Способ регулирования расхода жидкой среды и магнитореологическое устройство для его осуществления
Изобретение может быть использовано в трубопроводной арматуре в качестве одностороннего или двухстороннего клапана. В ограниченной сетчатыми элементами области потока жидкой среды создают магнитную ловушку для размещенных в этой области частиц ферромагнитного материала, размер которых больше размера ячеек сетчатых элементов. Изменяют напряженность магнитного поля, силовые линии которого совпадают с направлением движения потока, обеспечивая регулирование количества дросселирующих поток частиц ферромагнитного материала, перемещаемых под действием гидравлической силы потока на внутреннюю поверхность выходного сетчатого элемента, а под действием магнитного поля - в магнитную ловушку. В корпусе магнитореологического устройства размещен индуктор магнитного поля, в центральном канале катушки которого закреплен сердечник из магнитного материала. На участке, ограниченном сетчатыми элементами, имеется карман, выполненный с возможностью формирования магнитной ловушки, объем которого достаточен для размещения всех частиц ферромагнитного материала. Канал для прохода потока жидкой среды может быть выполнен в сердечнике или в зазоре между сердечником и индуктором. Изобретение снижает энергоемкость процесса регулирования при одновременном уменьшении габаритов устройства. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к способу регулирования расхода жидкой среды и магнитореологическому устройству для его осуществления.
Изобретение может быть использовано в трубопроводной арматуре в качестве одностороннего или двухстороннего клапана, в системах амортизации легковых и грузовых транспортных средств, в системах амортизации аппаратуры и оборудования, размещенных на платформах стационарных объектов, для защиты водителей, пассажиров и грузов при столкновении с препятствием.
Проблемой существующих способов и устройств регулирования расхода жидкой среды, в качестве которой используется магнитная жидкость, является высокая стоимость последней, а также большая энергоемкость процесса уменьшения или полного перекрывания проходного сечения каналов для подачи жидкой среды.
Однако это направление перспективно, так как в устройствах, использующих в качестве рабочей среды магнитную жидкость, нет деталей, работающих с «сухим» трением, что не требует высокой точности изготовления этих деталей, упрощает их конструкцию и снижает возможность механических поломок, которые свойственны традиционным устройствам.
Известен способ и устройство для регулирования расхода жидкой среды (RU 2240590), в которых минимизировано количество магнитной жидкости, требующееся для их качественной работы. Это устройство размещено на участке расширения трубопровода и содержит клапан, представляющий собой замкнутую эластичную мембрану, внутри которой вдоль направления движения потока жидкой среды размещены постоянный кольцевой магнит и разомкнутый сердечник с катушкой индуктивности, выполненные соответственно с большей и меньшей коэрцитивной силой. Полость внутри эластичной мембраны заполнена жидкой средой, в которой размещены частицы ферромагнитного материала. В качестве рабочей среды может быть использована любая жидкость, например вода или масло. В этом устройстве минимизировано количество магнитной жидкости, которое ограничено объемом внутренней полости замкнутой эластичной мембраны. Регулирование расхода жидкой среды осуществляют путем дросселирования потока рабочей среды посредством эластичной мембраны, перемещаемой магнитной жидкостью под действием магнитного поля.
Ограниченное количество магнитной жидкости, требующееся для осуществления этого способа в данном устройстве, удешевляет процесс регулирования расхода жидкой среды. Однако данное устройство обладает невысокой надежностью, так как при длительной работе происходит снижение эластичности мембраны, что приводит к ее разрыву. Кроме того, наличие остаточной упругости материала мембраны приводит к необходимости увеличения энергозатрат для преодоления давления жидкости.
Известно магнитореологическое устройство для регулирования расхода жидкой среды (SU 1366756 А1), содержащее корпус, в котором имеются каналы подачи и отвода жидкой среды, индуктор магнитного поля с центральным каналом, в котором размещен сердечник из магнитного материала с центральным каналом для прохода жидкой среды. При этом в корпусе установлена центральная шайба, в которой по периферии выполнены каналы для прохода жидкой среды. Между торцом центральной шайбы и торцом сердечника имеется зазор, выполненный перпендикулярно центральному каналу для прохода жидкой среды сердечника и периферийным каналам центральной шайбы и сообщенный с ними. Этот зазор представляет собой канал для прохода жидкой среды, в котором имеется часть канала, ограниченная двумя сетчатыми элементами, выполненными из немагнитного материала, в которой размещены ферромагнитные частицы, размер каждой из которых больше размера ячеек каждого сетчатого элемента. Первый сетчатый элемент размещен на выходе из канала сердечника, а второй сетчатый элемент закреплен в зазоре вблизи периферийных каналов центральной шайбы перпендикулярно первому сетчатому элементу. В центральной шайбе напротив канала для прохода жидкой среды в сердечнике размещены постоянные магниты.
Способ, реализуемый в данном устройстве, заключается в том, что в потоке жидкой среды создают область, ограниченную входным и выходным сетчатыми элементами из немагнитного материала, в которой размещают частицы ферромагнитного материала с размером, большим размера ячеек сетчатых элементов. Воздействуют на эти частицы магнитным полем постоянных магнитов, в результате чего частицы ферромагнитного материала постоянно находятся под действием коэрцитивной силы этих магнитов и расположены на поверхности центральной шайбы. Поток жидкой среды с определенной скоростью протекает по каналам для прохода жидкой среды. При подаче напряжения на индуктор возникает магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны направлению движения потока в канале для прохода жидкой среды. Под действием магнитного поля частицы ферромагнитного материала отрываются от поверхности центральной шайбы, ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля и слипаются в столбчатые структуры, которые оказывают сопротивление движению потока жидкой среды, то есть изменяют ее расход, так как направление силовых линий магнитного поля перпендикулярно направлению движения потока в канале для прохода жидкой среды. В данном устройстве сетчатые элементы не участвуют в процессе регулирования расхода жидкой среды, они предназначены только для предотвращения уноса частиц за пределы зоны воздействия магнитного поля.
Однако осуществление указанного способа возможно только при небольшой скорости движения потока жидкой среды, так как в противном случае частицы ферромагнитного материала посредством гидравлической силы потока будут оторваны от поверхности центральной шайбы и будут бесконтрольно тормозить поток. Кроме того, в результате того, что частицы ферромагнитного материала постоянно находятся под действием коэрцитивной силы постоянного магнита, эти частицы намагничиваются и теряют возможность формировать устойчивые столбчатые структуры, в результате чего снижается надежность работы устройства. При этом возникает потребность в значительном увеличении напряжения для возможности функционирования устройства. Кроме того, увеличение напряжения требуется и для того, чтобы образованные столбчатые структуры не разрушались под воздействием гидравлической силы потока жидкой среды, так как «закрывающее» усилие должно быть больше гидравлической силы потока. Кроме того, указанное устройство имеет достаточно большие габариты, что исключает возможность его использования для модернизации существующих конструкций с гидравлическими приспособлениями без увеличения габаритов этих конструкций.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создать способ регулирования расхода жидкой среды и магнитореологическое устройство для регулирования расхода жидкой среды, которые позволили бы значительно снизить энергоемкость процесса регулирования и уменьшить габариты устройства при обеспечении высокой надежности управляемого процесса дросселирования или полного перекрывания потока жидкой среды, что позволило бы модернизировать существующие конструкции с гидравлическими приспособлениями с минимальными затратами и без увеличения габаритов этих конструкций.
Эта задача решена созданием способа регулирования расхода жидкой среды, заключающегося в том, что в зоне перемещения потока жидкой среды образуют область, ограниченную входным и выходным сетчатыми элементами из немагнитного материала, размещают в указанной области частицы ферромагнитного материала с размером, большим размера ячеек сетчатых элементов, и регулируют количество частиц ферромагнитного материала воздействием на них магнитным полем для обеспечения возможности частичного перекрывания потока, при этом согласно изобретению в области, ограниченной сетчатыми элементами, создают магнитную ловушку для частиц ферромагнитного материала с возможностью минимизирования гидравлической силы потока жидкой среды и создания максимальной напряженности магнитного поля в зоне ловушки, воздействие на частицы ферромагнитного материала осуществляют магнитным полем, силовые линии которого имеют направление, по существу совпадающее с направлением движения потока жидкой среды, а регулирование количества частиц ферромагнитного материала, перемещаемых под действием гидравлической силы потока жидкой среды на внутреннюю поверхность выходного сетчатого элемента, а под действием магнитного поля - в магнитную ловушку, осуществляют путем изменения напряженности магнитного поля.
Технический результат, который достигается при использовании предлагаемого способа, заключается в значительном снижении энергоемкости процесса регулирования расхода жидкой среды. Это объясняется тем, что полное перекрывание потока жидкой среды происходит за счет воздействия на частицы ферромагнитного материала только гидравлической силой потока, под действием которой все частицы перемещаются на внутреннюю поверхность выходного сетчатого элемента. Для частичного перекрывания потока жидкой среды требуется создать магнитное поле невысокой напряженности. Это объясняется тем, что под действием магнитного поля, силовые линии которого ориентированы вышеуказанным образом, даже при невысокой напряженности магнитного поля небольшое количество частиц ферромагнитного материала перемещается с внутренней поверхности выходного сетчатого элемента в магнитную ловушку и частично освобождает проходное сечение выходного сетчатого элемента. При этом, чем больше требуется перекрыть поток жидкой среды, тем требуется меньшая напряженность магнитного поля.
Кроме того, так как при осуществлении предлагаемого способа перекрывание потока жидкой среды происходит в результате действия только гидравлической силы, появляется возможность значительно увеличить скорость движения потока и тем самым увеличить «закрывающее» усилие. При этом наличие магнитной ловушки, в которой создают максимальную напряженность магнитного поля и минимальную гидравлическую силу потока жидкой среды, обеспечивает возможность перемещать частицы ферромагнитного материала в магнитную ловушку при подаче невысокого напряжения на индуктор магнитного поля и практически исключает возможность бесконтрольного удаления частиц ферромагнитного материала из магнитной ловушки под действием гидравлической силы потока.
Использование гидравлической силы потока в качестве основного фактора, обеспечивающего «закрывающее» усилие, позволяет значительно снизить энергоемкость процесса регулирования расхода жидкой среды, уменьшить габариты устройства, предназначенного для реализации этого способа, и обеспечить высокую надежность управляемого процесса дросселирования или полного перекрывания потока жидкой среды. А это, в свою очередь, позволяет модернизировать существующие конструкции с гидравлическими приспособлениями с минимальными затратами и без увеличения габаритов этих конструкций.
Целесообразно в области, ограниченной сетчатыми элементами, частицы ферромагнитного материала размещать в количестве, достаточном для блокирования проходного сечения выходного сетчатого элемента. Это обеспечивает возможность при необходимости полностью перекрывать поток жидкой среды.
Для того чтобы имелась возможность перекрывать поток в обоих направлениях, желательно входной и выходной сетчатые элементы выполнять с одинаковым проходным сечением.
Для того чтобы имелась возможность перекрывать поток в одном направлении, возможно входной сетчатый элемент выполнять с большим проходным сечением, чем выходной сетчатый элемент.
Поставленная задача решена также созданием магнитореологического устройства для регулирования расхода жидкой среды, содержащего корпус, в котором имеются входной и выходной каналы, индуктор магнитного поля, имеющий катушку индуктивности с центральным каналом, сердечник из магнитного материала, канал для прохода жидкой среды и по меньшей мере один участок для прохода жидкой среды, ограниченный сетчатыми элементами, выполненными из немагнитного материала, в котором размещены частицы ферромагнитного материала с размером, большим размера ячеек каждого сетчатого элемента, при этом согласно изобретению сетчатые элементы оппозитно закреплены поперек направления движения потока жидкой среды, катушка индуктивности установлена с возможностью формирования магнитного поля, силовые линии которого имеют направление, по существу совпадающее с направлением движения потока жидкой среды, и имеется средство для регулирования напряженности магнитного поля, при этом на участке, ограниченном сетчатыми элементами, имеется карман, выполненный с возможностью формирования магнитной ловушки, а проходное сечение указанного участка в зоне выполнения кармана больше проходного сечения выходного сетчатого элемента.
Технический результат, который достигается созданием предлагаемого устройства, заключается в значительном снижении энергоемкости, так как указанное оппозитное расположение сетчатых элементов позволяет использовать это устройство при движении жидкой среды в противоположных направлениях, то есть каждый сетчатый элемент может выполнять функцию входного и выходного сетчатого элемента. При этом для перекрытия проходного сечения выходного сетчатого элемента не требуется подавать напряжение на индуктор магнитного поля, а для уменьшения проходного сечения выходного сетчатого элемента требуется подавать на индуктор магнитного поля небольшое напряжение. При этом, чем больше требуется перекрыть поток жидкой среды, тем меньшее напряжение требуется подавать на индуктор. Это позволяет значительно уменьшить энергоемкость устройства, а также габариты индуктора, а следовательно, и устройства в целом. Это объясняется тем, что при отсутствии магнитного поля частицы ферромагнитного материала под действием гидравлической силы потока перемещают на внутреннюю поверхность выходного сетчатого элемента. Сам поток формирует заградительный барьер, забивая этими частицами ячейки выходного сетчатого элемента и формируя на этом сетчатом элементе слой ферромагнитных частиц, «прилипающих» друг к другу и препятствующих дальнейшему движению жидкой среды. При этом, чем больше гидравлическая сила потока жидкой среды, тем плотнее будет заградительный барьер на выходном сетчатом элементе. Не требуется никакой дополнительной силы для того, чтобы удержать ферромагнитные частицы на указанном сетчатом элементе. Для того чтобы освободить проходное сечение выходного сетчатого элемента от частиц ферромагнитного материала, требуется подавать на индуктор магнитного поля невысокое напряжение, так как наличие кармана, в котором гидравлическая сила потока минимальна, а напряженность магнитного поля, силовые линии которого ориентированы вышеописанным образом, максимальна, обеспечивает направленное перемещение этих частиц в зону кармана и полное или частичное освобождение проходного сечения выходного сетчатого элемента.
Наличие в предлагаемом устройстве небольшого количества конструктивных элементов позволяет уменьшить габариты устройства и обеспечить высокую надежность его работы. А это, в свою очередь, позволяет модернизировать существующие конструкции с гидравлическими приспособлениями с минимальными затратами и без увеличения габаритов этих конструкций.
Для того чтобы устройство выполняло функцию блокирующего приспособления, целесообразно на участке, ограниченном сетчатыми элементами, частицы ферромагнитного материала размещать в количестве, достаточном для полного перекрытия проходного сечения выходного сетчатого элемента.
Для того чтобы полностью исключить перекрытие проходного сечения выходного сетчатого элемента, целесообразно, чтобы карман имел объем, достаточный для размещения всех частиц ферромагнитного материала.
Для того чтобы устройство выполняло, в том числе, функцию блокирующего приспособления при движении жидкой среды в двух направлениях, желательно, чтобы входной и выходной сетчатые элементы имели одинаковую площадь проходного сечения.
Для того чтобы устройство выполняло, в том числе, функцию блокирующего приспособления при движении жидкой среды в одном направлении, благоприятно, чтобы входной и выходной сетчатые элементы имели разную площадь проходного сечения.
Целесообразно, чтобы канал для прохода жидкой среды и участок, ограниченный сетчатыми элементами, были расположены в сердечнике.
Для того чтобы устройство выполняло, в том числе, функцию блокирующего приспособления при движении жидкой среды в двух направлениях, возможно, чтобы сердечник представлял собой втулку, коаксиально закрепленную в центральном канале катушки индуктивности индуктора магнитного поля и имеющую на внешних сторонах угловые скосы, а на внутренней стороне - угловое углубление, представляющее собой указанный карман, при этом сетчатые элементы закреплены на соответствующих торцах втулки и имеют одинаковую площадь проходного сечения.
Для того чтобы устройство выполняло, в том числе, функцию блокирующего приспособления при движении жидкой среды в одном направлении, полезно, чтобы сердечник представлял собой втулку, коаксиально закрепленную в центральном канале катушки индуктивности индуктора магнитного поля и имеющую на одной из внешних сторон угловой скос, а на внутренней стороне - угловое углубление, представляющее собой указанный карман, при этом входной сетчатый элемент закреплен на торце втулки со стороны углового скоса, а выходной сетчатый элемент закреплен внутри втулки и имеет площадь проходного сечения больше площади проходного сечения входного сетчатого элемента.
Для того чтобы устройство выполняло, в том числе, функцию блокирующего приспособления при движении жидкой среды в одном направлении, благоприятно, чтобы сердечник представлял собой цилиндрический элемент, закрепленный в центральном канале катушки индуктивности индуктора вдоль направления движения жидкой среды с зазором относительно его стенок, который представляет собой указанный канал для прохода жидкой среды, при этом цилиндрический элемент имеет с одной стороны заостренный конец, на торце которого выполнено углубление, представляющее собой упомянутый карман, а участок, ограниченный сетчатыми элементами, расположен в канале корпуса и в поперечном сечении имеет форму трапеции, большее основание которой обращено в сторону сердечника.
Для того чтобы устройство выполняло, в том числе, функцию блокирующего приспособления при движении жидкой среды в двух направлениях, желательно, чтобы сердечник представлял собой два цилиндрических элемента, аксиально закрепленных в центральном канале катушки индуктивности индуктора вдоль направления движения жидкой среды с зазором относительно его стенок, который представляет собой указанный канал для прохода жидкой среды, при этом цилиндрические элементы на обращенных одна к другой сторонах имеют заостренные концы, а участок, ограниченный сетчатыми элементами, размещен в канале для прохода жидкой среды и охватывает узкие участки заостренных концов цилиндрических элементов, пространство между которыми представляет собой указанный карман.
Для того чтобы устройство выполняло, в том числе, функцию блокирующего приспособления при движении жидкой среды в двух направлениях, целесообразно, чтобы устройство имело два участка, ограниченных сетчатыми элементами и каждый участок был расположен в соответствующем канале корпуса, при этом сердечник представляет собой цилиндрический элемент, закрепленный в центральном канале катушки индуктивности индуктора вдоль направления движения жидкой среды с зазором относительно его стенок, который представляет собой указанный канал для прохода жидкой среды, причем цилиндрический элемент имеет с противоположных сторон заостренные концы, на торцах которых выполнены углубления, представляющие собой упомянутые карманы, которые размещены на соответствующих участках, ограниченных сетчатыми элементами, и каждый участок в поперечном сечении имеет форму трапеции, большее основание которой обращено в сторону сердечника.
Предлагаемый способ регулирования расхода жидкой среды осуществляют следующим образом.
Создают поток жидкой среды, в котором образуют область, ограниченную входным и выходным сетчатыми элементами из немагнитного материала. Размещают в указанной области частицы ферромагнитного материала с размером, большим размера ячеек сетчатых элементов. При этом частицы ферромагнитного материала могут быть размещены в этой области в количестве, достаточном для блокирования проходного сечения выходного сетчатого элемента.
Под действием гидравлической силы потока жидкой среды, движущегося в выбранном направлении, частицы ферромагнитного материала перемещаются на внутреннюю поверхность выходного сетчатого элемента, забивают его ячейки и изменяют его проходное сечение, препятствуя прохождению жидкой среды. При этом, чем больше гидравлическая сила потока жидкой среды, тем сильнее частицы ферромагнитного материала будут прижиматься к выходному сетчатому элементу и друг к другу и препятствовать прохождению жидкой среды. Таким образом, единственным фактором, посредством которого перекрывается проходное сечение выходного сетчатого элемента, является гидравлическая сила потока, которая в центральной области потока имеет максимальное значение, а в направлении к периферии уменьшается.
Для освобождения (открытия) проходного сечения выходного сетчатого элемента от частиц ферромагнитного материала на них воздействуют магнитным полем, силовые линии которого имеют направление, по существу совпадающее с направлением движения потока жидкой среды. При этом в области, ограниченной сетчатыми элементами, создают магнитную ловушку, в зоне которой минимизируют гидравлическую силу потока жидкой среды и создают максимальную напряженность магнитного поля. Регулирование расхода жидкой среды осуществляют путем изменения напряженности магнитного поля и регулирования количества частиц ферромагнитного материала, перемещаемых под действием гидравлической силы потока жидкой среды на внутреннюю поверхность выходного сетчатого элемента, а под действием магнитного поля - в магнитную ловушку.
Под термином «магнитная ловушка» мы понимаем область магнитного поля, которое способно удерживать заряженные частицы внутри определенного объема пространства (смотри Большую советскую энциклопедию, том 15, колонка 535).
С увеличением напряженности магнитного поля в магнитной ловушке происходит незначительное смещение частиц ферромагнитного материала на внутренней поверхности выходного сетчатого элемента в направлении магнитной ловушки. Затем под действием гидравлической силы потока на внутренней поверхности выходного сетчатого элемента образуется воронка, в которую начинает проходить поток жидкой среды. В результате этого гидравлическая сила потока уменьшается и частицы ферромагнитного материала под действием магнитного поля, силовые линии которого имеют направление, по существу совпадающее с направлением движения потока жидкой среды, перемещаются в магнитную ловушку, открывая проходное сечение выходного сетчатого элемента и увеличивая расход жидкой среды. При этом перемещение частиц ферромагнитного материала в магнитную ловушку происходит на периферии потока жидкой среды, где гидравлическая сила потока минимальна, в связи с этим требуется небольшая по величине напряженность магнитного поля, чтобы преодолеть эту минимальную гидравлическую силу потока.
При дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля в магнитной ловушке будет увеличиваться количество частиц ферромагнитного материала, перемещенных в магнитную ловушку. В результате этого проходное сечение выходного сетчатого элемента будет увеличиваться. И, наоборот, чем меньше напряженность магнитного поля в магнитной ловушке, тем меньше будет проходное сечение выходного сетчатого элемента.
Из этого следует, что при использовании предлагаемого способа в устройствах, в которых поток жидкой среды движется в одном направлении, для полного перекрытия потока жидкой среды не требуется создание магнитного поля, а для обеспечения прохода жидкой среды требуется магнитное поле небольшой напряженности, так как гидравлическая сила потока помогает удалению частиц с внутренней поверхности выходного сетчатого элемента и практически не препятствует перемещению этих частиц в магнитную ловушку. Это дает возможность значительно уменьшить габариты катушки индуктивности и устройства для осуществления предлагаемого способа в целом.
Таким образом, изменяя напряженность магнитного поля и регулируя количество частиц ферромагнитного материала на внутренней поверхности выходного сетчатого элемента и в магнитной ловушке, изменяют проходное сечение выходного сетчатого элемента и регулируют расход жидкой среды.
При этом для обеспечения возможности регулирования расхода жидкой среды в устройствах, в которых поток жидкой среды в процессе работы меняет направление своего движения на противоположное, и для обеспечения возможности блокирования потока в обоих направлениях входной и выходной сетчатые элементы выполняют с одинаковым проходным сечением.
Для обеспечения возможности регулирования расхода жидкой среды в устройствах, в которых поток жидкой среды в процессе работы меняет направление своего движения на противоположное, и для обеспечения возможности блокирования потока в одном направлении входной сетчатый элемент выполняют с большим проходным сечением, чем выходной сетчатый элемент.
При использовании предлагаемого способа в устройствах, в которых поток жидкой среды в процессе работы меняет свое направление на противоположное, для перемещения частиц ферромагнитного материала в магнитную ловушку требуется еще меньшая величина напряженности магнитного поля. Это объясняется тем, что частицы ферромагнитного материала под действием постоянно меняющегося по направлению потока жидкой среды находятся в непрерывном движении и требуется небольшая величина напряженности магнитного поля для втягивания частиц ферромагнитного материала в магнитную ловушку и их удержания в ней.
В результате того, что в магнитной ловушке минимизирована гидравлическая сила потока жидкой среды, возможность отрыва частиц от магнитной ловушки незначительна.
Для лучшего понимания изобретения ниже приведены конкретные примеры его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает устройство для регулирования потока жидкой среды, выполненное согласно изобретению, первый вариант выполнения, поперечный разрез;
Фиг.2 - устройство для регулирования потока жидкой среды, выполненное согласно изобретению, второй вариант выполнения, поперечный разрез;
Фиг.3 - устройство для регулирования потока жидкой среды, выполненное согласно изобретению, третий вариант выполнения, поперечный разрез;
Фиг.4 - устройство для регулирования потока жидкой среды, выполненное согласно изобретению, четвертый вариант выполнения, поперечный разрез;
Фиг.5 - устройство для регулирования потока жидкой среды, выполненное согласно изобретению, пятый вариант выполнения, поперечный разрез.
Предлагаемое магнитореологическое устройство для регулирования расхода жидкой среды, выполненное согласно изобретению, содержит корпус 1, в котором имеются входной и выходной каналы 2, 3. Корпус 1 может быть выполнен составным из магнитомягкого материала, например из низкоуглеродистой электротехнической стали. Входной и выходной каналы 2, 3 в зависимости от назначения могут иметь одинаковое или разное проходное сечение.
В корпусе 1 размещен индуктор 4 магнитного поля, подсоединенный к источнику тока (на чертежах не показан). Индуктор 4 содержит катушку индуктивности 5 с центральным каналом 6, выполненную с возможностью формирования магнитного поля, силовые линии (N) которого имеют направление, по существу совпадающее с направлением движения потока жидкой среды. В центральном канале 6 катушки 5 индуктора 4 размещен сердечник 7, выполненный из магнитного материала.
Устройство имеет канал 8 для прохода жидкой среды и участок 9 для прохода жидкой среды, ограниченный сетчатыми элементами 10, 11, выполненными из немагнитного материала.
Канал 8 может иметь различное конструктивное выполнение, то есть, например, он может быть выполнен в сердечнике 7 или в зазоре между сердечником 7 и индуктором 4. Участок 9, ограниченный сетчатыми элементами 10, 11, также может иметь различное конструктивное выполнение, то есть, например, он может быть выполнен в канале 8 для прохода жидкой среды, во входном и выходном каналах 2, 3 корпуса 1 или в зазоре между сердечником 7 и индуктором 4. Причем весь канал 8 для прохода жидкой среды может быть ограничен сетчатыми элементами 10,11 и может представлять собой участок 9.
На участке 9 размещены частицы 12 ферромагнитного материала с размером, большим размера ячеек каждого сетчатого элемента 10, 11. Сетчатые элементы 10, 11 оппозитно закреплены поперек направления движения потока жидкой среды и в зависимости от направления движения потока жидкой среды каждый из них может быть как входным, так и выходным.
На участке 9, ограниченном сетчатыми элементами 10, 11, частицы 12 ферромагнитного материала могут быть размещены в количестве, достаточном для полного перекрывания проходного сечения выходного сетчатого элемента 11, а входной и выходной сетчатые элементы 10, 11 могут иметь одинаковую площадь проходного сечения или разную площадь проходного сечения.
На участке 9, ограниченном сетчатыми элементами 10, 11, имеется карман 13, смещенный в поперечном направлении от центральной продольной оси а-а этого участка 9, при этом проходное сечение указанного участка 9 в зоне выполнения кармана 13 больше проходного сечения выходного сетчатого элемента 11, в результате чего в зоне кармана 13 гидравлическая сила потока будет минимальна. При этом карман 13 имеет объем, достаточный для размещения всех частиц 12 ферромагнитного материала, и выполнен в такой форме, которая позволяет при подаче напряжения на индуктор 4 создать в этом кармане 13 магнитную ловушку, магнитное поле в которой имеет максимальную напряженность. То есть карман 13 выполнен с возможностью формирования магнитной ловушки, в которую под действием магнитного поля будут перемещаться и удерживаться в ней частицы ферромагнитного материала.
Предлагаемое устройство имеет средство (на чертежах не показано) для регулирования напряженности магнитного поля. В зависимости от области применения предлагаемого изобретения в качестве этого средства могут быть использованы различные известные приспособления, пригодные для аналогичных целей.
Канал 8 для прохода жидкой среды и участок 9, ограниченный сетчатыми элементами 10, 11, могут быть по-разному расположены в предлагаемом устройстве. Например, они могут быть расположены в сердечнике 7. При этом в разных вариантах выполнения настоящего изобретения сердечник 7 может иметь различную конструкцию.
Например, сердечник 7 (вариант А, изображенный на фиг.1) представляет собой втулку 14, коаксиально закрепленную в центральном канале 6 катушки индуктивности 5 индуктора 4 магнитного поля. Втулка 14 на внешних сторонах имеет угловые скосы 15, а на внутренней стороне - угловое углубление 16, представляющее собой указанный карман 13. Центральное отверстие 17 втулки 14 представляет собой указанный участок 9, ограниченный сетчатыми элементами 10, 11, которые оппозитно закреплены на соответствующих торцах 18, 19 втулки 14 и имеют одинаковую площадь проходного сечения. При этом участок 9 выполняет функцию канала 8 для прохода жидкой среды.
В этом варианте (А) предлагаемое устройство работает как двухсторонний клапан, имеющий возможность при движении потока в разных направлениях дросселировать поток жидкой среды и полностью перекрывать (блокировать) движение потока.
В другом варианте выполнения (вариант В, изображенный на фиг.2) сердечник 7 представляет собой втулку 20, коаксиально закрепленную в центральном канале 6 катушки индуктивности 5 индуктора 4 магнитного поля. Втулка 20 на одной из внешних сторон имеет угловой скос 15, а на внутренней стороне - угловое углубление 16, представляющее собой указанный карман 13. Входной сетчатый элемент 10 закреплен на торце 18 втулки 20 со стороны углового скоса 15, а выходной сетчатый элемент 11 закреплен внутри втулки 20 и имеет площадь проходного сечения, больше площади проходного сечения входного сетчатого элемента 10.
В этом варианте выполнения (В) предлагаемое устройство работает как односторонний клапан, имеющий возможность при движении потока в одном направлении только дросселировать поток жидкой среды, а при движении потока в другом направлении - дросселировать поток жидкой среды и полностью перекрывать (блокировать) движение потока.
Возможен еще один вариант выполнения настоящего изобретения (вариант С, изображенный на фиг.3), предназначенный для того, чтобы устройство выполняло, в том числе, и функцию блокирующего приспособления при движении жидкой среды в одном направлении.
В этом варианте (С) сердечник 7 представляет собой цилиндрический элемент 21, закрепленный в центральном канале 6 катушки индуктивности 5 индуктора 4 вдоль направления движения жидкой среды с зазором (n) относительно его стенок. Зазор (n) представляет собой указанный канал 8 для прохода жидкой среды. Цилиндрический элемент 21 имеет с одной стороны заостренный конец 22, на торце которого выполнено углубление 23, представляющее собой упомянутый карман 13. Участок 9, ограниченный сетчатыми элементами 10, 11, расположен в канале 2 корпуса 1 и в поперечном сечении имеет форму трапеции, большее основание которой обращено в сторону сердечника 7.
Возможен еще один вариант выполнения настоящего изобретения (вариант D, изображенный на фиг.4), предназначенный для того, чтобы устройство выполняло, в том числе, и функцию блокирующего приспособления при движении жидкой среды в двух направлениях.
В этом варианте (D) сердечник 7 представляет собой два цилиндрических элемента 24, аксиально (вдоль одной оси напротив друг друга) закрепленных в центральном канале 6 катушки индуктивности 5 индуктора 4 вдоль направления движения жидкой среды с зазором (m) относительно его стенок. Зазор (m) представляет собой указанный канал 8 для прохода жидкой среды. Цилиндрические элементы 24 на обращенных одна к другой сторонах имеют заостренные концы 25. Участок 9, ограниченный сетчатыми элементами 10, 11, размещен в канале 8 для прохода жидкой среды и охватывает узкие участки 26 заостренных концов 25 цилиндрических элементов 24, пространство между которыми представляет собой указанный карман 13.
Возможен еще один вариант выполнения настоящего изобретения (вариант Е, изображенный на фиг.5), предназначенный для того, чтобы устройство выполняло, в том числе, и функцию блокирующего приспособления при движении жидкой среды в двух направлениях.
В этом варианте (Е) устройство имеет два участка 9, ограниченных сетчатыми элементами 10, 11, и каждый участок 9 расположен в соответствующем канале 2, 3 корпуса 1. Сердечник 7 представляет собой цилиндрический элемент 27, закрепленный в центральном канале 6 катушки индуктивности 5 индуктора 4 вдоль направления движения жидкой среды с зазором (k) относительно его стенок. Зазор (k) представляет собой указанный канал 8 для прохода жидкой среды. Цилиндрический элемент 27 имеет с противоположных сторон заостренные концы 28, на торцах которых выполнены углубления 29, представляющие собой упомянутые карманы 13. Карманы 13 размещены на соответствующих участках 9, ограниченных сетчатыми элементами 10, 11, и каждый участок 9 в поперечном сечении имеет форму трапеции, большее основание которой обращено в сторону сердечника 7.
Описанные варианты выполнения настоящего изобретения не ограничивают возможность использования иных вариантов конкретного выполнения настоящего изобретения.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства на примере его использования в качестве управляемого дросселя в амортизаторе подвески автомобиля.
Например, управляемый дроссель, выполненный согласно изобретению, может быть смонтирован внутри автомобильного двухтрубного пассивного амортизатора готового автомобиля, не нарушая его принципиальной конструкции. Небольшие размеры управляемого дросселя позволяют монтировать его в поршне и в нижней части амортизатора параллельно основной дроссельной системе амортизатора. Такая компоновка позволяет регулировать усилие хода амортизатора и управлять расходом жидкой среды, протекающей через дроссель. Дроссель, смонтированный в поршне, регулирует жесткость амортизатора на ходе отбоя. Дроссель, смонтированный в нижней части амортизатора, регулирует усилие хода сжатия амортизатора. При регулировании жесткости амортизатора в этих двух режимах достигается более эффективная амортизация кузова автомобиля.
Алгоритм управления каждым дросселем, то есть алгоритм регулирования напряженности магнитного поля в магнитной ловушке каждого дросселя, задают в бортовой компьютер автомобиля, который выполняет функцию средства для регулирования напряженности магнитного поля в магнитной ловушке.
Жесткость подвески автомобиля увеличивают при движении автомобиля с большой скоростью, поворотах, торможении, чтобы избежать качения и «клевков» кузова. При езде по разбитой дороге жесткость подвески уменьшают. Такая работа управляемых дросселей в режиме реального времени обеспечивает не только безопасное управление и комфорт, но и увеличение ресурса работы подвески автомобиля.
При движении автомобиля поршень амортизатора постоянно совершает возвратно-поступательные перемещения, изменяется амплитуда перемещения поршня, количество и направление гидравлического потока жидкой среды, проходящей через дроссель.
При прекращении подачи управляющего тока на катушку 5 индуктивности индуктора 4 магнитного поля на частицы 12 ферромагнитного материала действует только гидравлическая сила потока жидкой среды. Частицы 12 ферромагнитного материала на участке 9, ограниченном сетчатыми элементами 10, 11, под действием гидравлической силы потока жидкой среды перемещаются на внутреннюю поверхность выходного сетчатого элемента 11, прижимаются к нему и препятствуют прохождению потока жидкой среды через дроссель. В этом случае жесткость амортизатора увеличивается.
При подаче небольшого управляющего тока на катушку 5 индуктивности увеличивается напряженность магнитного поля в магнитной ловушке, сформированной в кармане 13. При этом частицы ферромагнитного материала при перемене направления гидравлического потока жидкой среды на противоположное поднимаются гидравлическим потоком жидкой среды от внутренней поверхности сетчатого элемента 11 и одна часть из них попадает в магнитную ловушку, сформированную в кармане 13, а другая часть частиц под действием гидравлической силы потока жидкой среды прижимается к противоположному сетчатому элементу 10 и дросселирует поток жидкой среды.
При увеличении напряженности магнитного поля все частицы ферромагнитного материала попадают в магнитную ловушку и удерживаются в ней магнитным полем. При этом поток жидкой среды полностью проходит через сетчатый элемент 10, который при перемене направления потока жидкой среды выполняет функцию выходного сетчатого элемента.
Таким образом, поток жидкой среды в зависимости от величины напряженности магнитного поля частично или полностью проходит через дроссель и жесткость амортизатора уменьшается.
Так как частицы под действием постоянно меняющегося по направлению потока жидкой среды в дросселе амортизатора находятся в непрерывном движении, требуется небольшая величина напряженности магнитного поля для втягивания частиц ферромагнитного материала в магнитную ловушку и их удержания в ней. Эта особенность работы дросселя в амортизаторе дает возможность использовать катушку 5 индуктивности небольшого размера, что существенно уменьшает габариты дросселя.
При использовании предлагаемого дросселя в устройствах, в которых поток жидкой среды в процессе работы не меняет своего направления, частицы должны преодолевать гидравлическую силу потока жидкой среды, прижимающую их к выходному сетчатому элементу. Однако при подаче управляющего тока на катушку 5 происходит незначительное смещение частиц в сторону действия магнитного поля. Поток жидкой среды помогает раздвинуть частицы и в образовавшуюся воронку проходит жидкость. Давление в дросселе уменьшается и ферромагнитные частицы в зависимости от величины напряженности магнитного поля частично или полностью притягиваются магнитной ловушкой. Оптимальное сочетание величины диаметра выходного сетчатого элемента и количества ферромагнитных частиц способствует уменьшению величины управляющего тока и, соответственно, размеров катушки дросселя.
Все описанные варианты предлагаемого устройства работают аналогичным образом.
1. Способ регулирования расхода жидкой среды, заключающийся в том, что в зоне перемещения потока жидкой среды образуют область, ограниченную входным и выходным сетчатыми элементами из немагнитного материала, размещают в указанной области частицы ферромагнитного материала размером, большим размера ячеек сетчатых элементов, и регулируют количество частиц ферромагнитного материала воздействием на них магнитным полем для обеспечения возможности частичного перекрывания потока, отличающийся тем, что в области, ограниченной сетчатыми элементами, создают магнитную ловушку для частиц ферромагнитного материала с возможностью минимизирования гидравлической силы потока жидкой среды и создания максимальной напряженности магнитного поля в зоне ловушки, воздействие на частицы ферромагнитного материала осуществляют магнитным полем, силовые линии которого имеют направление, по существу, совпадающее с направлением движения потока жидкой среды, а регулирование количества частиц ферромагнитного материала, перемещаемых под действием гидравлической силы потока жидкой среды на внутреннюю поверхность выходного сетчатого элемента, а под действием магнитного поля - в магнитную ловушку, осуществляют путем изменения напряженности магнитного поля.
2. Способ по п.1,отличающийся тем, что в области, ограниченной сетчатыми элементами, частицы ферромагнитного материала размещают в количестве, достаточном для блокирования проходного сечения выходного сетчатого элемента.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что входной и выходной сетчатые элементы выполняют с одинаковым проходным сечением.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что входной сетчатый элемент выполняют с большим проходным сечением, чем выходной сетчатый элемент.
5. Магнитореологическое устройство для регулирования расхода жидкой среды, содержащее корпус, в котором имеются входной и выходной каналы, индуктор магнитного поля, имеющий катушку индуктивности с центральным каналом, сердечник из магнитного материала, канал для прохода жидкой среды и по меньшей мере один участок для прохода жидкой среды, ограниченный сетчатыми элементами, выполненными из немагнитного материала, в котором размещены частицы ферромагнитного материала размером, большим размера ячеек каждого сетчатого элемента, отличающееся тем, что сетчатые элементы оппозитно закреплены поперек направления движения потока жидкой среды, катушка индуктивности установлена с возможностью формирования магнитного поля, силовые линии которого имеют направление, по существу, совпадающее с направлением движения потока жидкой среды, и имеется средство для регулирования напряженности магнитного поля, при этом на участке, ограниченном сетчатыми элементами, имеется карман, выполненный с возможностью формирования магнитной ловушки, а проходное сечение указанного участка в зоне выполнения кармана больше проходного сечения выходного сетчатого элемента.
6. Магнитореологическое устройство по п.5, отличающееся тем, что на участке, ограниченном сетчатыми элементами, частицы ферромагнитного материала размещены в количестве, достаточном для полного перекрытия проходного сечения выходного сетчатого элемента.
7. Магнитореологическое устройство по п.6, отличающееся тем, что карман имеет объем, достаточный для размещения всех частиц ферромагнитного материала.
8. Магнитореологическое устройство по п.5, отличающееся тем, что входной и выходной сетчатые элементы имеют одинаковую площадь проходного сечения.
9. Магнитореологическое устройство по п.5, отличающееся тем, что входной и выходной сетчатые элементы имеют разную площадь проходного сечения.
10. Магнитореологическое устройство по п.5, отличающееся тем, что канал для прохода жидкой среды и участок, ограниченный сетчатыми элементами, расположены в сердечнике.
11. Магнитореологическое устройство по п.10, отличающееся тем, что сердечник представляет собой втулку, коаксиально закрепленную в центральном канале катушки индуктивности индуктора магнитного поля и имеющую на внешних сторонах угловые скосы, а на внутренней стороне - угловое углубление, представляющее собой указанный карман, при этом сетчатые элементы закреплены на соответствующих торцах втулки и имеют одинаковую площадь проходного сечения.
12. Магнитореологическое устройство по п.10, отличающееся тем, что сердечник представляет собой втулку, коаксиально закрепленную в центральном канале катушки индуктивности индуктора магнитного поля и имеющую на одной из внешних сторон угловой скос, а на внутренней стороне - угловое углубление, представляющее собой указанный карман, при этом входной сетчатый элемент закреплен на торце втулки со стороны углового скоса, а выходной сетчатый элемент закреплен внутри втулки и имеет площадь проходного сечения больше площади проходного сечения входного сетчатого элемента.
13. Магнитореологическое устройство по п.9, отличающееся тем, что сердечник представляет собой цилиндрический элемент, закрепленный в центральном канале катушки индуктивности индуктора вдоль направления движения жидкой среды с зазором относительно его стенок, который представляет собой указанный канал для прохода жидкой среды, при этом цилиндрический элемент имеет с одной стороны заостренный конец, на торце которого выполнено углубление, представляющее собой упомянутый карман и размещенное на участке, ограниченном сетчатыми элементами, который расположен в канале корпуса и в поперечном сечении имеет форму трапеции, большее основание которой обращено в сторону сердечника.
14. Магнитореологическое устройство по п.8, отличающееся тем, что сердечник представляет собой два цилиндрических элемента, аксиально закрепленных в центральном канале катушки индуктивности индуктора вдоль направления движения жидкой среды с зазором относительно его стенок, который представляет собой указанный канал для прохода жидкой среды, при этом цилиндрические элементы на обращенных одна к другой сторонах имеют заостренные концы, а участок, ограниченный сетчатыми элементами, размещен в канале для прохода жидкой среды и охватывает узкие участки заостренных концов цилиндрических элементов, пространство между которыми представляет собой указанный карман.
15. Магнитореологическое устройство по п.5, отличающееся тем, что имеются два участка, ограниченных сетчатыми элементами, и каждый участок расположен в соответствующем канале корпуса, при этом сердечник представляет собой цилиндрический элемент, закрепленный в центральном канале катушки индуктивности индуктора вдоль направления движения жидкой среды с зазором относительно его стенок, который представляет собой указанный канал для прохода жидкой среды, причем цилиндрический элемент имеет с противоположных сторон заостренные концы, на торцах которых выполнены углубления, представляющие собой упомянутые карманы, которые размещены на соответствующих участках, ограниченных сетчатыми элементами, и каждый участок в поперечном сечении имеет форму трапеции, большее основание которой обращено в сторону сердечника.
