НАПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОНДЕРМОТОРНОГО ДЕЙСТВИЯ ТОКА

УДК 669.5:539.376:53.07

О.А. Троицкий, Е.А. Правоторова

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН

На основе пондеромоторных сил тока, или пинч-эффекта (ПЭ) – от английского слова pinch – щипок, можно создавать в машинах и механизмах специальные эдектромеханические узлы (ЭМУ), приводящие в движение те или иные элементы машин в разовом или в периодическом режимах, и вызывающие вибрационные процессы для тех или иных технологических целей.

В основе ПЭ и действия ЭМУ лежит взаимодействие импульсного тока с вызванным им собственным магнитным полем проводника, по которому проходит импульсный ток. Проводник начинает периодически сжиматься в радиальном направлении с частотой следования импульсов тока. При этом амплитуды упругого сжатия проводника пропорциональны квадрату амплитуды тока и квадрату диаметра проводника.

Указанный эффект можно создавать в специально созданном проводнике, входящем в ЭМУ, или в подходящих готовых элементах машин и механизмов, желательно протяженных и круглого сечения. Пондеромоторные силы импульсного тока могут создавать регулируемую вибрацию в любом проводящем материале, находящимся в конденсированном состоянии, включая жидкую проводящую среду, где с помощью ее можно, например, определять поверхностное натяжение жидкого металла.

Раздел мехатроники, находящейся на стыке электротехники, электроники и механики машин, а также механики деформируемого тела мы предлагаем называть электромеханической мехатроникой. Именно на основе этой зарождающейся фундаментальной и технологической науки можно создавать и осуществлять следующие новые направления исследований.

1. Изучение влияния искусственно созданной с помощью ПЭ вибраций на основные параметры процессов трения скольжения и качения (коэффициент трения и силу трения) в узлах трения машин и механизмов с помощью специально созданных устройств ЭМУ.

2. Изучение влияния управляемой вибрации, создаваемой с помощью ПЭ, в деталях машин и механизмов для стимулирования процесса поступления смазки в узлы трения за счет усиления капиллярного эффекта.

3. Исследование возможности очистки металлических поверхностей от твердых накипных отложений под влиянием совместных действий упругих колебаний поверхности под влиянием ПЭ и действия поверхностно активных веществ (ПАВ) на примере очистки от накипи трубок теплообменников теплостанций.

4. Определение поверхностного натяжения жидкого металла с помощью пондеромоторных сил импульсного тока.

Осуществление новых направлений исследований и их практическую реализацию в случае получения положительных результатов целесообразно проводить поэтапно через создание специальных исследовательских стендов по каждой теме для проведения НИР и НИОКР, накопления фундаментальных знаний, заключение хозяйственных договоров с заинтересованными организациями и предприятиями для практической реализации разработок.

Указанный перечень новых направлений исследований может быть значительно расширен за счет добавления в него других известных процессов в машинах и механизмах с целью их интенсификации. Перечень может быть расширен также за счет добавления новых и старых физических эффектов и явлений в конденсированных проводящих средах, на которые могут влиять регулируемые вибрации, создаваемые электродинамическим пондеромоторным действием импульсного тока.

ПЭ является одним из основных эффектов, входящих в кооперативное явление «электропластическая деформация металла» (ЭПДМ). ПЭ является реальным фактором, влияющим на скачкообразную деформацию металла.

Переходя к физическому механизму ПЭ, отметим, что под влиянием действия собственного магнитного поля импульсного тока происходит оттеснение электронов проводимости и линий тока от поверхности вглубь металла, как показано на рис. 1а. Возникающая при этом поляризация электронной системы металла в приповерхностных областях вызывает возникновение поперечного электрического поля Холла, которое препятствует дальнейшему сжатию электронной плазмы металла и становится причиной появления механических напряжений и указанных выше вибраций с частотой следования импульсов тока.

а б

Рис. 1. а) Z- и Q-пинч-эффекты. 1 – линии тока внутри образца; 2 – линии магнитного поля вокруг образца. б) Изменение напряженности собственного магнитного поля образца с током H(t) и сопряженного с ним динамического пинч-эффекта P(t).

Давление собственного магнитного поля тока на проводник в радиальном направлении показано на Рис 1б. Механическое давление на поверхность круглых образцов от пинч-эффекта составляет [дн/см²] или р»1,6×10^–2m(Jr)². Из последнего выражения следует, что при одной и той же плотности тока, например, J = 10⁵ А/cм², пинч-эффект будет выражен тем больше, чем больше радиус использованных образцов.

Таким образом, пинч-эффект является масштабным эффектом. Он квадратично зависит от R (а также от J_m). Для образцов малого радиуса он практически не наблюдается, чем в свое время воспользовались американцы. При радиусе образцов ~0,25мм этот эффект не оказывает какого-либо действия на деформацию титана с током. В наших опытах образцы имели радиус ~0,5 мм, что также относится к малым размерам. При пороговых значениях плотности тока 400-500 А/мм² на поверхности образцов возникало поле напряженностью Н = 700-800 Э, которое создавало механическое давление в радиальном направлении величиной р = 0,9×10⁴ Па. Подобные напряжения могли вызывать усиление пластической деформации кристаллов цинка, растягиваемых или сжимаемых с постоянной скоростью в испытательной машине. Что касается влияния материала образца, то, как указывалось, пинч-эффект тем больше, чем больше проводимость металла. Таким образом, по величине пинч-эффекта на первом месте стоит медь, на втором – цинк и на третьем – сталь.