CZ305809B6 - Obtokový reometr pro testování vlastností magnetoreologických kapalin a způsob analýzy dat - Google Patents

Abstract

Obtokový reometr pro testování magnetoreologických kapalin sestává z hydraulického válce (18) s pístem (19) opatřeného na obou koncích vyústěním pístnice (2), naplněného hydraulickým olejem (16) a upnutého k testru automobilového tlumiče pomocí adaptéru (1) spojeného s hydraulickým válcem (18), přičemž hydraulický válec je spojen spojovacím potrubím (17) s přírubami reometrického válce (7). Spojovací potrubí (17) je opatřeno expanzní nádobkou (5) a ventily (4) se šroubením (3), kde reometrický válec (7) je opatřen dvěma plovoucími písty (6) s odvzdušňovacími šrouby (9), mezi nimiž je umístěna magnetoreologická kapalina (15) a magnetoreologická štěrbina (12) v plášti reometrického válce (7) spojená magnetickým obvodem (13) s cívkou (14). Tělo reometrického válce (7) je obklopeno chladicím prostorem (8) pro chladicí kapalinu a opatřeno teplotním čidlem (11). Plovoucí písty s odvzdušňovacími šrouby (9) oddělují hydraulický olej (16) od testované magnetoreologické kapaliny (15). Měřitelný rozsah smykového spádu u obtokového reometru podle vynálezu je od 10.sup.3 .n..sup.s-1 .n.do 10.sup.6.n. s.sup.-1.n.. Vynález se týká také analýzy dat včetně matematického aparátu a statistického vyhodnocení naměřeného signálu.

Description

Obtokový reometr pro testování vlastností magnetoreologických kapalin a způsob analýzy dat

Oblast techniky

Vynález se týká obtokového slit-flow reometru pro dlouhodobé testování vlastností magnetoreologických kapalin v reálných provozních podmínkách tlumicích zařízení včetně měření teploty a analýzy dat s možností použití pro trvanlivostní testy.

Dosavadní stav techniky

Základním komponentem magnetoreologických hydraulických tlumičů je speciální kapalina. Tato kapalina je označována jako magnetoreologická (MR) kapalina a skládá se ze tří základních složek: nosné kapaliny, ferromagnetických částic a aditivních přísad. Jako nosnou kapalinu lze použít vodu, olej nebo jinou kapalinu.

Základním zdrojem hodnocení chování magnetoreologických (MR) kapalin jsou tokové křivky (obr. 1) [1] a viskozitní křivky. Toková křivka vyjadřuje závislost smykového napětí τ na smykovém spádu γ', viskozitní křivka vyjadřuje závislost viskozity η na smykovém spádu γ'. Protože pro praxi je nejdůležitější smykový spád od 10 po 10⁵ s“¹, je užitečné měřit tokové křivky v tomto zkušebním režimu. Nejčastěji se toková křivka MR kapaliny nahrazuje binghamským modelem plastického materiálu.

Je-li toková křivka popisována pomocí Binghamského modelu, potom lze výsledné smykové napětí popsat pomocí rovnice (1) [2]:

T=T_y(H) + qf τ~> T_y, (1) kde H je intenzita magnetického pole, γ' smykový spád kapaliny, η je viskozita v neaktivovaném stavu (tj. viskozita při H = 0), τ je celkové smykové napětí a x_y je tzv. mez toku.

Při rutinním navrhování tlumicích prvků, zejména pro automobilový průmysl, je naprosto nezbytné kalkulovat s trvanlivostí projektované konstrukce. Kromě běžného pevnostně únavového pohledu je při využití tohoto fyzikálního jevu důležité zohlednit i specifickou problematiku degradace MR uzlu. Porovnáním změn tokových křivek v průběhu experimentu lze hodnotit vliv sledovaného parametru na životnost MR kapaliny.

Vzhledem k tomu, že je nezbytné sledovat chování MR kapaliny za podmínek, které odpovídají provozním podmínkám, tj. vysokým smykovým spádům a variabilním teplotám, je nutné zvolit odpovídající reometr. Jediný komerčně dostupný reometr schopný měřit v magnetickém poli nabízí firma Anton Paar GmbH [4], Maximální možný měřitelný smykový spád tohoto reometru je 10² s¹, což je o 3 až 4 řády méně než jsou reálné provozní podmínky v automobilovém tlumiči (10⁵ až 10⁶ s '). Ani koncepce reometru, který zhotovil výzkumný tým kolem Carlsona [3], není vhodná pro dlouhodobé testování.

Ve štěrbině MR tlumiče při běžné normativní zkoušce automobilových tlumičů se pohybuje hodnota smykového spádu od 10³ do 10⁶ s'¹. Při konstrukci MR zařízení je nutno počítat s jevem, kdy dochází k výraznému poklesu meze toku s rostoucí rychlostí toku. Z literatury [3] je známo, že k tomuto poklesu dochází při době průchodu Fe částice ventilem menší než 0,8 ms, v závislosti na intenzitě indukovaného magnetického pole. Komerčně dostupné reometry, jež umožňují měření v magnetickém poli, jsou schopny měřit pouze do hodnot smykového spádu 10³ s ', což je z praktického pohledu nedostatečné. Nejkratší doba průtoku MR kapaliny magne

- 1 CZ 305809 B6 ticky aktivní oblastí ventilu reometru podle vynálezu je 0,34 ms, což je téměř dvakrát kratší doba, než při které dochází k významnému oslabení meze toku při daném magnetizačním proudu [3].

Pro splnění podmínek reálného provozu automobilového tlumiče odpružení nelze použít žádný komerčně dostupný reometr. Pro životnostní testy MR kapalin je navíc velmi výhodná taková konstrukce reometru, která umožní dlouhodobá nepřerušovaná měření.

Reference:

1. CHOI, J. S., et al. Preparation and magnetorheological characteristics of polymer coated carbonyl iron suspensions, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, September 2006, vol. 304, no. 2, s. 374-376

2. Lord Materials Division, Designing with MR Fluids, Engineering Note, November 1999

3. GONCALVES F. D., AHMADIAN, M., CARLSON, J. D. Investigating the magnetorheological effect at high flow velocities, Smart Materials and Structures, vol. 15, no. 1, s. 75-85

4. Rheometer, Refractometer, Viscometer, Polarimeter, Density Meter...; Anton Paar.com [online]. 2010 [cit. 2010-05-10]. Physica MCR Rheometer Series. Dostupné zWWW: http://www.anton-paar.com/001 /en/60/47

5. BOURGOYNE, A. T. Jr, et al. Applied Drilling Engineering, Society of Petroleum Engineers Textbook Series, Vol. 2, ISBN 1-55563-001-4, Richardson, Texas, 2003.

6. MAZUREK, 1., ROUPEC, J. Pístový reometr pro testování vlastností magnetoreologických kapalin a způsob analýzy dat, Patentový spis č. 304 085, UPV Praha, 2013

Podstata vynálezu

Nedostatek vhodného reometru splňující podmínky reálného provozu řeší konstrukce reometru podle vynálezu, která umožňuje dlouhodobé testování MR kapalin v podmínkách odpovídajících reálnému zatížení. Obtokový reometr vychází z principu průtokového reometru, kdy je měrná kapilára nahrazena štěrbinou v tělese reometrického válce a pro vyvolání tlakového spádu je potřebná síla, sloužící k překonání hydraulických ztrát, vznikajících při cyklickém stlačování a roztahování hydraulického válce.

Předmětem vynálezu je obtokový reometr pro testování magnetoreologických kapalin, který sestává z běžného hydraulického válce s pístem opatřeného na obou koncích vyústěním pístnice, naplněného hydraulickým olejem a upnutého do pulsátoru pomocí adaptéru spojeného s hydraulickým válcem. Válec je spojený spojovacím potrubím s přírubami reometrického válce, kde spojovací potrubí je opatřeno expanzní nádobkou a ventily se sroubením. Reometrický válec je opatřen dvěma plovoucími písty s odvzdušňovacími šrouby, mezi nimiž je umístěna magnetoreologická kapalina a magnetoreologická štěrbina propojená magnetickým obvodem s cívkou. Tělo reometrického válce je obklopeno prostorem pro chladicí kapalinu a opatřeno teplotním čidlem. Plovoucí písty reometrického válce s odvzdušňovacími šrouby oddělují hydraulický olej od testované MR kapaliny. Měřitelný rozsah smykového spádu u obtokového reometru podle vynálezu je od 10³ s ¹ do 10⁶s '.

Předmětem vynálezu je také způsob analýzy signálů tlumicí síly, polohy pístu, napětí a proudu v elektromagnetické cívce naměřených obtokovým reometrem na jednotce testeru automobilových tlumičů (pulsátoru), kdy pomocí analytického řídicího programu se provedou následující kroky: a) numerická derivace signálu polohy pístu a získání signálu pístové rychlosti, b) numerická derivace signálu pístové rychlosti a získání signálu zrychlení pístu,

c) výběr bodů ze signálu tlumicí síly, při kterých je zrychlení pístu blízké nule a určení minimální hodnoty pístové rychlosti pro regresní analýzu,

-2CZ 305809 B6

d) zjištění hodnoty nejmenší regresní síly, která přímo souvisí se šířkou jádra v proudící binghamské kapalině, podle průsečíku regresní přímky závislosti síly působící na píst na rychlosti pístu se svislou souřadnou osou,

e) přepočet hodnot vybraných bodů tlumicí síly pomocí Teologických vztahů na hodnoty smyko5 vého napětí,

f) přepočet hodnot vybraných bodů pístové rychlosti pomocí Teologických vztahů na hodnoty smykového spádu,

g) vytvoření grafu závislosti smykového napětí na příslušném smykovém spádu s použitím vybraných bodů v krocích e) a f) a získání tokové křivky testované kapaliny při dané teplotě a 10 intenzitě magnetického pole ve štěrbině,

h) interaktivní přímková regresní analýza závislosti hodnot smykového napětí na smykovém spádu a

i) zjištění meze toku podle průsečíku regresní přímky se svislou souřadnou osou a dynamické viskozity podle směrnice regresní přímky.

Dalším předmětem vynálezu je použití obtokového reometru jako zátěžné jednotky při zatěžování magnetoreologické kapaliny při sledování změn jejich vlastností při dlouhodobém provozu.

Pohyb pístu hydraulického válce vyvolá proudění MR kapaliny magnetickou štěrbinou v reomet20 rickém válci. Intenzita magnetického pole v magnetickém obvodu a ve štěrbině je ovládána velikostí proudu v cívce. Při dekontaminaci po ukončení testu a novém plnění se z pulsátoru snímá po uzavření ventilů pomocí Sroubení pouze reometrický válec. Po výměně se plnicími šrouby doplní hydraulický olej. Po odvzdušnění je možné otevřít ventily a celý systém natlakovat dusíkem na tlak 0,3 MPa. Stabilní teplota při testu je snímána teplotním čidlem a udržována na zvo25 lené hladině pomocí kapaliny v chladicím prostoru. Vliv objemové roztažnosti celého hydraulického systému je kompenzován použitím expanzní nádobky.

Toto řešení umožňuje pomocí spojovacího potrubí pohybovat plovoucími písty v reometrickém válci beze změny vnitřního objemu celého reometru.

Základní technická data obtokového reometru při harmonickém pohybu jsou shrnuta v následující tabulce 1:

Tabulka 1

Maximální frekvence pulzátoru	30 Hz
Max. zdvih pulzátoru	150 mm
Maximální rychlost pístu	7,8 m/s
Plocha štěrbiny	37,5 mm2
Plocha pístu	876,0 mm2
Tloušťka štěrbiny	0,75 mm
Délka štěrbiny	15 mm
Max. intenzita magnetického pole	300kA.m‘
Max. pracovní teplota	120°C

Pístová jednotka se instaluje na libovolný typ mechanického, elektrického či hydraulického teste40 ru automobilových tlumičů (pulzátoru) při pístové rychlosti do 0,5 m/s. Reometr pulzátor cyklicky roztahuje a stlačuje a tím vzniká proudění ve štěrbině reometrického válce. Při testu se tenzometrickým siloměrem měří a zaznamenává signál síly na pístnici, signál polohy pístu se měří senzorem polohy. Signály se snímají vzorkovací frekvencí 500 Hz po dobu 20 až 80 s. Hodnoty pístové rychlosti a zrychlení se získají numerickou derivací polohy. Problematickou a pro reometr nesmírně důležitou je potřeba snímat teplotu hodnocené kapaliny během zkoušky co nejblíže měřicí štěrbiny.

Důležitým parametrem testuje intenzita magnetického pole ve štěrbině, která je závislá na proudu v cívce. Závislosti intenzity magnetického pole na proudu se získají při kalibraci reometru.

Výhoda obtokového reometru podle vynálezu spočívá v dosažení vysokých smykových spádů v zatěžované vrstvě kapaliny (až 10⁶ s¹, zatímco běžné reometry do 10² s¹), jednoduché instalaci na jakýkoliv mechanický nebo hydraulický tester automobilových tlumičů, snadné demontáži, dekontaminaci a nízkých pořizovacích a provozních nákladech. Průběžná pístnice hydraulického válce vyřešila problém se změnou vnitřního objemu při zanořování pístnice tlumiče. Tím je umožněno výrazné snížení vnitřního tlaku a tím zvýšení spolehlivosti. Zvýšení spolehlivosti systému přispívá rovněž jednoduchá konstrukce magnetického obvodu štěrbiny pracující s cívkou uloženou vně olejové náplně umožňující též dosahovat vysokou intenzitu magnetického pole. Demontáž reometrického válce při dekontaminaci před novým plněním i sama dekontaminace je jednoduchá a rychlá.

Další výhodou je jeho schopnost pracovat v dlouhodobém režimu. Díky tomu je možné bez vypouštění podrobit kapalinu dlouhodobému zatěžovacímu testu. Působením tlumicích sil při opakovaném roztahování a stlačování reometru (dochází k protlačování kapaliny štěrbinou v reometrickém válci) se tato významně ohřívá a po delší době dochází k její degradaci a změnám jejich reologických parametrů. U běžných reometrů jsou pouze změřeny parametry kapaliny a potom musí být kapalina přenesena do zatěžovací jednotky, kde je dlouhodobě zatěžována, potom opět přenesena do reometru, změří se změněné parametry a tento postup se opakuje až do ukončení životnostního testu kapaliny. Při těchto přenosech dochází ke ztrátám drahé kapaliny a hrozí její kontaminace. U reometru podle vynálezu tyto přenosy odpadají, pouze dojde k přepnutí řídicího programu z režimu reometru do režimu běžného hydraulického tlumiče.

Zvláštní pozornost je věnována analýze dat včetně matematického aparátu a statistického vyhodnocení množiny naměřených bodů. Po změření globální charakteristiky pístové jednotky se pomocí analytického řídicího programu, který může být instalován na libovolném typu analyzátoru nebo PC s měřicí kartou, provede vyhodnocení naměřeného signálu, transformace rychlostní charakteristiky pístové jednotky do tokové a viskózní křivky, vyhodnocení parametrů tokové křivky testované kapaliny za použití regresní analýzy při dané teplotě a intenzitě magnetického pole ve štěrbině a stanovení magnetické meze toku a dynamické viskozity. Tento postup je podrobně popsán v následujícím textu.

Teoretická východiska pro analýzu

Reometrická jednotka naplněná kapalinou se nainstaluje do testeru automobilových tlumičů, který reometr cyklicky roztahuje a stlačuje. Těmito pulzacemi je kapalina střídavě protlačována štěrbinou a vzniká na něm střídavý tlakový spád a tím síla odporu měřitelná siloměrem v rámu testeru. Protože je snímána pouze síla na píst v závislosti na poloze pístu, je nezbytné připravit teoretický aparát pro odvození základních reologických veličin.

Tlakový rozdíl Δρ způsobuje proudění štěrbinou o tloušťce h. šířce b a délce / (obr. 3). Je vhodné zvolit souřadný systém tak, aby se rovinay=0 shodovala se střední rovinou mezery (rovina symetrie). Pak souřadnice stykových rovnoběžných rovin jsou +h/2 a -h/2. L rovnováhy smykových a normálových sil působících na element kapaliny při ustáleném laminámím proudění Sp/Sx^ór/dy lze odvodit:

= (2)

-4CZ 305809 B6

Protože ve středu vrstvy (y=0) musí být r(y)=0 i v případě tuhého jádra, bude integrační konstanta nulová.

Obr. 3 Průtok binghamské kapaliny štěrbinou

Hlavním rysem, který odlišuje proudění binghamské tekutiny od newtonské tekutiny je existence regionu jádra, ve kterém je smykové napětí menší než mez toku. Proudění štěrbinou začne až po překonání meze toku r_y. Hodnotu vypočteme z rovnice (2) pro τ(γ₀)=-τ_γ:

(3)

Binghamský model má v souřadném systému obr. 3 zápis:

τΜ=η.γ'Μ~τ_γ

T_y > T{y) > -r_y T{y) = q.y'{y) + T_y pro f(y) < 0 odpovídá y>yo, pro f(y) = 0 odpovídá y₀ >y >-yo, pro y(y) > 0 odpovídá y<-yo.

(4) kde y'(y)=dv/dy je smykový spád a binghamská viskozita η je konstanta, stejně jako dynamická viskozita u newtonské kapaliny. Z rovnic (2) a (4) dostaneme:

dv ΔηT

- = — y+- , dy η.Ιη dv _Δρ ^Ty dy ηΡη' pro y>y₀, pro y<-y₀.

(5)

Po integraci a úpravě podle, dostaneme výraz pro rychlost prouděni. Integrační konstanta byla vypočtena z okrajové podmínky v(±h/2)=0.

v(y) =

V(»=V₀

pro |y|>jo, pro -y_o<y<yo (6)

Rychlost regionu jádra musí být také dána rovnicí (6) vyhodnocenou pro y=yo- Takže, pro rychlost jádra platí:

-5 CZ 305809 B6 ^{Vf} =} vr

2//7 \2 J (7)

Pro objemový průtok Q platí rovnice:

hf2

Q = jv(y)2u/y+ jv₀.b.dy + Jv(j?)A^ a také Q=h.b.v_s, (8)

-Λ/2 ~y₀ y₀ kde Vyje střední hodnota rychlostního profilu. Potom po integraci:

' 12η1 ( h \ h J

Pro výpočet smykového napětí r_w ve styku maziva se stěnou štěrbiny platí:

_ F_- ApF.h _ - Ap.h

2Jbl ~ 2J ’ (9) (10) kde Fje síla protlačující olej štěrbinou a S_t je součet kontaktních ploch. Smykový spád od hranice s jádrem (kde je nulový) směrem ke stěně lineárně narůstá. V okrajové vrstvě protékajícího maziva (y=-h/2) dosahuje smykový spád maximální hodnoty. Z rovnic (5), (3) a (9) vyplývá:

/ h\ Δρ( h\ ^rCTrťa Ú^-7

-Δρ[ h —

(.2

6v_s.h.(h-2y₀} h³-3h²y„₊4y³ (H)

Způsob zpracování a vyhodnocení naměřených signálů tlumicí síly a polohy pístu

Při každém rozběhovém testu reometrické jednotky se získá množina bodů Fv diagramu (v_x, F_x) v různých zátěžných stavech. Je to velký počet bodů s velkým rozptylem, způsobeným různými provozními podmínkami mechanismu v průběhu cyklu (obr. 4a). Z těchto bodů jsou následně vybrány jen ty, kdy je zrychlení pístu blízké nule (obr. 4b). Tento výběr odstraní vliv pružnosti plynové náplně a setrvačných sil na hysterezní charakter rozložení bodů.

Ani tuto množinu bodů nelze přímo zpracovat regresní analýzou, protože při práci mechanismu nejsou zastoupeny body na různých pístových rychlostech s vyrovnanou četností. Rozsah rychlostí je proto rozdělen na sto úseků a v každém stanovena lokální střední hodnota síly (obr. 6a).

V této fázi je interaktivním procesem určena minimální hodnota pístové rychlosti pro regresní analýzu. Množinou bodů nad touto hodnotou je proložena regresní křivka a její průsečík se svislou osou stanovuje sílu Fo (viz obr. 6a), po jejímž překonání začne kapalina téci. Šířka jádra se v průběhu pulzování reometru mění v závislosti na síle na píst F_p:

y₀(F_P) =

2.r_yJ _ h.F₀

pro |Fp| >F₀ (12)

Nyní je možné při znalosti geometrie štěrbiny přejít k přepočtu F-v diagramu na tokovou křivku. Střední rychlost proudění ve štěrbině v., lze spočítat z rovnice kontinuity a okamžité rychlosti pístu v_p:

-6CZ 305809 B6

s_p ^S _P v = v .—-—, ^p S, ^p lx.r.h (13) kde S_p je činná plocha pístu a S, je plocha štěrbiny. Sílu F_p lze za těchto předpokladů transformovat na celkové smykové napětí na okraji štěrbiny r_H a rychlost pístu v_p na smykový spád y'_w na okraji štěrbiny při použití vztahů:

41Sp ^p|

6v,A(ft-2y₀(F,)) 6^v,|

A³-3h²y^F_p} ₊ 4y^F_p} (14) pro \F_P\ >F₀ (15)

Při znalosti těchto veličin lze vykreslit závislost smykového napětí v kapalině na smykovém spádu (toková křivka) testované kapaliny při dané teplotě a intenzitě magnetického pole ve štěrbině (obr. 6b). Regresní analýzou této tokové křivky určíme výslednou dynamickou viskozitu η a mez toku T_y testované MR kapaliny.

V matematickém aparátu podle vynálezu je přihlédnuto k Binghamskému charakteru tokových charakteristik testovaných magnetoreologických kapalin. Binghamské kapaliny vykazují v tekoucím proudu vrstvu (tzv. jádro), která je proudem pouze unášena. Použité vztahy přinášejí vysokou přesnost přepočtu naměřené F-v charakteristiky na tokovou křivku.

Objasnění výkresů

Obr. 1: Toková křivka magnetoreologické kapaliny

Obr. 2: Funkční schéma reometru

Obr. 3: Průtok binghamské kapaliny štěrbinou

Obr. 4: Zjednodušené schéma magnetického obvodu

Obr. 5a: Naměřená množina bodů

Obr. 5b: Vybrané body síly s nulovým zrychlením pístnice

Obr. 6a: Množina bodů s vyrovnanou četností

Obr. 6b: Binghamský model MR kapaliny

Obr. 7: Výsledek analýzy MR kapaliny s magnetickou mezí toku 34 kPa a dynamickou viskozitou 0,2 Pas

Následuje příklad provedení podle vynálezu, který však není omezující v rozsahu patentových nároků.

Příklad uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Testování magnetoreologické kapaliny Lord 140CG pomocí obtokového reometru

K testování se použil obtokový reometr podle vynálezu (obr. 2) s měřitelným rozsahem smykového spádu 10³ s ¹ až 10⁶ s '. Konstrukce reometru sestávala z běžného hydraulického válce 18 s pístem 19 opatřeného na obou koncích vyústěním pístnice 2, naplněným hydraulickým olejem 16 a upnutým k pulsátoru pomocí adaptéru 1 spojeného s hydraulickým válcem J_8, přičemž hydraulický válec je spojen spojovacím potrubím 17 s přírubami reometrického válce 7. Spojovací potrubí 17 bylo opatřeno expanzní nádobkou 5 a ventily 4 se Sroubením 3. Reometrický válec 7 byl opatřen dvěma plovoucími písty 6 s odvzdušňovacími šrouby 9, mezi nimiž byla umístěna magnetoreologická kapalina 15 a magnetoreologická štěrbina 12 spojená magnetickým obvodem 13 s cívkou 14. Tělo reometrického válce 7 bylo obklopeno prostorem 8 pro chladicí kapalinu a opatřeno teplotním čidlem H_. Plovoucí písty 6 s odvzdušňovacími šrouby 9 oddělovaly hydraulický olej 16 od testované MR kapaliny 15.

Hydraulický válec 18 obtokového reometru naplněný kapalinou 15 se upnul pomocí adaptéru 1 k testeru automobilových tlumičů (pulzátoru), který reometr cyklicky roztahoval a stlačoval. Těmito pulzacemi byla kapalina 15 střídavě protlačována magnetickou štěrbinou 12 v těle reometrického válce 7 a vznikal na něm pulzující tlakový spád a tím tlumicí síla měřitelná siloměrem na úchytu reometru v rámu pulzátoru.

Pohyb pístu hydraulického válce 18 vyvolal proudění MR kapaliny magnetickou štěrbinou 12 z reometrického válce 7. Intenzita magnetického pole v magnetickém obvodu 13 a ve štěrbině 12 je ovládána velikostí proudu v cívce 14. Při dekontaminaci po ukončení testu a novém plnění se z pulsátoru odstranil po uzavření ventilů 4 pomocí Sroubení 3 pouze reometrický válec 7. Po výměně se plnícími šrouby 10 doplnil hydraulický olej 16. Stabilní teplota při testuje snímána teplotním čidlem 11 a udržována na zvolené hladině pomocí kapaliny v chladicím prostoru 8. Vliv objemové roztažnosti celého hydraulického systému byl kompenzován použitím expanzní nádobky 5. Technické provedení obtokového reometru umožňovalo pomocí potrubí 17 pohybovat plovoucími písty 6 v reometrickém válci 7 beze změny vnitřního objemu celého reometru.

Měření se provádělo v rozběhovém režimu, aby byly zaznamenány síly při co největším rozsahu pístových rychlostí. Tenzometrickým siloměrem se měřil a zaznamenával signál síly na pístnici 2 a lineárním senzorem se měřil signál polohy pístu 19. Dalšími dvěma snímanými signály byly proud a napětí na elektromagnetickém vinutí cívky 14 pístu. Ze signálu proudu elektromagnetického vinutí cívky 14 se pomocí kalibrační křivky stanovil průběh intenzity magnetického pole ve štěrbině 12 pístu. Magnetického pole o požadované intenzitě se docílilo stabilizovaným proudem protékajícím elektromagnetickým vinutím cívky 14. Signály se snímaly vzorkovací frekvencí 500 Hz po dobu 80 s. Hodnoty pístové rychlosti a zrychlení se získaly numerickou derivací polohy pístu 19. Teplota ve štěrbině se měřila teplotním čidlem 11 v tělese reometrického válce 7.

V řídicím a analytickém programu MultiViscoMRL instalovaném na PC s měřicí kartou se statisticky vyhodnotila množina naměřených hodnot. Získal se velký počet bodů s velkým rozptylem, způsobeným různými provozními podmínkami mechanismu v průběhu cyklu. Z těchto bodů se následně vybraly jen ty, kdy je zrychlení pístu blízké nule. Rozsah rychlostí se rozdělil na sto úseků a v každém stanovena lokální střední hodnota síly. Provedla se analýza signálů tlumicí síly, polohy pístu 19, napětí a proudu v elektromagnetické cívce 14 naměřených obtokovým reometrem na jednotce testeru automobilových tlumičů, kdy se pomocí analytického řídicího programu provedla numerická derivace signálu polohy pístu Γ9, a získal se signál pístové rychlosti, poté se provedla numerická derivace signálu pístové rychlosti a získal se signál zrychlení pístu, vybraly se body ze signálu tlumicí síly, při kterých bylo zrychlení pístu blízké nule, a určila se minimální hodnota pístové rychlosti pro regresní analýzu. Podle průsečíku regresní přímky závislosti síly působící na píst na rychlosti pístu se svislou souřadnou osou se zjistila hodnota nejmenší regresní síly, která přímo souvisí se šířkou jádra v proudící binghamské kapalině. Hodnoty vybraných bodů tlumicí síly se pomocí Teologických vztahů přepočetly na hodnoty smykového napětí a hodnoty vybraných bodů pístové rychlosti se pomocí Teologických vztahů přepočetly na hodnoty smykového spádu. Vytvořil se graf závislosti smykového napětí na příslušném smykovém spádu s použitím vybraných bodů, jak je uvedeno výše, a získala se toková křivka testované kapaliny

-8CZ 305809 B6 při dané teplotě a intenzitě magnetického pole ve štěrbině. Následně se provedla interaktivní přímková regresní analýza závislosti hodnot smykového napětí na smykovém spádu, podle průsečíku regresní přímky se svislou souřadnou osou se zjistila mez toku T_y a podle směrnice regresní přímky se určila dynamická viskozita η jako hledané parametry kapaliny.

Výstupní obrazovka analýzy této MR kapaliny s magnetickou mezí toku x_y(H) 33 kPa a dynamickou viskozitou 0,28 Pas je uvedena na obr. 7.

Průmyslová využitelnost

Obtokový reometr podle vynálezu umožňuje dlouhodobé testování magnetoreologických kapalin v reálných provozních podmínkách tlumicích zařízení, při smykových spádech 10³ s ¹ do 10⁶ s’¹ a přesné měření magnetoreologických vlastností kapalin. Výhodou je jednoduchá konstrukce se snadnou vyměnitelností jednotlivých komponentů, jednoduchá instalace na jakýkoliv mechanický nebo hydraulický tester automobilových tlumičů, snadná demontáž, dekontaminace a nízké pořizovací a provozní náklady. Obtokový reometr je využitelný i jako zátěžná jednotka při dlouhodobém testování magnetoreologických kapalin.

Vynález poskytuje také způsob analýzy naměřených dat včetně matematického aparátu a statistického vyhodnocení veličin testované magnetoreologické kapaliny.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Pístový reometr pro testování magnetoreologických kapalin, vyznačující se tím, že sestává z hydraulického válce (18) s pístem (19) opatřeného na obou koncích vyústěním pístnice (2), naplněného hydraulickým olejem (16) a upnutého k testeru automobilového tlumiče pomocí adaptéru (1) spojeného s hydraulickým válcem (18), přičemž válec (18) je spojený spojovacím potrubí s přírubami reometrického válce (7), kde spojovací potrubí je opatřeno expanzní nádobkou (5) a ventily (4) se šroubením (3), kde reometrický válec (7) je opatřen dvěma plovoucími písty (6) s odvzdušňovacími šrouby (9), mezi nimiž je umístěna magnetoreologická kapalina (15) a magnetoreologická štěrbina (12) propojená magnetickým obvodem (13) s cívkou (14), přičemž plovoucí písty (6) s odvzdušňovacími šrouby oddělují hydraulický olej (16) od testované magnetoreologické kapaliny (15) a tělo reometrického válce (7) je obklopeno prostorem (8) pro chladicí kapalinu, přičemž měřitelný rozsah smykového spádu obtokového reometru je od 10³ s' do 10⁶ s-¹.
2. 2. Způsob analýzy signálů tlumicí síly, polohy pístu, napětí a proudu v elektromagnetické cívce naměřených obtokovým reometrem podle nároku 1 na jednotce testeru automobilového tlumiče, vyznačující se tím, že pomocí analytického řídicího programu se provedou následující kroky:

   a) numerická derivace signálu polohy pístu a získání signálu pístové rychlosti

   b) numerická derivace signálu pístové rychlosti a získání signálu zrychlení pístu

   c) výběr bodů ze signálu tlumicí síly, při kterých je zrychlení pístu blízké nule a určení minimální hodnoty pístové rychlosti pro regresní analýzu

   d) zjištění hodnoty nejmenší regresní síly, podle průsečíku regresní přímky závislosti síly působící na píst na rychlosti pístu se svislou souřadnou osou

   e) přepočet hodnot vybraných bodů tlumicí síly pomocí Teologických vztahů na hodnoty smykového napětí

   -9CZ 305809 B6

   f) přepočet hodnot vybraných bodů pístové rychlosti pomocí reologických vztahů na hodnoty smykového spádu

   g) vytvoření grafu závislosti smykového napětí na příslušném smykovém spádu s použitím vybraných bodů v krocích e) a f) a získání tokové křivky testované kapaliny při dané teplotě a intenzitě magnetického pole ve štěrbině

   h) interaktivní přímková regresní analýza závislosti hodnot smykového napětí na smykovém spádu

   i) zjištění meze toku podle průsečíku regresní přímky se svislou souřadnou osou a dynamické viskozity podle směrnice regresní přímky.
3. 3. Použití obtokového reometru podle nároku 1 jako zátěžné jednotky při zatěžování magnetoreologické kapaliny při sledování změn jejich vlastností při dlouhodobém provozu.