一種利用磁流體液流變效應(yīng)的在線動平衡方法

張西寧,尤亞男,王奔

(西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室,710049,西安)

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一種利用磁流體液流變效應(yīng)的在線動平衡方法

張西寧,尤亞男,王奔

(西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室,710049,西安)

針對現(xiàn)有在線動平衡方法存在的缺陷,提出了一種新的基于磁流體流變效應(yīng)的在線動平衡方法。從理論上分析和闡明了局部磁場作用下磁流體由于內(nèi)部壓力變化導(dǎo)致產(chǎn)生質(zhì)量偏心的原理,利用線激光投影測量法,對不同磁場條件下的磁流體表面進行實驗測試。對所得磁流體三維形貌圖分析可知,在局部磁場作用方向上,磁流體質(zhì)量偏心程度隨磁感應(yīng)強度的增加而增加,驗證了利用磁流體流變效應(yīng)實現(xiàn)動平衡的可行性。為實現(xiàn)對任意大小和方向失衡量的校正,設(shè)計了平衡容器及3個互成120°的共軛C型電磁鐵,通過構(gòu)建電磁鐵有限元模型,對給定電流下電磁鐵周圍磁感應(yīng)強度進行了分析。實驗中利用電磁鐵線圈電流變化實現(xiàn)在線動平衡,實驗結(jié)果表明,磁流體流變效應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)量偏心可用于轉(zhuǎn)子失衡校正,一次校正后不平衡量下降率達65.14%。實驗驗證了提出的動平衡方法的有效性。

轉(zhuǎn)子;在線動平衡;磁流體;電磁鐵

機床是機械制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備[1],也是一個國家工業(yè)水平的重要標志。主軸失衡振動是機床工作中的常見問題,微小的主軸失衡量都會產(chǎn)生很大的振動,影響加工件的精度和表面質(zhì)量[2]。為了降低主軸工作過程的失衡振動,保證加工精度,提高工作效率,在不停機情況下校正主軸的失衡已成為機床主軸平衡技術(shù)的發(fā)展趨勢[3-5]。

現(xiàn)有的在線動平衡方法可以分為氣體式、機械式、電磁式和注液式等類型[6]。盡管以上在線動平衡方法在實際應(yīng)用中取得了較好效果,但仍然存在一些缺陷。氣體式在線動平衡裝置密封性要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高,且由于氣體介質(zhì)輕,使得平衡校正量有限。機械式在線動平衡裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零部件較多,配重塊在高速下難以準確定位,如2014年浙江大學顧超華等設(shè)計的多通道投鋼珠機械式平衡頭需要鋼珠導(dǎo)向板、隔離板等16種零部件,且導(dǎo)向板等形狀不規(guī)則,存在設(shè)計加工困難的問題[7]。電磁式的同樣也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零部件多,設(shè)計、制造和安裝困難等問題,如2012年西安交通大學馬石磊等設(shè)計的新型電磁動平衡裝置,由加工有凸臺的轉(zhuǎn)軸和多個鼠籠狀鐵心等組成,轉(zhuǎn)軸和鐵心在旋轉(zhuǎn)中同軸度難以保證[8]。又如2013年西安交通大學樊紅衛(wèi)等研制的電磁配重型在線自動平衡頭需要配重盤、磁性盤等11種零部件,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[9]。注液式在線動平衡裝置在注排液過程中容易導(dǎo)致平衡介質(zhì)霧化,易引起環(huán)境污染或金屬銹蝕。上述幾種在線動平衡裝置普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組件多、精度要求高、成本高等問題。

磁流體作為一種可控流體,具有優(yōu)良的電磁學和機械流變屬性[7-8]。本文通過對磁流體流變效應(yīng)引起的質(zhì)量分布變化的分析,提出了一種基于磁流體液流變效應(yīng)的在線動平衡方法。該方法利用磁流體液流變效應(yīng)產(chǎn)生的偏心質(zhì)量補償轉(zhuǎn)子的失衡量,可望用于實現(xiàn)機床主軸的在線動平衡。

1 磁流體動平衡原理

磁流體是由直徑為納米量級的磁性固體顆粒、基載液以及界面活性劑3者混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體[9]。磁流變效應(yīng)是磁流體的重要特性,在無外加磁場時,磁流體呈現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì);在有外加磁場時,磁流體會瞬間產(chǎn)生磁流變效應(yīng),黏度增加,呈現(xiàn)出非牛頓流體的Bingham塑性體的行為[10-11]。當剪切應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力時,磁流體做類似固體的運動;當剪切應(yīng)力超過其屈服應(yīng)力時,磁流體做黏性流動。發(fā)生流變后磁流體中的磁性固體顆粒呈現(xiàn)各向異性,顆粒沿磁場方向形成鏈條分布結(jié)構(gòu),這種鏈條分布結(jié)構(gòu)使磁流體的導(dǎo)熱系數(shù)、黏度發(fā)生變化。當磁場消失后,磁流體會瞬間恢復(fù)到原始的狀態(tài)[12]。

磁流體流變效應(yīng)除了改變磁流體的物理性能外,還會引起磁流體表面形貌和質(zhì)量分布的變化[13-15]。圖1給出了在局部磁場作用下,磁流體的質(zhì)量分布在垂直方向上發(fā)生變化的情況。假設(shè)密封在圓形容器中的磁流體隨容器以一定的速度勻速旋轉(zhuǎn),在離心力的作用下,磁流體液將沿容器內(nèi)壁均勻分布,如圖2a所示。

圖1 磁場作用下磁流體液形貌變化圖

(a)無局部磁場

(b)有局部磁場圖2 磁流體動平衡原理圖

當發(fā)生流變效應(yīng)后,在旋轉(zhuǎn)離心力、重力以及流變效應(yīng)產(chǎn)生的磁壓力共同作用下,磁流體分布形貌相對容器保持不變。根據(jù)等溫流動以及流場溫度遠低于Curie溫度條件下的Bernoulli方程[16],可得到如下鐵磁流體動力學方程

(1)

式中:p為壓力;ρf為磁流體密度;V為流動速度;μ0為真空磁導(dǎo)率;M為磁化強度;H為磁場強度;C為常數(shù)。

由鐵磁流體動力學方程可得到,靜止情況下,無磁場的鐵磁流體表面點1和有水平向磁場的鐵磁流體表面點2處壓力的關(guān)系式如下

(2)

式中:p1、p2為點1、點2處的壓力;h1、h2為點1、點2處的磁流體平面高度。

(3)

邊界條件中pa為外界大氣壓,Mn為法向磁化強度。

式(3)表明,在外加水平向磁場作用下磁流體表面會克服重力沿垂直方向上升。因此,式(3)從理論上說明了在局部磁場作用下磁流體表面形貌會發(fā)生變化,從而使磁流體的質(zhì)量分布發(fā)生變化。圖2b中的磁流體由于在水平面內(nèi)施加了局部徑向磁場,磁流體的質(zhì)量分布會沿徑向向中心偏移。當容器處于旋轉(zhuǎn)運動時,在離心力作用下其他位置的磁流體會及時補充到磁場作用處直到壓力平衡為止,從而形成一定大小的平衡校正質(zhì)量。因此,借助磁流體流變效應(yīng)產(chǎn)生的偏心質(zhì)量,可實現(xiàn)對相反方向上失衡質(zhì)量的校正。

為實現(xiàn)對任意大小和方位失衡量的校正,必須使旋轉(zhuǎn)容器中磁流體的流變效應(yīng)能夠產(chǎn)生確定大小和方位的校正質(zhì)量。為了產(chǎn)生合適的校正質(zhì)量,需要改變電磁鐵的磁場強度,即通過調(diào)整電磁鐵線圈的電流來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)在確定方位上產(chǎn)生所需大小的校正質(zhì)量,結(jié)構(gòu)上采用了3個120°間隔分布的電磁鐵,將校正質(zhì)量分解到與之相對的兩個120°間隔方向的電磁鐵上,通過控制這兩個電磁鐵線圈電流的大小和比例來產(chǎn)生合適大小和方位的校正量。同時,為避免由于電磁鐵補償質(zhì)量和所需補償質(zhì)量方向大于90°而產(chǎn)生的質(zhì)量抵消,另一相電磁鐵不提供補償質(zhì)量,電流置0。圖3給出了實現(xiàn)某一失衡質(zhì)量校正的原理。假設(shè)轉(zhuǎn)子左側(cè)面存在失衡質(zhì)量,將校正量分解至方位差大于60°的兩個電磁鐵方向,同時對這兩相電磁鐵通電,另一相電磁鐵電流置0。根據(jù)三角形正弦定理

(4)

由總校正量可以計算出A、B兩相電磁鐵分別需要提供的校正量。

圖3 失衡量矢量分解圖

2 磁流體流變后質(zhì)量分布變化實驗

利用磁流體液在線動平衡的基礎(chǔ)是磁流體液發(fā)生流變后引起的質(zhì)量分布變化。為了驗證在磁場作用下磁流體流變產(chǎn)生的質(zhì)量分布變化,設(shè)計并進行了不同磁場下磁流體形貌和質(zhì)量分布的實驗。測量方案如圖4所示,將磁流體盛放在載物臺,永磁體固定在載物臺正下方,相機固定于載物臺正上方。使用線激光投影測量法,將激光以一定角度照射在加載過磁場的磁流體表面,每次會依據(jù)其形貌出現(xiàn)一束激光投影條紋。

圖4 線激光投影測量法示意圖

采用相機拍照記錄激光投影條紋。將載物臺沿某一特定方向移動2 mm,拍照后再次移動,直至測量形貌的條紋變?yōu)樗角也辉僮兓瘯r停止,所得條紋圖像如圖5所示。為了方便提取測試圖像中的信息,采用Matlab平臺進行處理,經(jīng)過圖像讀取、紅色分量提取、曲線匯總擬合、去雜質(zhì)和光滑處理之后,可以得到磁流體總體三維形貌。

圖5 條紋圖像示例

(a)1塊磁鐵

(b)2塊磁鐵

(c)3塊磁鐵圖6 不同磁場作用下的磁流體三維形貌圖

實驗中為探究磁流體形貌變化與磁感應(yīng)強度(中心點處)的關(guān)系,設(shè)定了3種不同的磁感應(yīng)強度,如表1所示,并通過對測試數(shù)據(jù)、圖像等分析處理,分別得出3種磁感應(yīng)強度下磁流體的三維形貌變化。由圖6可以看出磁流體流變后的形貌隨磁場強度變化情況,磁流體形貌的高度隨磁場強度的增加而增加,即磁流體沿高度方向上的質(zhì)量分布、質(zhì)心隨磁場強度的增加而增加。因此,實驗驗證了通過改變磁場強度能夠改變磁流體的質(zhì)量分布,同時也表明了采用磁流體的流變效應(yīng)使磁流體產(chǎn)生偏心質(zhì)量,進而實現(xiàn)動平衡是可行的。

表1 實驗條件列表

3 實驗中的電磁鐵設(shè)計及仿真分析

本文提出的在線動平衡方法是將磁流體和電磁鐵密封于旋轉(zhuǎn)容器,利用磁流體在磁場作用產(chǎn)生的偏心質(zhì)量校正轉(zhuǎn)子的失衡。因此,實驗中提供可變磁場的電磁鐵設(shè)計和分析尤為重要。在動平衡過程中,電磁鐵密封安裝在旋轉(zhuǎn)容器內(nèi)部,與其同步旋轉(zhuǎn),應(yīng)具有體積小、質(zhì)量輕、散熱性好的特性。本文自主設(shè)計了如圖7所示的共軛C型電磁鐵,采用DT4純鐵材料,保證電磁鐵在通電時可在容腔的外側(cè)壁產(chǎn)生磁場,兩端氣隙開口沿著徑向處于較遠端,可以更大程度上發(fā)揮對磁流體的控制功能。

(a)鐵芯設(shè)計圖

(b)三維建模圖圖7 共軛C型電磁鐵三維模型

電磁鐵磁感應(yīng)強度分布求解通常采用磁路和磁場兩種方法。磁路方法簡單易行,計算工作量小,但計算精度低,無法滿足現(xiàn)代設(shè)計的需求;磁場的方法計算復(fù)雜,可利用有限元軟件ANSYS對電磁鐵進行三維磁場分析,能達到很高的計算精度。由于本電磁鐵結(jié)構(gòu)具有對稱性,從降低計算量角度出發(fā),在磁路仿真過程中,沿對稱軸對結(jié)構(gòu)的1/4部分進行重構(gòu)。設(shè)定線圈匝數(shù)為600圈,勵磁電流為1.5 A,根據(jù)圖8可以看出電磁鐵內(nèi)部磁路情況以及在氣隙位置的磁感應(yīng)強度分布,發(fā)現(xiàn)在電磁鐵鐵芯結(jié)構(gòu)傳遞過程中,拐角處磁感應(yīng)強度出現(xiàn)了峰值,隨著距離勵磁線圈越遠,其磁感應(yīng)強度也出現(xiàn)了下降趨勢。在氣隙處,磁場由磁性介質(zhì)進入空氣,磁力線出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象,圖9分析了氣隙處磁感應(yīng)強度的變化情況,最大磁感應(yīng)強度達到264 mT。

圖8 電磁鐵內(nèi)部及氣隙磁感應(yīng)強度分析

圖9 氣隙中磁感應(yīng)強度的變化

4 磁流體在線動平衡實驗

動平衡實驗系統(tǒng)以上海申克公司生產(chǎn)的HV2-30型立式動平衡機為主進行構(gòu)建。立式動平衡機的作用一是為裝有磁流體和電磁鐵的平衡容器提供旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動,二是顯示實驗平衡裝置當前的失衡質(zhì)量。平衡裝置包含平衡主體盤、電磁鐵、磁流體、端面蓋板和導(dǎo)電滑環(huán)5部分,將磁流體和電磁鐵置于平衡主體盤內(nèi)部,平衡主體盤安裝于動平衡機轉(zhuǎn)動平臺上,使用端面蓋板進行密封,導(dǎo)電滑環(huán)用于避免旋轉(zhuǎn)過程中可能產(chǎn)生的導(dǎo)線纏繞現(xiàn)象。實驗中的電磁鐵線圈電流由直流電源提供。

4.1 初始失衡量的測定

實驗轉(zhuǎn)速設(shè)定為230 r/min,利用動平衡機測量系統(tǒng)初始不平衡量為1.07 g,角度為32°。校正量與其大小相等,方向相反。根據(jù)三角形正弦定理將校正量分解到A、B兩相電磁鐵,質(zhì)量分別為1.24 g和0.58 g,如圖10所示。

圖10 初始失衡量矢量分解圖

4.2 電磁鐵通電后失衡量的測定

實驗首先分別測定了在230 r/min下A、B相電磁鐵單獨通電時所產(chǎn)生的校正質(zhì)量。然后由實驗數(shù)據(jù)分別得到A、B兩相電磁鐵通電電流與校正質(zhì)量間的關(guān)系。再根據(jù)A、B兩相電磁鐵應(yīng)提供的校正質(zhì)量1.24 g和0.58 g,分別調(diào)整A、B兩相電磁鐵上施加的電流大小,并從平衡機上讀取剩余不平衡量。當轉(zhuǎn)速為230 r/min、給A相和B相電磁鐵電流分別施加電流0.2 A和0.15 A時,得到殘余不平衡質(zhì)量為0.373 g,角度為298°。施加電流后不平衡質(zhì)量的校正率為65.14%。實驗結(jié)果驗證了基于磁流體流變效應(yīng)的動平衡方法的效果。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于磁流體流變效應(yīng)的在線動平衡方法,從理論上分析了磁流體在局部磁場作用下質(zhì)量分布發(fā)生變化,從而產(chǎn)生質(zhì)量偏移的原理。采用線激光投影測量法獲得了不同大小磁場作用下磁流體表面的三維形貌圖,得到了磁流體在磁場作用方向上的質(zhì)量偏心程度隨磁場強度增加而遞增的規(guī)律,從實驗上驗證了采用磁流體進行動平衡的可行性。設(shè)計了平衡容器及3個互成120°的電磁鐵,實現(xiàn)對任意大小和方向失衡量的校正。同現(xiàn)有的機械式和電磁式平衡頭相比,本文設(shè)計的平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單,僅需要平衡主體盤、電磁鐵等5個零部件,同時電磁鐵內(nèi)置于主體盤內(nèi)部,磁場和轉(zhuǎn)軸同軸度得到保證,并且不存在氣體式和注液式平衡裝置的氣體泄漏和液體霧化問題。ANSYS仿真分析得到的最大磁感應(yīng)強度可達264 mT,滿足了設(shè)計要求。動平衡實驗結(jié)果表明,磁流體流變效應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)量偏心可用于轉(zhuǎn)子失衡校正,一次校正后不平衡量下降率達65.14%,驗證了基于磁流體流變效應(yīng)的在線動平衡方法的效果。

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(編輯 杜秀杰)

An Online Dynamic Balancing Method with Magnetic Fluid Magneto-Rheological Effect

ZHANG Xining,YOU Yanan,WANG Ben

(State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Focusing on the defects of the existing online dynamic balancing methods, a new online dynamic balancing method with magneto-rheological effect of magnetic fluid is proposed. The principle of eccentric mass generation due to the change of internal pressure of magnetic fluid under local magnetic field is theoretically analyzed and expounded. The surface topographical images of magnetic fluid are obtained with line laser projection measurement method. It is found that the degree of eccentric mass increases with magnetic induction in the direction of the local magnetic field, thus the practicability of dynamic balancing with magneto-rheological effect is verified. The structure of balancing container and three conjugated C-type electromagnets with 120° each other are designed to implement the correction of unbalance with any arbitrary magnitude and angle. Constructing a finite element model of the designed electromagnet, the magnetic induction intensity of electromagnet is analyzed under given current condition. In the experiment, on-line dynamic balancing is accomplished by utilizing current change of the electromagnet coil. The result of balancing experiment shows that eccentric mass generation due to magneto-rheological effect of magnetic fluid can be employed to correct the rotor unbalance, and the unbalance is decreased by 65.14% after once correction. The performance of the proposed method is also verified.

rotor; online dynamic balance; magnetic fluid; electromagnet

2016-06-08。 作者簡介:張西寧(1965—),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51275379);國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體資助項目(51421004)。

時間:2016-09-22

10.7652/xjtuxb201612002

TH17

A

0253-987X(2016)12-0006-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http: ∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160922.1839.008.html