEK, J., STEINBAUER, M. Magnetické obvody; Elektrotechnika 1 [online]. Dostupné z URL: [cit. 2015-03-12].
[6]
Wayne Storr. Electronics-Tutorials.ws. Magnetic Hysteresis [online]. Dostupné z URL: [cit. 2015-03-05].
[7]
LEUCHTER, J. Magnetické materiály [online]. Dostupné z URL: [cit. 2015-03-12].
[8]
KUČERA, P., NOVÁK J., TOMEŠ J., ŽONDA P., Simulace magnetického obvodu (ZKP 2014). Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2014. 15s.
[9]
REICHL, J., VŠETIŠKA, M., Encyklopedie fyziky. Magnetická hystereze [online]. Dostupné z URL: [cit. 2015-04-03].
[10] Feromagnetické materiály [online]. elt.wz.cz/rp.htm> [cit. 2015-04-02].
Dostupné
z
URL:
[11] MAGNETICKÉ POLE – Vlastnosti látek [online]. Dostupné na URL: [cit. 2015-03-15]. [12] AK Steel International. ARMCO Pure Iron [online]. Dostupné na URL: < http://www.pctmg.nl/uploads/API-Brochure.pdf> [cit. 2015-04-04].
strana
47
Seznam použitých zdrojů
[13] Remanence – Wikipedie, Otevřená Encyklopedie. Dostupné na URL: < http://cs.wikipedia.org/wiki/Remanence> [cit. 2015-04-03]. [14] Harvard health Publications. Moderate exercise: No pain, big gains [online]. 2007, roč. 4, vydání 8. Dostupné z URL: < http://harvardhealth.staywell.com/viewnewsletter.aspx?inc=yes&nlid=63 > [cit. 2015-05-10]
strana
48
Seznam použitých zkratek, symbolů a veličin
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN B Br H I Um z
magnetická indukce remanence intenzita magnetického pole elektricky proud magnetomotorické napětí H počet závitů cívky magnetický indukční tok vzdálenost od vrchní hrany profilu magnetického obvodu plocha, kterou prochází magnetický indukční tok permeabilita vakua relativní permeabilita čas teplota
s S μ0 μr t T
mT mT A.mm-1 A A.závit Wb mm m2 H.m-1 H.m-1 h °C
MR TZ MKP C Mn P S Si Al Cu N
magnetoreologická tepelné zpracování metoda konečných prvků uhlík mangan fosfor síra křemík hliník měď dusík
∅
strana
49
Seznam obrázků a grafů
SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ Obr. 1 Histogram četností velikostí nanočástic v typické komerční nanomagnetické kapalině [1] ................................................................................................................ 17 Obr. 2 Magnetické nanočástice, jejichž povrch je opatřen detergentovým řetězcem molekul [1] ................................................................................................................. 18 Obr. 3 Železné částice MR kapaliny pod mikroskopem [2] ..................................... 19 Obr. 4 Zatěžovací módy MR kapalin (a) ventilový; (b) smykový; (c) tahový-tlakový [2] ............................................................................................................................... 19 Obr. 5 Různé tvarové provedení magnetických obvodů [5] ..................................... 20 Obr. 6 B-H křivky oceli, železa a vzduchu [6] ......................................................... 21 Obr. 7 B-H křivky feromagnetického materiálu (šedá), paramagnetického (modrá), diamagnetického (zelená), vakua (červená) [2] ......................................................... 22 Obr. 8 B-H křivky magneticky měkkého (vlevo) a tvrdého (vpravo) materiálu [8] . 23 Obr. 9 B-H křivka s naznačenými kótami remanence Br a koercitivní síly Hk [9] ... 24 Obr. 10 Graf vlivu množství uhlíku (C) v materiálu na koercitivní sílu H a magnetickou indukci B [12].................................................................................... 25 Obr. 11 Nákres geometrie magnetického obvodu ..................................................... 27 Obr. 12 Graf ohřevu oceli při normalizačním žíhání ................................................ 28 Obr. 13 Homogenizačně vyžíhaná ocel v austenitické folii ..................................... 28 Obr. 14 Graf ohřevu oceli při homogenizačním žíhání ............................................ 29 Obr. 15 Graf ohřevu oceli před zakalení do vody ..................................................... 29 Obr. 16 Ocel S235JR zleva bez tepelného zpracování, kalená do vody, normalizačně žíhaná a homogenizačně žíhaná ................................................................................ 30 Obr. 17 Sestava upínacího přípravku verze 1 ........................................................... 33 Obr. 18 Sestava upínacího přípravku verze 2 ........................................................... 34 Obr. 19 Sestava upínacího přípravku verze 2 - pohled ze strany dosedací lišty ....... 34 Obr. 20 Sestava upínacího přípravku verze 3 ........................................................... 36 Obr. 21 B-H křivky oceli S235JR ............................................................................. 39 Obr. 22 Plechy magnetického obvodu ...................................................................... 39 Obr. 23 Importovaný magnetický obvod s cívkou v ANSYS Workbench ............... 40 Obr. 24 B-H křivky ocelí v programu ANSYS Workbench ..................................... 41 Obr. 25 Měřená cesta od vrchní hrany do středu profilu magnetické obvodu .......... 41 Obr. 26 Graf magnetické indukce ve vzduchové mezeře ......................................... 42 Obr. 27 Rozdílný magnetický indukční tok v rohové části magnetického obvodu .. 43 Obr. 28 Graf porovnání B-H křivek všech testovaných ocelí ................................... 45
strana
50
Seznam tabulek
SEZNAM TABULEK Tab. 1 Přehled zvolených materiálů .......................................................................... 26 Tab. 2 Tabulka opakovatelnosti výsledků ................................................................. 35 Tab. 3 Porovnání naměřených výsledků oceli S235JR.............................................. 38 Tab. 4 Tabulka magnetických indukcí v různých vzdálenostech od vrchní hrany magnetického obvodu ................................................................................................. 42
strana
51
