eng
Выпуск #2/2022
Д.С.Шахов, В.П.Михайлов, А.М.Базиненков, М.Е.Жуков
ВАКУУМНЫЙ ДВУХКООРДИНАТНЫЙ МЕХАНИЗМ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ СКОРОСТИ
ВАКУУМНЫЙ ДВУХКООРДИНАТНЫЙ МЕХАНИЗМ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ СКОРОСТИ
Просмотры: 647
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.144.148
Во многих областях современных нанотехнологий, осуществляемых в вакууме, требуется перемещение объектов с высокой точностью. В работе рассмотрен вакуумный двухкоординатный пневмогидравлический привод, способный осуществлять точные перемещения. Высокая точность механизма достигается за счет применения в качестве рабочей жидкости гидравлической части интеллектуального материала, электрореологической жидкости, способной мгновенно изменять свои реологические свойства под действием внешнего электрического поля. В работе экспериментально установлено, что наиболее эффективная регулировка скорости перемещения штока привода осуществляется на низких давлениях в пневмоцилиндре с концентрацией дисперсной фазы рабочей жидкости 25%.
Во многих областях современных нанотехнологий, осуществляемых в вакууме, требуется перемещение объектов с высокой точностью. В работе рассмотрен вакуумный двухкоординатный пневмогидравлический привод, способный осуществлять точные перемещения. Высокая точность механизма достигается за счет применения в качестве рабочей жидкости гидравлической части интеллектуального материала, электрореологической жидкости, способной мгновенно изменять свои реологические свойства под действием внешнего электрического поля. В работе экспериментально установлено, что наиболее эффективная регулировка скорости перемещения штока привода осуществляется на низких давлениях в пневмоцилиндре с концентрацией дисперсной фазы рабочей жидкости 25%.
Теги: electrorheological fluid pneumohydraulic drive speed adjustment vacuum viscosity вакуум вязкость пневмогидравлический привод регулировка скорости перемещения электрореологическая жидкость
Получено: 15.03.2022 г. | Принято: 22.03.2022 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.144.148
Научная статья
Вакуумный двухкоординатный механизм перемещений с электрореологической регулировкой скорости
Д.С.Шахов1, студент, 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 / mikhailov@bmstu.ru
Аннотация. Во многих областях современных нанотехнологий, осуществляемых в вакууме, требуется перемещение объектов с высокой точностью. В работе рассмотрен вакуумный двухкоординатный пневмогидравлический привод, способный осуществлять точные перемещения. Высокая точность механизма достигается за счет применения в качестве рабочей жидкости гидравлической части интеллектуального материала, электрореологической жидкости, способной мгновенно изменять свои реологические свойства под действием внешнего электрического поля. В работе экспериментально установлено, что наиболее эффективная регулировка скорости перемещения штока привода осуществляется на низких давлениях в пневмоцилиндре с концентрацией дисперсной фазы рабочей жидкости 25%.
Ключевые слова: вакуум, пневмогидравлический привод, электрореологическая жидкость, вязкость, регулировка скорости перемещения
Для цитирования: Д.С.Шахов, В.П.Михайлов, А.М.Базиненков, М.Е.Жуков. Вакуумный двухкоординатный механизм перемещений с электрореологической регулировкой скорости. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 2. С. 144–148. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.144.148
Received: 15.03.2022 | Accepted: 22.03.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.144.148
Original paper
VACUUM TWO-AXIS MOVEMENT MECHANISM WITH ELECTRORHEOLOGICAL SPEED CONTROL
D.S.Shakhov1, student, ORCID: 0000-0003-1113-0428
V.P.Mikhailov1, Doct. of Sci. (Tech), Prof., ORCID: 0000-0003-3638-7932
A.M.Bazinenkov1, Cand. of Sci. (Tech), Associate Professor, ORCID: 0000-0003-0845-2290
M.E.Zhukov1, student, ORCID: 0000-0001-6522-1304 / mikhailov@bmstu.ru
Abstract. In many areas of modern nanotechnologies carried out in a vacuum it is required to move objects with high precision. The paper considers a two-axis vacuum pneumohydraulic drive capable of performing precise movements. High precision of the mechanism is achieved due to use of intelligent material as a working fluid of the hydraulic part – an electrorheological fluid that can instantly change its rheological properties under the action of an external electric field. It has been experimentally established in the work that the most effective adjustment of the speed of the drive rod movement is carried out at low pressures in the pneumatic cylinder with a 25%concentration of the dispersed phase of the working fluid.
Keywords: vacuum, pneumohydraulic drive, electrorheological fluid, viscosity, speed adjustment
For citation: D.S.Shakhov, V.P.Mikhailov, A.M.Bazinenkov, M.E.Zhukov. Vacuum two-axis movement mechanism with electrorheological speed control. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 2. PP. 144–148.
https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.144.148
ВВЕДЕНИЕ
Преобладающая часть современных нанотехнологий осуществляется в вакуумной технологической среде. Например, тонкие пленки, нанесенные в вакууме, используются в качестве антифрикционных покрытий режущего инструмента и машиностроительных пар трения. Для обеспечения равномерности нанесенной пленки часто необходимо осуществлять перемещение с высокой точностью позиционирования и равномерностью скорости. Наиболее эффективное управление скоростью движения осуществляется в пневматических и гидравлических приводах. Для повышения точности перемещений гидравлического привода, в качестве рабочей жидкости, может быть использован интеллектуальный материал, электрореологическая жидкость (ЭРЖ) [4, 5]. ЭРЖ представляют собой суспензии 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 (вплоть до 100 тыс.) увеличение вязкости за счет образования цепочечных структур, направленных параллельно силовым линиям электрического поля. Помимо вязкости будут меняться упругость и пластичность жидкости.
В мире существует ряд исследований, связанных с электрореологическими жидкостями. Работы по исследованию ЭРЖ, в основном, направлены на подбор дисперсной фазы, которая обеспечит максимальный электрореологический 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 литиевые 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 4 000 Па при 3 000 В/мм [3].
В качестве бюджетного аналога твердой фазы ЭРЖ может быть использован крахмал.
Вакуумный двухкоординатный механизм перемещений с электрореологической регулировкой скорости (рис.1) работает следующим образом.
Каретка 4 приводится в движение пневматическим цилиндром 1, соединенным с гидравлическим цилиндром 2 общим штоком. Ввод движения 6 обеспечивает герметизацию штока в вакуумной камере. Шток жестко закреплен к каретке 4, перемещающейся по направляющим внутри вакуумной камеры 5. Управление скоростью перемещения осуществляется с помощью управляемого дросселя, электрореологического дросселя (ЭРД) 3 в гидроцилиндре 2.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводились на однокоординатном пневмогидравлическом приводе с ЭР-управлением (рис.2), имитирующем вакуумный двухкоординатный механизм перемещений с электрореологической регулировкой скорости.
Привод является комбинированным и состоит из пневмоцилиндра 2 и гидроцилиндра 7, имеющих общий шток 8, который совершает возвратно-поступательное движение. Рабочей жидкостью в гидроцилиндре является ЭРЖ. При движении штока привода ЭРЖ перетекает из одной полости гидроцилиндра в другую через зазор управляемого дросселя 5. За счет ЭР-эффекта происходит уменьшение объемного расхода ЭРЖ через дроссель и, соответственно, замедление штока.
Целью эксперимента по исследованию реологических характеристик ЭРЖ на основе крахмала являлось определение эффективности регулирования скорости штока пневмогидравлического привода.
При различных давлениях в пневмоцилиндре и различных напряжениях на обкладках дросселя проводилось измерение положения штока и разности давлений.
В работе представлены исследования образцов с концентрацией дисперсной фазы крахмала 15, 25, 40%. Дисперсионной средой послужила кремнийорганическая жидкость ПМС-20. Активатор – вода.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Полученные значения координат были пересчитаны в скорость перемещения штока. В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости скорости перемещения штока от напряжения на обкладках ЭРД для образцов ЭРЖ с концентрацией дисперсной фазы крахмала 15, 25 и 40%. Указанные графики для давления в пневмоцилиндре 0,4 атм и 0,5 атм представлены на рис.3, 4 соответственно.
Обнаружено, что с ростом напряжения на обкладках ЭРД происходит снижение скорости движения штока. Для давления 0,4 атм и концентрации дисперсной фазы 25% изменение скорости наиболее выражено, для концентраций 15 и 40% – изменение скорости не существенно. При давлении в пневмоцилиндре 0,5 атм обнаружено монотонное снижение скорости для всех образцов.
ОБСУЖДЕНИЕ
Изменение скорости связано с элекрореологическим эффектом, происходящим в рабочем зазоре ЭРД. Формирование цепочных структур между обкладками дросселя обеспечивает локальное увеличение эквивалентной вязкости жидкости в зазоре, приводящее к снижению расхода рабочей жидкости и уменьшению скорости движения штока.
При высоком давлении 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 низком давлении 0,4 атм. При этом с ростом напряжения до 2 кВ скорость снижается на 75%.
ВЫВОДЫ
Обнаружено, что при использовании в качестве рабочей жидкости гидравлической части привода ЭРЖ можно эффективно управлять скоростью вакуумного двухкоординатного механизма перемещений за счет воздействия на электрореологическую жидкость электрическим полем.
Эффективней всего регулировка скоростью перемещения штока вакуумного привода может быть осуществлена на низком давлении 0,4 атм в пневмоцилиндре привода.
Скорость штока привода изменяется от 12 до 3 мм/с при росте управляющего напряжения на обкладках ЭРД от 0 до 2 000 В при использовании ЭРЖ с концентрацией дисперсной фазы 25%.
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.
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. P. 70:021507.
Yavuz M., Unal H.I., Yildirir Y. Electrorheological Properties of Suspensions Prepared from Polystyrene-Block- Polyisoprene Copolymer. Turkish Journal of Chemistry, 2001. 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. 62(5). PP. 625–632.
Шахов Д.С., Волынец В.В. Исследование зависимости скорости перемещений пневматического привода с электрореологическим регулятором скорости от величины управляющего напряжения. Всероссийская научно-техническая конференция "Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии": материалы конференции, 6–9 апреля, 2021, Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана. М.: ООО "КванторФорм", 2021. [Электронный ресурс] URL: https://studvesna.ru?go=articles&id=3262
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". Судак, 2012. С. 349.
Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Научная статья
Вакуумный двухкоординатный механизм перемещений с электрореологической регулировкой скорости
Д.С.Шахов1, студент, 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 / mikhailov@bmstu.ru
Аннотация. Во многих областях современных нанотехнологий, осуществляемых в вакууме, требуется перемещение объектов с высокой точностью. В работе рассмотрен вакуумный двухкоординатный пневмогидравлический привод, способный осуществлять точные перемещения. Высокая точность механизма достигается за счет применения в качестве рабочей жидкости гидравлической части интеллектуального материала, электрореологической жидкости, способной мгновенно изменять свои реологические свойства под действием внешнего электрического поля. В работе экспериментально установлено, что наиболее эффективная регулировка скорости перемещения штока привода осуществляется на низких давлениях в пневмоцилиндре с концентрацией дисперсной фазы рабочей жидкости 25%.
Ключевые слова: вакуум, пневмогидравлический привод, электрореологическая жидкость, вязкость, регулировка скорости перемещения
Для цитирования: Д.С.Шахов, В.П.Михайлов, А.М.Базиненков, М.Е.Жуков. Вакуумный двухкоординатный механизм перемещений с электрореологической регулировкой скорости. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 2. С. 144–148. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.144.148
Received: 15.03.2022 | Accepted: 22.03.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.144.148
Original paper
VACUUM TWO-AXIS MOVEMENT MECHANISM WITH ELECTRORHEOLOGICAL SPEED CONTROL
D.S.Shakhov1, student, ORCID: 0000-0003-1113-0428
V.P.Mikhailov1, Doct. of Sci. (Tech), Prof., ORCID: 0000-0003-3638-7932
A.M.Bazinenkov1, Cand. of Sci. (Tech), Associate Professor, ORCID: 0000-0003-0845-2290
M.E.Zhukov1, student, ORCID: 0000-0001-6522-1304 / mikhailov@bmstu.ru
Abstract. In many areas of modern nanotechnologies carried out in a vacuum it is required to move objects with high precision. The paper considers a two-axis vacuum pneumohydraulic drive capable of performing precise movements. High precision of the mechanism is achieved due to use of intelligent material as a working fluid of the hydraulic part – an electrorheological fluid that can instantly change its rheological properties under the action of an external electric field. It has been experimentally established in the work that the most effective adjustment of the speed of the drive rod movement is carried out at low pressures in the pneumatic cylinder with a 25%concentration of the dispersed phase of the working fluid.
Keywords: vacuum, pneumohydraulic drive, electrorheological fluid, viscosity, speed adjustment
For citation: D.S.Shakhov, V.P.Mikhailov, A.M.Bazinenkov, M.E.Zhukov. Vacuum two-axis movement mechanism with electrorheological speed control. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 2. PP. 144–148.
https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.144.148
ВВЕДЕНИЕ
Преобладающая часть современных нанотехнологий осуществляется в вакуумной технологической среде. Например, тонкие пленки, нанесенные в вакууме, используются в качестве антифрикционных покрытий режущего инструмента и машиностроительных пар трения. Для обеспечения равномерности нанесенной пленки часто необходимо осуществлять перемещение с высокой точностью позиционирования и равномерностью скорости. Наиболее эффективное управление скоростью движения осуществляется в пневматических и гидравлических приводах. Для повышения точности перемещений гидравлического привода, в качестве рабочей жидкости, может быть использован интеллектуальный материал, электрореологическая жидкость (ЭРЖ) [4, 5]. ЭРЖ представляют собой суспензии 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 (вплоть до 100 тыс.) увеличение вязкости за счет образования цепочечных структур, направленных параллельно силовым линиям электрического поля. Помимо вязкости будут меняться упругость и пластичность жидкости.
В мире существует ряд исследований, связанных с электрореологическими жидкостями. Работы по исследованию ЭРЖ, в основном, направлены на подбор дисперсной фазы, которая обеспечит максимальный электрореологический 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 литиевые 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 4 000 Па при 3 000 В/мм [3].
В качестве бюджетного аналога твердой фазы ЭРЖ может быть использован крахмал.
Вакуумный двухкоординатный механизм перемещений с электрореологической регулировкой скорости (рис.1) работает следующим образом.
Каретка 4 приводится в движение пневматическим цилиндром 1, соединенным с гидравлическим цилиндром 2 общим штоком. Ввод движения 6 обеспечивает герметизацию штока в вакуумной камере. Шток жестко закреплен к каретке 4, перемещающейся по направляющим внутри вакуумной камеры 5. Управление скоростью перемещения осуществляется с помощью управляемого дросселя, электрореологического дросселя (ЭРД) 3 в гидроцилиндре 2.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводились на однокоординатном пневмогидравлическом приводе с ЭР-управлением (рис.2), имитирующем вакуумный двухкоординатный механизм перемещений с электрореологической регулировкой скорости.
Привод является комбинированным и состоит из пневмоцилиндра 2 и гидроцилиндра 7, имеющих общий шток 8, который совершает возвратно-поступательное движение. Рабочей жидкостью в гидроцилиндре является ЭРЖ. При движении штока привода ЭРЖ перетекает из одной полости гидроцилиндра в другую через зазор управляемого дросселя 5. За счет ЭР-эффекта происходит уменьшение объемного расхода ЭРЖ через дроссель и, соответственно, замедление штока.
Целью эксперимента по исследованию реологических характеристик ЭРЖ на основе крахмала являлось определение эффективности регулирования скорости штока пневмогидравлического привода.
При различных давлениях в пневмоцилиндре и различных напряжениях на обкладках дросселя проводилось измерение положения штока и разности давлений.
В работе представлены исследования образцов с концентрацией дисперсной фазы крахмала 15, 25, 40%. Дисперсионной средой послужила кремнийорганическая жидкость ПМС-20. Активатор – вода.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Полученные значения координат были пересчитаны в скорость перемещения штока. В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости скорости перемещения штока от напряжения на обкладках ЭРД для образцов ЭРЖ с концентрацией дисперсной фазы крахмала 15, 25 и 40%. Указанные графики для давления в пневмоцилиндре 0,4 атм и 0,5 атм представлены на рис.3, 4 соответственно.
Обнаружено, что с ростом напряжения на обкладках ЭРД происходит снижение скорости движения штока. Для давления 0,4 атм и концентрации дисперсной фазы 25% изменение скорости наиболее выражено, для концентраций 15 и 40% – изменение скорости не существенно. При давлении в пневмоцилиндре 0,5 атм обнаружено монотонное снижение скорости для всех образцов.
ОБСУЖДЕНИЕ
Изменение скорости связано с элекрореологическим эффектом, происходящим в рабочем зазоре ЭРД. Формирование цепочных структур между обкладками дросселя обеспечивает локальное увеличение эквивалентной вязкости жидкости в зазоре, приводящее к снижению расхода рабочей жидкости и уменьшению скорости движения штока.
При высоком давлении 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 низком давлении 0,4 атм. При этом с ростом напряжения до 2 кВ скорость снижается на 75%.
ВЫВОДЫ
Обнаружено, что при использовании в качестве рабочей жидкости гидравлической части привода ЭРЖ можно эффективно управлять скоростью вакуумного двухкоординатного механизма перемещений за счет воздействия на электрореологическую жидкость электрическим полем.
Эффективней всего регулировка скоростью перемещения штока вакуумного привода может быть осуществлена на низком давлении 0,4 атм в пневмоцилиндре привода.
Скорость штока привода изменяется от 12 до 3 мм/с при росте управляющего напряжения на обкладках ЭРД от 0 до 2 000 В при использовании ЭРЖ с концентрацией дисперсной фазы 25%.
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.
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. P. 70:021507.
Yavuz M., Unal H.I., Yildirir Y. Electrorheological Properties of Suspensions Prepared from Polystyrene-Block- Polyisoprene Copolymer. Turkish Journal of Chemistry, 2001. 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. 62(5). PP. 625–632.
Шахов Д.С., Волынец В.В. Исследование зависимости скорости перемещений пневматического привода с электрореологическим регулятором скорости от величины управляющего напряжения. Всероссийская научно-техническая конференция "Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии": материалы конференции, 6–9 апреля, 2021, Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана. М.: ООО "КванторФорм", 2021. [Электронный ресурс] URL: https://studvesna.ru?go=articles&id=3262
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". Судак, 2012. С. 349.
Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
