CC BY
64
УДК 519.711.3
Э.В. Карпухин, С.Б. Демин, В.С. Дятков, А.А. Дюдюкин
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Магнитострикционные преобразователи перемещений (МММ) нашли применение во многих отраслях современной промышленности. Работая в составе систем автоматического регулирования, они позволяют решать широкий круг задач и гарантируют высокую точность полученных результатов. Их отличает широкая область возможного применения, низкая себестоимость, простота конструкции, высокое быстродействие и разрешающая способность [1, 2].
Принцип работы МММ основан на возбуждении и считывании акустических сигналов в среде магнитострикционного звукопровода [1, 2].
Известно, что на этот процесс в наибольшей степени оказывают влияние внешние дестабили-
зирующие факторы среды, такие как температура Т и упругие напряжения Рх [2]. В связи с этим возникает необходимость учета этих факторов при проведении математического моделирования МММ на УЗВ кручения.
Создание в среде ферромагнетика продольных Рп или крутильных Рк напряжений приводит к нарушению исходной доменной структуры в результате сложных обменных энергетических процессов, зависящих от предыстории состояния материала. Это в свою очередь вызывает изменение магнитной восприимчивости х, магнитной проницаемости /л, коэффициента магнитострикции X, удельного электрического сопротивления рЭ ма-
Электротехнические комплексы и системы
157
териала [3].
Установлено, что изменение магнитной восприимчивости х ферромагнитного материала зву-копровода МММ под действием растягивающих напряжений Рп происходит по закону [2]:
Xo + От ([ + крп ^], (1)
где хо - начальная магнитная восприимчивость материала, GT- коэффициент энергетических потерь на гистерезис, кр - коэффициент продоль-
п
ного напряжения.
Изменение магнитной восприимчивости хРп (1) приводит к изменению магнитной проницаемости лРп и коэффициента магнитострикции
Хр в соответствии с выражениями [2]:
цРп = ц(1 - крп ),
X р = ІАІ1 + кр ).
р п V р п *
(2)
(3)
Графики зависимостей (2 - 3) для сплава Ю14 приведены на рис. 1 , откуда видно, что с ростом растягивающих напряжений Рп магнитная проницаемость /л уменьшается, а коэффициент магнитострикции X увеличивается.
Другим фактором, заметно влияющим на параметры магнитострикционного звукопровода МПП, является температура Т окружающей среды. Её воздействие учитывается через коэффициент температурного изменения кт, определяемый в соответствии с выражением [2]:
кт =
( -гЛ17 п 1 - —
т
(4)
с У
где Т - текущее значение температуры, Тс - температура фазового перехода второго рода (точка Кюри), п= 2, 3,4 - показатель влияния температуры на параметр материала.
Исследования показывают, что повышение температуры Т, приводит к изменению коэффициента магнитострикции X Т по зависимости [2]:
X— = ±Х.
1 -
—
—
(5)
а магнитная проницаемость ¡Лт материала магни-тострикционного звукопровода МММ изменяется в соответствии с выражением [2]:
(6)
Результаты моделирования (5) и (6) для различных магнитострикционных материалов звукопровода МММ приведены на рис. 2.
Еще одним фактором, влияющим на коэффициент магнитострикции X материала магнито-стрикционного звукопровода МММ, является гистерезис магнитострикции, возникающий при наличии продольного магнитного поля постоянного магнита в зоне магнитоупругого преобразования. При этом коэффициент магнитострикции X меняется в зависимости от напряженности Нож продольного поля согласно известному выражению [2]
кг
(Но.п - Нс )
2
Нс Кн + (Но.п - Нс )
2
(7)
где кс - коэффициент коэрцитивности, кН - коэффициент напряженности магнитного поля, Нс -коэрцитивная сила ферромагнетика.
Для учета совместного влияния рассмотренных дестабилизирующих факторов, воспользовавшись выражениями (2 - 7), окончательно запишем:
ц Р т =ц (1 - кР )31 - — ;
т
х р ,т н =х н (1 + кр)
-—. V тс
(8)
(9)
Модели выражений (8), (9) для сплава Ю14 приведены на рис. 3.
п
Как было показано в ряде работ [2, 3], влияние отмеченных внешних дестабилизирующих факторов среды на электрические параметры магнито-стрикционного звукопровода МПП, является незначительным и при моделировании им можно пренебречь.
В результате, под действием геликоидального магнитного поля в среде магнитострикционного звукопровода МПП формируются УЗВ кручения, распространяемые в обе стороны от места прямого магнитострикционного преобразования.
Таким образом, проведенное моделирование показывает, что изменение температуры Т и наличие растягивающих усилий Pn в значительной степени влияют на основные характеристики МПП на УЗВ кручения. При этом увеличение упругих напряжений Px , можно использовать в качестве температурной компенсации, для поддержания значения коэффициента магнитострик-ции À в рабочем диапазоне и тем самым расширить температурный диапазон данного вида преобразователей перемещений.
СПИСОК ЛИТЕРAТУРЫ
1. Карпухин Э.В. Моделирование магнитных полей магнитострикционных преобразователей перемещений/ Э.В. Карпухин, С.Б. Демин, А.А. Воронцов, Н.А. Ермолаев// Наука и образование - 2011: Сб. статей международной НТК. - Мурманск: МГТУ, 2011. - C.85-91.
2. Демин С.Б. Магнитострикционные системы для автоматизации технологического оборудования: Монография. - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2002. - 182 с.
3. Надеев А.И. Математическая модель прохождения магнитострикционного импульса по цилиндрическому звукопроводу/А.И. Надеев, А.И. Мащенко, И.П. Мащенко// Сборник научных трудов АГТУ. Серия «Морская техника и технология». - Астрахань: АГТУ, 2000. - C. 150-155.
□Авторы статьи:
Карпухин Эдуард Владимирович , аспирант Пензенской государственной технологической академит, тел. (8412)49-62-97. Email: [email protected]
Демин
Станислав Борисович, докт. техн. наук, профессор (Мензенская государственная технологическая академия), тел. (8412)49-62-97.
Дятков
Владимир Станиславович, доцент (Мензенская государственная технологическая академия), тел. (8412)49-62-97.
Дюдюкин Алексей Алексеевич, канд. техн. наук, доцент (Мензенский госуд. университет архитектуры и строительства), тел. (8412)49-62-97.
