ЛИНЕЙНЫЙ ПРИВОД С ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ
Рассмотрен линейный пневмогидравлический привод с электрореологическим (ЭР) управлением для обеспечения скорости перемещения объектов по заданному закону. Высокая точность поддержания скорости перемещений обеспечивается за счет применения в качестве рабочей среды ЭР-жидкости на основе крахмала, способной практически мгновенно изменять реологические свойства под действием электрического поля. Проведен расчет распределения потенциала в ЭР-дросселе, а также расчет скорости течения ЭР-жидкости в дросселе и трубопроводах. Экспериментально установлено, что эффективная регулировка скорости перемещения штока привода осуществляется при давлении воздуха на входе в пневмоцилиндр 0,4 атм и объемной концентрации дисперсной фазы рабочей жидкости 25%.
Научная статья
линейный привод с электрореологическим управлением
Д.С.Шахов1, аспирант, ORCID: 0000-0003-1113-0428
В.П.Михайлов1, д.т.н., проф., ORCID: 0000-0003-3638-7932
А.М.Базиненков1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0003-0845-2290
М.Е.Жуков1, студент, ORCID: 0000-0001-6522-1304 / shakhovds@student.bmstu.ru
Аннотация. Рассмотрен линейный пневмогидравлический привод с электрореологическим (ЭР) управлением для обеспечения скорости перемещения объектов по заданному закону. Высокая точность поддержания скорости перемещений обеспечивается за счет применения в качестве рабочей среды ЭР-жидкости на основе крахмала, способной практически мгновенно изменять реологические свойства под действием электрического поля. Проведен расчет распределения потенциала в ЭР-дросселе, а также расчет скорости течения ЭР-жидкости в дросселе и трубопроводах. Экспериментально установлено, что эффективная регулировка скорости перемещения штока привода осуществляется при давлении воздуха на входе в пневмоцилиндр 0,4 атм и объемной концентрации дисперсной фазы рабочей жидкости 25%.
Ключевые слова: пневмогидравлический привод, электрореологическая жидкость, вязкость, регулировка скорости перемещения
Для цитирования: Д.С. Шахов, В.П. Михайлов, А.М. Базиненков, М. Е. Жуков. Линейный привод с электрореологическим управлением. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 3-4. С. 232–238. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.232.238
Received: 17.04.2023 | Accepted: 21.04.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.232.238
Original paper
LINEAR PNEUMOHYDRAULIC DRIVE WITH ELECTRORHEOLOGICAL SPEED CONTROL
D.S.Shakhov1, Graduate student, ORCID: 0000-0003-1113-0428
V.P.Mikhailov1, Doct. of Sci. (Tech), Prof., ORCID: 0000-0003-3638-7932
A.M.Bazinenkov1, Associate Professor, Cand. of Sci. (Tech), ORCID: 0000-0003-0845-2290
M.E.Zhukov1, Student, ORCID: 0000-0001-6522-1304 / shakhovds@student.bmstu.ru
Abstract. A linear pneumohydraulic drive with electrorheological (ER) control is considered to ensure movement speed of objects according to a given law. The high accuracy of movement speed maintaining of is ensured by the use of a starch-based liquid as a working medium, capable of almost instantly changing rheological properties under the action of an electric field. Calculations of potential distribution in the ER valve is carried out, as well as calculation of the flow velocity of the ER fluid in the throttle and pipelines. It has been experimentally established that effective adjustment of drive rod movement speed is carried out at air pressure of 0.4 atm at the inlet to the pneumatic cylinder and a volume concentration of working fluid dispersed phase of 25%.
Keywords: pneumohydraulic drive, electrorheological fluid, viscosity, speed adjustment
For citation: D.S. Shakhov, V.P. Mikhailov, A.M. Bazinenkov, M.E. Zhukov. Linear pneumohydraulic drive with electrorheological speed control. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 3-4. PP. 232–238. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.232.238.
ВВЕДЕНИЕ
Линейный привод используется в нанотехнологическом оборудовании как для загрузки и выгрузки обрабатываемых изделий, так и для перемещений изделий и инструмента в процессе технологического воздействия. Для обеспечения требований обработки часто необходимо осуществлять перемещение с постоянной скоростью или по определенному закону и поддерживать необходимую скорость с высокой точностью, например, при сканировании координатных столов во время электронной, ионной и лазерной обработки. Наиболее эффективное управление скоростью движения осуществляется в пневматических и гидравлических приводах. Для повышения точности перемещений пневмогидравлического привода, в качестве рабочей жидкости использован интеллектуальный материал – электрореологическая жидкость (ЭРЖ) [4, 5]. ЭРЖ представляет собой суспензию частиц поляризующихся материалов, распределенных в диэлектрической жидкости. В отсутствие электрического поля ЭРЖ ведут себя как большинство обычных суспензий, проявляя при течении ньютоновские свойства. Однако, при приложении электрического поля в них практически мгновенно происходит резкое обратимое увеличение вязкости за счет образования цепочечных структур, направленных параллельно силовым линиям электрического поля. Помимо вязкости, будут меняться упругость и пластичность жидкости. При снятии электрического поля ЭРЖ также быстро возвращается в исходное состояние. Работы по исследованию ЭРЖ, в основном, направлены на выбор дисперсной фазы, которая обеспечит максимальный электрореологический (ЭР) эффект суспензии. Использование в качестве дисперсной фазы титаната бария позволяет получить напряжение деформации сдвига 400 Па при напряженности электрического поля 800 В/мм [1]. В случае использования в качестве твердой фазы суспензии литиевой соли сополимера полистирол-блок-полиизопрена, достигается напряжение деформации сдвига 50 Па при 560 В/мм [2]. Если же использовать в качестве наполнителя диоксид церия, можно достичь напряжения деформации сдвига 4000 Па при 3000 В/мм [3]. В качестве твердой фазы ЭРЖ может быть использован крахмал. Фотография линейного экспериментального пневмогидравлического привода с ЭР управлением показана на рис.1.
Основными элементами линейного привода являются пневматический цилиндр 1 и гидравлический цилиндр 2, поршни которых соединены общим штоком, а также ЭР-дроссель 3. Привод работает следующим образом. В полости пневматического цилиндра 1 от компрессора подается сжатый воздух, под действием которого поршень пневмоцилиндра совершает возвратно-поступательное движение и перемещает жестко связанный с ним поршень гидравлического цилиндра 2. Схема гидроцилиндра показана на рис.2. Гидроцилиндр заполнен ЭРЖ и при движении поршня она перекачивается из одной полости цилиндра в другую через ЭР-дроссель. Управление скоростью перемещения привода осуществляется при подаче управляющего напряжения на ЭР-дроссель. При этом меняется вязкость ЭРЖ и падение давления жидкости в дросселе, за счет чего происходит изменение объемного расхода ЭРЖ через дроссель и, соответственно, изменение скорости движения штока.
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРИВОДА
Был проведен расчет параметров привода: распределения потенциала в ЭР-дросселе, а также скорости течения ЭР-жидкости в дросселе и трубопроводах. На рис.3 показана схема ЭР-дросселя и его основные элементы: электрод 1, регулировочная пластина 2, изолятор 3, уплотнение 4, шайба 5, винт 6, а также микрозазор между электродами. При отсутствии электрического поля в микрозазоре, когда напряженность поля Е = 0, частицы дисперсной фазы равномерно распределены между электродами. При создании в зазоре поля напряженностью Е частицы выстраиваются вдоль силовых линий и меняют вязкость ЭРЖ.
На рис.4 показана фотография ЭР-дросселя и его элементы: отверстие для присоединения трубопровода 1, электроды 2 и изолятор 3.
На рис.5 представлены результаты расчета электрического поля в программной среде Comsol для ЭР-дросселя: осесимметричная конечно-элементная модель (а) и распределение потенциала (b). Расчет показал, что поле распределено между электродами равномерно и краевые эффекты практически отсутствуют.
Был также проведен расчет скорости течения ЭРЖ в зазоре дросселя и тубопроводах, так как скорость течения существенно влияет на эффективность управления дросселем и, соответственно, приводом. На рис.6 показана схема гидроцилиндра и подключения к нему ЭР-дросселя: гидроцилиндр 1, ЭР-дроссель 2 и трубопроводы 3.
На рис.7 представлены результаты расчета в программе Comsol скорости ламинарного течения ЭР-жидкости в дросселе, на рис.8 – скорости течения ЭРЖ в поперечном сечении трубопровода у выхода из ЭР-дросселя.
Результаты гидравлического расчета показали, что скорость течения ЭРЖ в зазоре дросселя и в поперечном сечении трубопровода распределена неравномерно вследствие углового расположения трубопроводов, поэтому такая компоновка не является оптимальной. В дальнейшем рекомендуется использовать прямопроточный ЭР-дроссель.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Целью эксперимента являлось определение эффективности регулирования скорости штока пневмогидравлического привода. При различных давлениях в пневмоцилиндре и различных напряжениях на обкладках дросселя проводилось измерение положения штока. В работе представлены результаты исследования образца ЭРЖ с объемной концентрацией дисперсной фазы крахмала 25%. Дисперсионной средой является кремнийорганическая жидкость ПМС-20, активатором – вода.
Полученные значения координат были пересчитаны в скорость перемещения штока. В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости скорости перемещения штока от напряжения на обкладках ЭР-дросселя. Указанные графики для давлений на входе в пневмоцилиндр 0,4 и 0,5 атм представлены, соответственно, на рис.9 и 10.
Показано, что с ростом напряжения на обкладках ЭРД происходит снижение скорости движения штока. Для давления на входе в пневмоцилиндр 0,4 атм изменение скорости наиболее выражено по сравнению с давлением 0,5 атм. Это объясняется тем, что при более высокой скорости течения ЭРЖ в дросселе эффект изменения вязкости в зазоре ослабевает.
ВЫВОДЫ
Изменение скорости привода связано с ЭР-эффектом, происходящим в рабочем зазоре ЭР-дросселя. Формирование цепочных структур частиц крахмала между электродами дросселя обеспечивает локальное увеличение вязкости жидкости в зазоре, приводящее к снижению расхода рабочей жидкости и уменьшению скорости движения штока привода.
При давлении воздуха на входе в пневмоцилиндр 0,5 атм расход жидкости относительно большой, в результате чего наблюдается малая эффективность регулировки скорости штока. Цепочные структуры не успевают сформироваться и быстро вымываются большим потоком жидкости.
Наиболее эффективное управление скоростью движения штока наблюдается при давлении воздуха на входе в пневмоцилиндр 0,4 атм. При этом с ростом напряжения от нуля до 2 кВ скорость движения штока снижается от 12 до 3 мм/с.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Lan Y.C., Huang C.K., Men S.Q., Lu K.Q. Experimental investigation of the frequency dependence of the electrorheological effect. Physical Review E. 2004. 70:021507.
Yavuz M., Unal H.I., Yildirir Y. Electrorheological Properties of Suspensions Prepared from Polystyrene-Block- Polyisoprene Copolymer. Turkish Journal of Chemistry, 2001, Vol. 25(1), PP. 19–32.
Agafonov A.V., Kraev A.S., Gerasimova T.V., Evdokimova O.L., Shekunova T.O., Baranchikov A.E., Borilo L.P., Ivanova O.S. Kozik V.V., Ivanov V.K. Properties of Electrorheological Fluids Based on Nanocrystalline Cerium Dioxide // Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2017, Vol. 62(5), PP. 625–632.
Шахов Д.С. Исследование седиментационной устойчивости электрореологической жидкости // Всероссийская научно-техническая конференция "Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии": материалы конференции, 4–8 апреля, 2022, Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана. М.: ООО "КванторФорм", 2022. [Электронный ресурс}. URL: studvesna.ru?go=articles&id=3558 (дата обращения: 15.04.2023).
Николаев М.А., Базиненков А.М., Михайлов В.П. Обеспечение заданного закона перемещения вакуумных механизмов за счет применения электрореологического регулятора скорости // Материалы XIX научно-технической конференции. "Вакуумная наука и техника". г. Судак. 2012. С. 349.