Способ гашения колебаний конструкций, изготовленных из ферромагнитных материалов

 

Использование: машиностроение, снижение шума в механизмах. Сущность изобретения: способ гашения колебаний конструкций, изготовленных из ферромагнитных материалов заключается в том, что детали конструкций помещают в переменное магнитное поле, напряженность которого превышает значение коэрцитивной силы материалов, из которых изготовлены соответствующие детали. 2 ил. , 3 табл.

Изобретение относится к демпфированию и гашению механических колебаний и может быть использовано для гашения вредных колебаний, снижения шума в механизмах, узлах и отдельных деталях конструкций.

Известно, что наложение постоянного магнитного поля уменьшает демпфирующую способность ферромагнетиков [1].

Это связано с тем, что постоянное магнитное поле понижает или исключает подвижность доменов под влиянием переменного поля напряжений, возникающего в материалах под влиянием вибраций, механических колебаний.

При достаточно подвижных доменах в ферромагнетиках упругая энергия механических колебаний расходуется на движение доменных границ (магнитная вязкость).

Повышение демпфирующей способности ферромагнитных материалов создается специальными сталями и сплавами, имеющими высокую магнитную вязкость, т.е. высокую энергоемкость движения доменных границ в переменном поле механических напряжений [2].

Однако этот путь весьма трудоемок, так как требует реализации сложных металлургических операций, использования дефицитных легирующих элементов, разработки особой технологической и нормативной документации.

Известен способ демпфирования колебаний подвижной системы, заключающийся в том, что колебания демпфируют, прикладывая к системе дополнительную диссипативную силу сопротивления, используя вязкость демпфирующей магнитной жидкости, путем возбуждения в ней импульсов магнитного поля [3].

Недостатками этого способа являются: сложность, так как для демпфирования колебаний подвижной системы требуется смонтировать дополнительное электромеханическое устройство с обратной электронной связью.

недостаточная техническая эффективность, так как необходима связь емкости с магнитной жидкостью со всеми элементами подвижной системы, что возможно только в исключительных случаях .

Нерациональность технического решения для большинства подвижных систем обусловлена тем, что гасятся уже возникшие колебания, а не устраняется их источник.

Задача изобретения заключается в том, чтобы снизить механические колебания в таких изделиях, как металлорежущий станок, двигатели, пневмоинструмент и др., не прибегая к использованию особых материалов, не изменяя существенно конструкцию или технологию изготовления ее составных частей.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении надежности машин, механизмов через снижение уровня вибрации и шума, излучаемого машинами и механизмами, повышении качества обработки, например, при резании.

Сущность изобретения состоит в том, что, используя магнитное поле для гашения колебаний конструкции, изготовленных из ферромагнитных материалов, согласно изобретению детали конструкции помещают в переменное магнитное поле, напряженность которого выше значения коэрцитивной силы материалов, из которых они изготовлены.

Способ осуществляют следующим образом.

Деталь конструкции из ферромагнитного материала, испытывающую механические колебания или излучающую при работе сильный шум, помещают в переменное магнитное поле, создаваемое известным способом, которое по своей величине превышает значение коэрцитивной силы детали.

Способ иллюстрируется на фиг.1 и 2.

Металлический стержень 1 длиной 150 мм и диаметром 10 мм через цанговый патрон закреплен на основании 2 устройства и помещен внутри электромагнитной катушки 3 соосно, которая подключена к сети переменного тока. На второй конец стержня жестко надет маятник 4 (металлический диск).

Закручивая маятник 4 относительно оси стержня на заданный угол, его затем отпускают и фиксируют интенсивность затухания свободных крутильных колебаний.

Интенсивность затухания крутильных колебаний при разных значениях переменного магнитного поля Н и разной амплитуде деформаций γ оценивали логарифмическим декрементом затухания δ по формуле: δ = 100% где δ - логарифмический декремент затухания, %; А_о - начальная амплитуда деформации кручения; А_n - амплитуда деформации через n колебаний, Результаты экспериментов представлены в табл.1 и 2.

Анализ результатов свидетельствует о том, что наложение переменного магнитного поля в момент свободно затухающих крутильных колебаний резко ускоряет затухание, т.е. происходит демпфирование.

Например, армко-железо становится супердемпфирующим материалом, так как при поле в 2 А/см при γ=1,1˙10^-4 показатель δ = 34,6% в сравнении с 5,6% без наложения переменного поля. Для стали 20 также повышается демпфирующая способность сразу на порядок, если величина поля превышает значение коэрцитивной силы этой стали.

Для специальных сталей (табл.2) также имеет место увеличение показателя в 5 раз и достигает, например, для стали О1Х6Ю1Ф1 69,3%.

Наложение переменного магнитного поля уменьшает виброактивность ферромагнитных материалов, что можно использовать для снижения уровня вибраций в машинах и шумоизлучения механизмов.

Для оценки влияния переменного магнитного поля на шумоизлучение было использовано устройство, изображенное на фиг.2.

В электромагнитную катушку, состоящую из изолирующего корпуса 5 и обмотки 6, помещен колокольчик 7, изготовленный из ферромагнитной отожженной стали 10, значение коэрцитивной силы которой составляет 0,62 А/см. При этом корпус колокольчика жестко закреплен на неподвижной опоре 8. Маятник 9 (латунный шарик) подвешен на хлопчатобумажной нитке 10 и снабжен тягой 11.

Маятник при помощи тяги приводили в движение до соприкосновения со стенками колокольчика и измеряли время от начала звучания до полного затухания звука.

Результаты эксперимента представлены в табл.3. Они свидетельствуют о том, что наложение переменного магнитного поля уменьшает звукоизлучение корпуса колокольчика как по времени, так и по уровню шума, если амплитудное значение магнитного поля превышает значение коэрцитивной силы стали 10.

Дополнительная качественная оценка шумоизлучения колокольчика выполнена с использованием настроечного камертона. При этом установлено, что, если звук колокольчика без наложения магнитного поля выше, чем звук "ля" третьей октавы рояля, то при его звучании в переменном поле напряженностью 1,20 А/см он был ниже звуков седьмой октавы, что свидетельствует об уменьшении частоты колебаний стали 10.

Физическая сущность явления заключается в том, что в ферромагнитном материале под влиянием переменного поля и с такой же частотой возникает вынужденное возвратно-поступательное движение доменных границ, т.е. доменов. Если при этом на тот же ферромагнетик накладывается переменное поле механических напряжений, то через эффект магнитострикции происходит взаимодействие поля внешних напряжений с полем напряжений, обусловленных эффектом магнитострикции, приводящее к снижению амплитуды внешних механических колебаний, т.е. к дополнительному их демпфированию.

При этом, чтобы преодолеть сопротивление коэрцитивной силы соответствующего материала и обеспечить возвратно-поступательное движение доменных границ, амплитудное значение внешнего переменного магнитного поля должно превышать показатель коэрцитивной силы этого материала.

К достоинствам предложенного технического решения относится: простота и гибкость реализации, например стандартную шестеренчатую пару, излучающую шум, или ее часть, помещают между полюсами электромагнита и эффект может быть получен при неизменности остальных элементов конструкции; эффективность гашения вибрации, шума на широком классе типовых сталей и сплавов в широком диапазоне температур, вплоть до температуры Кюри; предотвращение возникновения вибраций, шума, а не последующая борьба с ним.

Формула изобретения

СПОСОБ ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, путем наложения магнитного поля, отличающийся тем, что детали конструкций помещают в переменное магнитное поле, напряженность которого превышает значение коэрцитивной силы материалов, из которых изготовлены соответствующие детали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5