1. Введение

В настоящее время для виброконтроля узлов машиностроения, энергетики, авиационного и судового оборудования применяют датчики, работа которых основана на различных принципах действия [1], [2]. 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 [3], [4], [5] 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 [6], а в другом — с его внешней стороны (рис. 1б) [7].

Немагнитный корпус 1 магнитожидкостных датчиков жестко соединен с оборудованием, вибрации от которого передаются на чувствительный элемент 2. Чувствительный элемент перемещается в вертикальном направлении, и магнитное поле, созданное им, наводит ЭДС в измерительной обмотке 3. Магнитная жидкость 4 обеспечивает левитацию чувствительного элемента и его перемещение при минимальном трении. В обоих датчиках в торцевой крышке 5 установлен статический постоянный магнит 6. Торцевая крышка может перемещаться вдоль оси корпуса датчика в вертикальном направлении, что позволяет производить регулирование значений измеряемых частот.

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 [8].

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» [9].

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 [10], [11].

Для обеспечения необходимой точности проводимых МЖДВ измерений предлагаются следующие конструктивные меры по компенсации силы тяжести, действующей на чувствительный элемент. К таким мерам относятся:

– 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 [12]. 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.

По результатам численных исследований следует, что компенсация силы тяжести чувствительного элемента и равенство зазоров ∆1 и ∆2 обеспечивается за счёт увеличения площади нижних статических магнитов магнитного подвеса по сравнению с верхними магнитами на 15–49%.

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 ± 50C.

The additional file for this article can be found as follows: