0
ویژه نامه ها

سیال رئومغناطیسی چیست؟

این نوع سیالِ حاویِ ذرات میکرومتری آهنی، در تعامل با میدان مغناطیسی خارجی کاربرهای بالقوه‌ی اینده نگرانه فراوانی در صنعت دارد. در این مقاله، دانش پایه سیال رئومغناطیسی و ویژگی های دیدنی آن به ویژه فازهای سوئیچینگ بین حالت نیمه جامد و حالت سیال از طریق تغییر ویسکوزیته به طور خلاصه مورد بحث قرار گرفته است.
سیال رئومغناطیسی چیست؟
یک سیال رئومغناطیسی (MR یا Magnetorheological) نوعی سیال هوشمند است در یک سیال حامل که معمولاً نوعی روغن است. هنگامی که سیال تحت یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، ویسکوزیته ظاهری خود را به شدت افزایش می دهد تا جایی که به یک جامد ویسکوالاستیک تبدیل می شود. نکته مهم این است که تنش تسلیم سیال در حالت فعال آن را می توان با تغییر شدت میدان مغناطیسی به نحوی بسیار دقیق کنترل کرد. نتیجه این امر این است که توانایی سیال برای انتقال نیرو را می توان با یک آهنربای الکتریکی کنترل کرد، که منجر به بسیاری از کاربردهای احتمالی مبتنی بر کنترل آن می شود. سیال MR با فروسیالی که ذرات کوچکتری دارد متفاوت است. ذرات سیال MR در درجه اول در مقیاس میکرومتری هستند و بیش از آن متراکم هستند که حرکت براونی بتواند آنها را معلق نگه دارد. ذرات فروسیال عمدتاً نانوذراتی هستند که در اثر حرکت براونی معلق هستند و عموماً در شرایط عادی ته نشین نمی شوند. در نتیجه این دو سیال کاربردهای بسیار متفاوتی دارند.
 
پس سیال رئومغناطیسی یک سیال هوشمند جذاب با قابلیت تغییر از مایع به تقریبا جامد و بالعکس تحت تأثیر میدان مغناطیسی است. معمولاً برای برنامه های کاربردی در ترمز استفاده می شود. اصطلاح "سیال رئو مغناطیسی" (magnetorheological) از ترکیبی از مگنتو به معنای مغناطیسی و رئو که پیشوند مطالعه تغییر شکل ماده تحت تنش اِعمالی است، گرفته شده است. سیالات رئومغناطیسی در حال حاضر به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرند، اما این یک نوع ماده مربوط به آینده در نظر گرفته می شود.
 
روش کار یک سیال رئومغناطیسی ساده است. یک سیال رئومغناطیسی از ذرات آهنی در ابعاد میکرومتر تشکیل شده است، ذراتی مانند آهن که به میدان مغناطیسی پاسخ می دهند و در یک محیط روغن پایه معلق هستند. هنگامی که ذرات خارج از تأثیر میدان مغناطیسی هستند، آزادانه شناور می شوند و باعث می شوند که ماده مانند هر مخلوط کلوئیدی شبیه شیر رفتار کند. با این حال، وقتی میدان مغناطیسی روشن می‌شود، ذرات ریز آهنی در زنجیره‌های عمودی در امتداد خطوط شار میدان قرار می‌گیرند و جریان سیال را محدود می‌کنند و ویسکوزیته را تا حدود یک پلاستیک ضعیف افزایش می‌دهند.
 ز کاربردهای مهم MRF، کلاچ های هوشمند است که گستره قابل انتقال گشتاور گسترده ای را بر روی میدان مغناطیسی اعمال شده فراهم می کند.از آن جایی که استحکام سیال مغناطیسی از ذرات آهنی تراز شده ای ناشی می شود که تنها قسمت اندکی از مخلوط کلی را تشکیل می دهند، محدودیت های مشخصی برای قوی بودن آن وجود دارد، اما تفاوت قابل توجه بین حالت های "خاموش" و "روشن"، آن را برای استفاده در کاربردهای مختلف که در آن ترمزهای معمولی بی اثر هستند جذاب می کند. به طور معمول، سیال مغناطیسی بین دو صفحه کوچک، که تنها چند میلی متر از هم جدا هستند، قرار می گیرد، که این خواص ترمزی مخلوط را به حداکثر می رساند. سیستم باید طوری چیده شود که خطوط شار مغناطیسی عمود بر جهت حرکتی که قرار است متوقف شود باشند.
 
برای حرکت دایره‌ای، که یکی از بهترین کاربردهای هدف است، روتوری با پره‌هایی را تصور کنید که آزادانه در یک سیال مغناطیسی می‌چرخند. هنگامی که روتور باید متوقف شود، یک سری از آهنرباهای کوچک خطوط شار مغناطیسی ایجاد می کنند که از روتور مرکزی دور می شوند و زنجیره هایی از ذرات آهنی را در محیط ایجاد می کنند مانند پرتوهایی که به سمت خورشید هستند. این پرتوها به پره‌ها می‌رسند و آنها را به شدت کند می‌کنند. حتی اگر پره ها از ذرات تراز شده عبور کنند، میدان مغناطیسی پایدار باعث می شود که به سرعت آنها را دوباره مرتب کنند و آماده گرفتن پره های ورودی بعدی شوند. این آرایش، یک ترمز دوار قدرتمند را فراهم می کند.
 
گروه‌های تحقیقاتی در حال بررسی سایر کاربردهای احتمالی مایع رئومغناطیسی هستند، مانند زره‌های بدن که انعطاف‌پذیر هستند اما در تماس با گلوله‌های ورودی به سرعت سفت می‌شوند.
 
به این ترتیب این سیالات قابلیت تغییر ویسکوزیته متغیر خود را دارند. وضعیت MRF (magnetorheological fluid) را می توان با اعمال یا حذف میدان مغناطیسی از فاز نیمه جامد به فاز سیال و بالعکس تغییر داد. پاسخ سریع و کنترل پذیری از ویژگی های اصلی سیستم های مبتنی بر MRF است که آنها را برای کاربردهایی با حساسیت بالا و الزامات کنترلی مناسب می کند. امروزه سیستم های مبتنی بر MRF به سرعت در حال رشد هستند و به طور گسترده در بسیاری از صنایع مانند عمران، هوافضا و خودرو استفاده می شوند. با توجه به کارهای موجود و تقاضاهای فعلی و آتی برای سیستم های مبتنی بر MRF، گرایش به تحقیقات آتی در این زمینه توصیه می شود.
 
کشف سیال رئومغناطیسی (MRF) به 70 سال پیش توسط رابینوف  در اداره ملی استاندارد ایالات متحده باز می گردد. از آن زمان تاکنون، هر ساله صدها پتنت و مقاله تحقیقاتی در این رابطه منتشر شده است.
 
MRF  سیالی است متشکل از یک سیال حامل، مانند روغن سیلیکون و ذرات آهن، که در سیال پراکنده شده اند، با توانایی تغییر ویژگی های اساسی و ویسکوزیته آن، در صورت قرار گرفتن در معرض میدان مغناطیسی. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، با اعمال میدان مغناطیسی، ذرات ریز قابل پلاریزه شدن در MRF زنجیره هایی بین دو قطب ایجاد می کنند. زنجیرها تا یک نقطه شکست معین (نقطه تسلیم)، که تابعی از قدرت میدان مغناطیسی است، در برابر حرکت مقاومت می کنند. به عبارت دیگر، پاسخ MRF مشابه سیالات غیر نیوتنی است، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 1. تأثیر میدان مغناطیسی بر پلاریزاسیونMRF ها
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 2. رابطه تنش برشی و نرخ کرنش سیال بینگهام و سیال نیوتنی
 

مدل سازی و حالت های عملیاتی سیستم های MRF

رفتار MRF ممکن است با مدل پلاستیسیته بینگهام توصیف شود. همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است، سیستم های MRF  در سه حالت اصلی: حالت دریچه، حالت برشی و حالت فشار عمل می کنند.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 3. حالت های عملیات: (1) حالت جریان، (2) حالت برش مستقیم، (3) حالت فشار
 
حالت جریان  MRF
حالت جریان رایج ترین حالت عملیاتی MRF است. شکل 4 یک هندسه ساده شده از حالت جریان را نشان می دهد. برای به دست آوردن درک عمیقی از فشار میرایی ارائه شده توسط MRF در این حالت، ممکن است فشار ناشی از ویسکوزیته سیال با فشار قابل کنترل مرتبط شود.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 4. حالت شیر ​​MRF
 
حالت برشی  MRF
مقدار کل نیرو در حالت برشی بین دو صفحه شبیه چیزی است که در شکل 5 نشان داده شده است.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 5. حالت برشی MRF
 
حالت فشار MRF
حالت فشار در دو حالت رخ می دهد: فشرده سازی و کشش. حالت فشاری MRF بین دو صفحه در نظر گرفته شده و در نتیجه سیال بین صفحات همان طور که در شکل 6 نشان داده شده است حرکت می کند.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 6. حالت فشارMRF .
 

وسایل ماشین‌کاری MRF

فیکسچرها وسایل مهمی برای مکان یابی دقیق قطعات در حین ماشینکاری هستند. برای پاسخگویی به خواسته ها برای نگه داشتن قطعات آزاد به طور کارآمد، وسایل تطبیقی ​​یا مدولار توسعه یافته اند. عملاً ممکن است وسایل زیادی برای نگهداری همه کارهای دستی در مکان های مورد نظر مورد نیاز باشد.
 
اخیراً، مواد تغییر فاز دهنده، مانند MRF، به دلیل پاسخ سریع و برگشت پذیری بدون تغییر دما، در توسعه وسایل انعطاف پذیر مورد توجه قرار گرفته اند. با توجه به تنش تسلیم بسیار کم MRF (تقریباً 100 کیلو پاسکال)، بیشترین نیروهای گیره در پیکربندی حالت فشار به دست می آید. شکل 7 و 8 دو مورد از فیکسچرهای مبتنی بر MRF را بر اساس حالت فشار ایجاد شده برای پره های توربین نشان می دهد.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 7. نمونه اولیه MRF-flexible-fixture
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 8. نمونه اولیه MRF-flexible-fixture
 

کلاچ  MRF

یکی دیگر از کاربردهای مهم MRF، کلاچ های هوشمند است که گستره قابل انتقال گشتاور گسترده ای را بر روی میدان مغناطیسی اعمال شده فراهم می کند. پایداری طولانی مدت، زمان واکنش کوتاه و قابلیت کنترل خوب از ویژگی های اصلی کلاچ های MRF هستند. آنها گزینه های امیدوار کننده ای برای جایگزینی با مبدل های گشتاور معمولی و کلاچ های راه اندازی هیدرولیک برای افزایش استحکام هستند.
 
دو نوع کلاچ هوشمند وجود دارد که در شکل 17 نشان داده شده است: کلاچ دیسکی MRF و کلاچ زنگیMRF . آنها از یک روتور، یک شفت، یک سیم پیچ، MRF، یک شکاف کوچک و اجزای ورودی و خروجی تشکیل شده اند.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 9. کلاچ دیسکی و زنگیMRF .
 
در کلاچ دیسک شکل، مانند سایر دستگاه هایMRF، دو حالت وجود دارد: حالت نیمه جامد و حالت مایع.
 
نقطه ضعف کلاچ های MRF عمدتاً قدرت بالای مورد نیاز برای فعال کردن MRF و خود گرمایشی در حین انتقال گشتاور از سمت درایو به سمت خاموش کننده قدرت است.
 
به طور خلاصه، مقایسه بین کلاچ های مختلف انجام و ارائه شده است. مشاهده شده است که هم MRC دیسکی و هم MRC  زنگی گستره وسیعی از قابلیت انتقال گشتاور را نشان می دهند. شایان ذکر است که رفتار MRF غیرقابل پیش بینی است و توزیع MRF در این سیستم ها یکنواخت نیست. با این حال، ساخت MRC  چند صفحه ای آسان است و پاسخ آن به طور قابل توجهی سریع است.
 

پرداخت  MRF

یکی دیگر از کاربردهای MRF ها پولیش یا پرداخت بر اساس پولیش هیدرودینامیکی با کمک مغناطیس است. این کاربرد را می توان برای پلاستیک ها، شیشه های نوری، سرامیک ها و دستگاه های نوری پیچیده مانند کره ها اعمال کرد. پرداخت MRF به طور معمول آسیب سطحی کمتری را در مقایسه با روش معمولی ایجاد می کند.
 MRF به عنوان یک فناوری بالقوه برای آب بندی فشار تا 3300 کیلو پاسکال در نظر گرفته می شود.شکل 10 و 11 مکانیسم عملیاتی پرداخت MRF را نشان می دهد. همان طور که نشان داده شده است، MRF  شکاف کوچک بین قطعه کار و دیوار متحرک را پر می کند. میدان مغناطیسی ویسکوزیته را تغییر می دهد و آن را به حالت نیمه جامد تبدیل می کند. دیوار متحرک باعث ایجاد پروفیل تنش برشی از طریق لایه MRF می شود و در نتیجه سطح قطعه کار را صیقل می دهد.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 10. نمودار شماتیک دستگاه پولیش  MRF
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 11. مکانیسم کار شماتیک پرداخت MRF
 
پیامدهای مثبت و منفی‌ای برای سیستم های پرداخت مبتنی بر MRF  نشان داده شده است. مشخص شده است که این سیستم می تواند سطح حساس را به نرمی پرداخت کند. با این حال، این سیستم برای پرداخت سطح مغناطیسی جامد مؤثر نیست.
 

دریچه های  MRF

یکی از کاربردهای جدید MRF دریچه های مبتنی برMRF ، به ویژه دریچه های با اندازه کوچک، است. شکل 12 دریچه مبتنی بر MRF را نشان می دهد که به طور شماتیک توسط عمادالدین و همکاران پیشنهاد شده است.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 12. نمودار شماتیک دریچه یا شیر MRF با شکاف حلقوی و شعاعی
 
سه پیکربندی ساختاری شیرهای MRF عبارتند از: شکاف حلقوی، شعاعی و مخلوط حلقوی و شعاعی. شکل بالا یک شیر MRF با شکاف حلقوی و شعاعی مخلوط را نشان می دهد.
 
نقاط قوت و ضعف سیستم شیر MRF نشان داده شده است. مشاهده شده است که شیرهای MRF پاسخ سریع، اصطکاک کمتر و مدار الکتریکی ساده را برای فعال سازی ارائه می دهند.
 

ترمز  MRF

MRFها همچنین برای توسعه نوع جدیدی سیستم ترمز استفاده می شوند و می توانند با سیستم های معمولی جایگزین شوند. ترمز MRF پتانسیل بالایی دارد برای کاهش گشتاور ارسالی که به سرعت در معرض میدان های مغناطیسی خارجی است. در یک سیستم ترمزMRF، MRF  بین سیلندر بیرونی و سیلندر چرخان داخلی قرار دارد. با انرژی دادن به سیم پیچ برقی، MRF نیروی برشی مقاومتی را در میلی ثانیه در برابر گشتاور شفت تأمین می کند. با حذف میدان مغناطیسی، سیلندر داخلی آزادانه می چرخد ​​. نمودار شماتیک ترمز MRF در شکل 13 ارائه شده است. ترمزهای MRF در اشکال مختلف مانند درام، دیسک و روتورهای T شکل موجود هستند. اخیراً سوخوانی و همکارانش نوع جدیدی از ترمز را بر اساس گریس MR پیشنهاد کردند. با این حال، ترمز پیشنهادی آنها ظرفیت ترمزگیری کمتری را نسبت به ترمزهای MRF موجود ارائه می دهد.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 13. ترمز معمولی MRF
 
سیستم ترمز MRF توانایی تأمین مقدار زیادی نیرو (گشتاور) را دارد.
 

درزبندهای  MRF

آب بندی ماشین آلاتی مانند تجهیزات جاروبرقی، یک چالش مهم در صنعت است. MRF به عنوان یک فناوری بالقوه برای آب بندی فشار تا 3300 کیلو پاسکال در نظر گرفته می شود. کانو و همکارانش همان طور که در شکل 14 به صورت شماتیک نشان داده شده است، یک درزبندی یک مرحله ای برای یک شفت دوار پیشنهاد کردند. این سیستم با سرعت چرخشی 1000 دور در دقیقه با دو اندازه مختلف شکاف (1-1.7، و 0.06-0.5 میلی متر) آزمایش شد. مزایای عمده این سیستم سهولت کارکرد، ظرفیت آب بندی خوب و نیاز به تعمیر و نگهداری کم است. کوردونسکی و همکارانش شدت های مختلف میدان های مغناطیسی را برای سرعت های مختلف چرخش شفت مورد مطالعه قرار دادند. این مطالعه نشان داد که فشار بحرانی، متناسب با مجذور قدرت میدان مغناطیسی اعمال شده‌ی مرتبط است. فوجیتا و همکارانش نشان دادند که فشار ترکیدگی اب بندی تابعی از اندازه و کسر حجمی MRF است.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 14. نمودار شماتیک آب بندی یک مرحله ای MRF
 
درزبندی MRF برای فعال شدن نیاز به نیروی الکتریکی خارجی دارد و عملکرد در حرکات چرخشی کارآمد نیست. با این حال، مکانیسم کار درزبندی MRF ساده با نیاز به تعمیر و نگهداری کم است.
 

کنترل حرکت پنوماتیک با فناوری MRF

یکی از چالش های عمده در سیستم های پنوماتیک، دقت کنترل حرکت سروو به دلیل فشرده سازی زیاد هوا، به عنوان سیال کار  است. دو روش مرسوم شامل تنظیم جریان هوا و ترمز پنوماتیک برای کنترل حرکت وجود دارد. با این حال، پیچیدگی این سیستم ها یک چالش بزرگ است. اخیراً، همان طور که در شکل 15 نشان داده شده است، از ترمزهای MRF برای بهبود کنترل حرکت محرک‌های پنوماتیکی (PAMC) (motion control of pneumatic actuators) استفاده می‌شود. این سیستم از یک محرک پنوماتیک به موازات یک ترمز MRF برای بهبود اجرا و عملکرد سیستم به دلیل کنترل جهت و پیچیدگی مکانیسم سروو تشکیل شده است. علاوه بر این، MRF  می تواند به عنوان محرک چرخشی پنوماتیک برای کنترل حرکت و سرعت چرخشی استفاده شود.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 15. نمودار شماتیک کنترل حرکت پنوماتیک MRF
 
پنوماتیک با حرکت کنترل مبتنی بر MRF دقت بالاتری را ارائه می دهد. با این حال، سیستم برای فعال سازی به نیروی خارجی نیاز دارد.
 

MRF های تعبیه شده در ساختارهای کامپوزیتی

سازه های کامپوزیتی به دلیل خواص مکانیکی عالی، به ویژه نسبت استحکام به وزن، در بسیاری از صنایع از جمله عمران، حمل و نقل و هوافضا مورد توجه قرار گرفته اند. در بسیاری از کاربردها، سازه های کامپوزیتی در معرض ارتعاش بیش از حد قرار می گیرند که منجر به ناپایداری و شکست غیرقابل پیش بینی می شود. به منظور سرکوب ارتعاش در سازه های مرکب، روش های مختلفی از جمله کنترل ارتعاش غیرفعال، نیمه فعال و فعال توسعه داده شده است.
یک سیال رئومغناطیسی از ذرات آهنی در ابعاد میکرومتر تشکیل شده است، ذراتی مانند آهن که به میدان مغناطیسی پاسخ می دهند و در یک محیط روغن پایه معلق هستند.ناجی و همکارانش رفتار دینامیکی یک میله کامپوزیت ورقه ورقه ای ادغام شده با یک لایه MRF را همان طور که در شکل 16 نشان داده شده است مورد مطالعه قرار دادند. این مطالعه نشان داد که میدان های مغناطیسی در محدوده 0-1600 گاوس حداکثر جابجایی را کاهش داده و فرکانس طبیعی را افزایش می دهند. کامپوزیت MRF دارای کاربردهای بالقوه ای در هوافضا، زیرساخت های عمرانی و صنایع خودروسازی برای سرکوب ارتعاشات بیش از حد و/یا کنترل انتشار صدا است. خاطرنشان می شود که افزودن MRF به سازه های کامپوزیتی چند لایه، وزن عنصر را اندکی افزایش می دهد.
 
 سیال رئومغناطیسی چیست؟
 
شکل 16. نمودار شماتیک یک میله تطبیقی کامپوزیت لایه بندی شده با MRF ​​
 
با توجه به کارهای موجود، MRF  کاندیدای عالی برای جایگزینی با سیال معمولی در سیستم های مبتنی بر سیال است. به طور خلاصه، سیستم های مبتنی بر MRF عملکرد سیستم های کنترل را برای بسیاری از کاربردها، به ویژه در جنبه های قابلیت کنترل، پاسخ سریع، و کاربردهای گسترده بهبود می بخشند.
 
منبع: .intechopen


نظرات کاربران
ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.
موارد بیشتر برای شما