ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ МАГНИТОЖИДКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИЙ
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ МАГНИТОЖИДКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИЙ
Аннотация
Проведены численные исследования значений магнитной индукции для конструкций магнитожидкостных датчиков вибраций с внутренним и внешним расположением чувствительного элемента.
Рассмотрены магнитожидкостные датчики вибраций с магнитным подвесом, изготовленным из магнитных материалов с различными свойствами и геометрическими размерами.
По результатам численных исследований получены зависимости значений магнитной индукции в магнитном подвесе магнитожидкостного датчика при использовании магнитных материалов с разными свойствами и размерами от расстояния между чувствительным элементом и статическими постоянными магнитами. Это позволит выбрать размеры постоянных магнитов магнитожидкостных датчиков вибраций и их характеристики на этапе проектирования.
1. Введение
В настоящее время для виброконтроля узлов машиностроения, энергетики, авиационного и судового оборудования применяют датчики, работа которых основана на различных принципах действия , . Магнитожидкостные датчики имеют более высокую чувствительность измерений по сравнению с традиционными типами датчиков, что позволяет повысить контроль параметров и надежность работы технических узлов и снизить время регистрации переходного процесса.
Магнитожидкостный датчик вибраций (МЖДВ) включает в себя магнитный подвес, состоящий из чувствительного элемента в форме кольцевого постоянного магнита и двух статических магнитов, расположенных соосно и намагниченных одноименными полюсами относительно полюсов чувствительного элемента. Между чувствительным элементом и корпусом МЖДВ находится магнитная жидкость (МЖ). Наличие магнитной жидкости позволяет обеспечить левитацию чувствительного элемента и минимальное трение при движении его в осевом направлении.
Актуальность работы связана с созданием магнитожидкостных датчиков вибраций с высокой чувствительностью и точностью для технического оборудования различного назначения. Отсюда вытекают задачи по проведению исследований параметров магнитного поля в магнитожидкостных датчиках вибраций.
2. Методы исследований
Численные исследования параметров магнитного поля МЖДВ проведены на конечно-элементных моделях, созданных в трёх интегрированных средах: FEMM, ELCUT и QuickField с учетом граничных условий Дирихле-Неймана. Использование нескольких программных сред позволяет оценить корректность проведённых расчётов. При проведении исследований изменялись характеристики постоянных магнитов и расстояние между чувствительным элементом и статическими постоянными магнитами. Исследования проведены для четырех типоразмеров кольцевых постоянных магнитов: 20×12×5, 15×10×4, 10×7×3, 5×3×2. Значения коэрцитивной силы этих магнитов следующие: Hc=540 кА/м, 716 кА/м и 800 кА/м.
3. Основная часть
Цель работы состояла в расчете параметров магнитного поля магнитного подвеса МЖДВ при изменении характеристик, размеров постоянных магнитов и расстояний между ними.
Отсюда вытекают основные задачи исследований по определению параметров магнитной индукции в магнитном подвесе датчика и разработке рекомендаций по выбору постоянных магнитов на этапе проектирования МЖДВ.
При анализе конструктивных схем датчиков , , можно выделить две основные схемы конструкций, одна из которых имеет разомкнутый магнитопровод, а другая — замкнутый магнитопровод. Наиболее широкое применение нашла схема с разомкнутым магнитопроводом. Существует два конструктивных варианта схем с разомкнутым магнитопроводом: в одном из них (рис. 1а) чувствительный элемент расположен внутри корпуса датчика , а в другом — с его внешней стороны (рис. 1б) .
Конструкции магнитожидкостных датчиков вибраций:
а) с внутренним расположением чувствительного элемента; б) с внешним расположением чувствительного элемента
1 – немагнитный корпус; 2 – чувствительный элемент; 3 – измерительная обмотка; 4 – магнитная жидкость; 5 – торцевая крышка; 6, 7 – статические постоянные магниты; 8, 9 – сквозные отверстия
Статический постоянный магнит 7 фиксируется на немагнитном корпусе. Чувствительный элемент своими одноименными полюсами направлен к одноименным полюсам статических магнитов 6 и 7, что обеспечивает возникновение сил отталкивания между ними и препятствует их соприкосновению.
В качестве материалов магнитов выбраны высококоэрцитивные материалы из сплавов самарий-кобальт или неодим-железо-бор, которые обеспечивают высокие энергетические параметры магнитного подвеса датчика при его минимальных габаритах .
При выборе марки магнитной жидкости для магнитожидкостных датчиков вибраций необходимо соблюдать следующие требования: магнитная жидкость должна иметь низкую вязкость, обладать стабильностью своих физических свойств в магнитном поле и обеспечивать требуемый по условиям эксплуатации датчиков температурный диапазон. Таким требованиям соответствует МЖ марки Т40, изготовленная на основе керосина в соответствии с ТУ 49-2-3-85 в СКТБ «Полюс» .
При изменении расстояния между магнитами осуществляется регулировка чувствительности измерений. При уменьшении этого расстояния увеличивается сила отталкивания чувствительного элемента. Чувствительность измерений снижается, и регистрируемые величины находятся в области низкой частоты. Для повышения чувствительности измерений в диапазоне высоких частот увеличивается расстояние между чувствительным элементом и статическими магнитами.
Для повышения чувствительности измерений вибраций необходимо обеспечить равенство давлений в датчике. Это достигается выполнением отверстий 8 и 9.
Измерительным узлом датчика является магнитный подвес, в котором равновесие чувствительного элемента должны обеспечивать статические магниты за счёт равенства создаваемых ими сил отталкивания (рис. 2). Однако на чувствительный элемент действует и сила тяжести, которая совпадает по направлению с одной из сил отталкивания. Эти силы суммируются в направлении статического магнита 7, и чувствительный элемент смещается в его направлении. Величина зазора ∆2 становится меньше зазора ∆1. Это приводит к нарушению настроек датчика и вызывает появление погрешности измерений уровня вибраций , .
Силы, действующие на чувствительный элемент в магнитном подвесе
– увеличения площади статического кольцевого постоянного магнита, установленного на основании датчика;
– выбор кольцевого постоянного магнита, расположенного на основании датчика, с более высокими значениями энергетических параметров по сравнению с постоянным магнитом, установленным в торцевой крышке.
Для определения соотношений между размерами верхнего и нижнего постоянных магнитов магнитного подвеса в средах ELCUT, FEMM и QuickField проведены численные исследования распределения магнитной индукции в магнитном подвесе МЖДВ . Получены значения средней магнитной индукции в зазорах ∆1 и ∆2.
4. Результаты численных исследований магнитной индукции магнитожидкостного подвеса
На рисунках 3, 4, 5, 6 приведены расчетные графики средних значений магнитной индукции в магнитожидкостных датчиках с различными геометрическими размерами магнитного подвеса при изменении коэрцитивной силы постоянных магнитов. Результаты расчетов магнитной индукции при использовании сред QuickField, ELCUT и FEMM имеют отличия, которые составляют 1,5–2,0%. Погрешность расчетных результатов по сравнению с экспериментальными составляет 5–8%. Число конечных элементов для каждого варианта расчета составляло 158000–159000.
Рисунок 3 - Зависимость средней магнитной индукции от расстояния между чувствительным элементом и постоянными статическими магнитами с размерами 20×12×5 при различных значениях коэрцитивной силы
Рисунок 4 - Зависимость средней магнитной индукции от расстояния между чувствительным элементом и постоянными статическими магнитами с размерами 15×10×4 при различных значениях коэрцитивной силы
Рисунок 5 - Зависимость средней магнитной индукции от расстояния между чувствительным элементом и постоянными статическими магнитами с размерами 10×7×3 при различных значениях коэрцитивной силы
Рисунок 6 - Зависимость средней магнитной индукции от расстояния между чувствительным элементом и постоянными статическими магнитами с размерами 5×3×2 при различных значениях коэрцитивной силы
Компенсировать силу тяжести чувствительного элемента можно также за счет увеличения коэрцитивной силы нижнего магнита магнитного подвеса на 17–23%. Это достигается выбором нижнего постоянного магнита, имеющего группу по магнитным свойствам на две единицы выше, чем у верхнего магнита магнитного подвеса.
5. Заключение
На основании численных исследований разработаны рекомендации для выбора постоянных магнитов магнитного подвеса магнитожидкостных датчиков вибраций. Полученные результаты могут быть использованы при создании систем диагностики и мониторинга уровня вибраций технических объектов.
Основные результаты работы состоят в следующем:
– проведён анализ результатов расчёта магнитной индукции в магнитожидкостном датчике вибраций при использовании сред FEMM, ELCUT и QuickField. Полученные результаты отличаются на 1,5–2,0%. Расчётные результаты отличаются от результатов экспериментов в пределах 5–8%, что позволяет использовать полученные рекомендации при проектировании новых магнитожидкостных датчиков вибраций.
– найдены основные соотношения между размерами статических постоянных магнитов магнитного подвеса магнитожидкостных датчиков вибраций, что обеспечивает требуемую точность измерений вибраций технологического и энергетического оборудования;
– выполнены расчётные исследования, и получены соотношения между магнитными характеристиками статических магнитов магнитного подвеса: нижний статический магнит должен иметь значения коэрцитивной силы на 17–23% выше, чем верхний статический магнит.
– из результатов численных исследований в интегрированных средах FEMM, ELCUT и QuickField найдены значения магнитной индукции в зазорах ∆1 и ∆2, которые составляют 0,005–0,095 Тл при изменении величины зазора.
– на основании анализа свойств магнитных жидкостей даны рекомендации по выбору магнитной жидкости марки Т40, изготовленной на основе керосина в соответствии с ТУ 49-2-3-85 в СКТБ «Полюс». Рабочий температурный диапазон этой магнитной жидкости составляет ± 50°C.