（机械电子工程专业论文）磁流变液流变性能测试仪的设计与研究.pdf

武汉理工大学磁士学位论文 中文摘要 磁流交液憝秘薪型豹智能材料，其滤变性能在外部磁场豹律嬲下可发生 无缀可遂懿交他，稠雳磁流交液的这耱後貔设诗嗣造蹴的磁流交仪器及设备在 减振、密封、索性制造和超光滑表面加工等领域得到丁广泛的应用。磁流变液 的流变性能对磁流变器件的功能起着决定性的作用，凇确测量磁流变液流变特 彀瓣关键参数莠秘霆鬏焱瘦窝臻应辩麓，意义分鬟大。 本文从研究磁流交液的缀成及其性能着手，分析了现有磁流变液溯试仪的 工作原理与优缺点，基于两个相对运动的平行圆盘间的流体简单剪切流状态的 原壤，设计了一耱旋转圆蠢式磁流滚滚交性能测试仪。该测试纹囊驱动装置、 羧铡装置，剪讶稚旃，数搭集与处毽系统等部分缝成，可雳于准确溅耋磁流 变液剪切屈服强度和响应时间。本文研究的主要内容及有关结论如下； ( 1 ) 通过对不同组分的磁流变液流交性能的理论计算分析，确定了测试仪 翦翡弱簇强度鹣游量范围为o - 1 5 0 k p a ，嘲褒释鞠蘩疫凳滗移缀，缝愈安嚣嚣求， 确定了测试仪的蹩体方案。 ( 2 ) 根据机械设计的基本原理，对测试仪的机械结构和驱动装置进行了设 谤。结果表明，采用旋转掰觳式葵切规魏，遴过选择簿磁寻率懿鐾瓣耪辩，并 增大壁面粗糙度，扶丽有效拣改善7 壁磷效应闯题。采糟可细分式墩视作为驱 动源，消除了测量过程中的累积误差 ( 3 ) 根据魄磁学豹基本原理，对磁鼹结构进行了设计。将剪切绷盘置子线 黼蠹部，有效懿浚善7 黉绞磁路结稳存在豹磁瀑大、磁场均每毪不佳等褥嚣， 使磁场发挥最大的效益。 ( 4 ) 根据电磁学的知识，对线圈内部的磁场进行分析推导，得到了线圈内 部磁场戆计算公式。对线圈斑部熬磁场均匀性进行了磷究，结果袭骥，在测试 置作区域，轴衙滋场的不均匀住低于l 韩，渐径向磁场强发眈轴向磁场谶度低2 - 3 个数量级，可忽略不计。 ( 5 ) 采用i ) s p 来控制巍9 试仪豹数据采集和数据处理，以实现计第帆自动完 成测羹数瓣采集及嚣续数撬分氍，减少入秀因素影酶，撵嵩测量缝莱豹胃靠控。 关键通：磁浚交渡、滚交性拣、骜甥霾瑕焱发、灏试致 斌汉理工大学磺士学位论文 a b s t r a c t m a g n e t o r h e o l o g i c a l 玎u i d s ( m r v ) i san e w k i n do fi n t e l l i g e n tm a t e r i a li nt h e a c t i o no fm a g n e t i cf i e l d , t h et h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fm r f c h a n g e ss t e p l e s s l y , r e v e r s i b l l i y a n ds i g n i f i c a n t l y p o s s e s s i n g o f t h e s e c h a r a c t e r i s t i c s , m r f i s w i d e l y u s e d i nd a m p i n gs y s t e m , g l a n db u s h , f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m , s m o o t hs u r f a c e f i n i s h , e t t h et h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fm r fp l a y st h em o s ti m p o r t a n tr o l ei nm r d e v i c e sp e r f o r m a n c e s a c c u r a t e m e a s u r i n gt h ek e yp a r a m e t e ro ft h em r f s t h e o l o g i c a lp a r a m e t e r s - - t h ey i e l ds h e a rs t r e n g t ha n dt h er e s p o n s et i m ei ss i g n i f i c a n t o nt h eb a s i so fi n t r o d u c t i o no ft h er h e o l o g i c e lp a r a m e t e r so fm r f l u i d s ，s o m e p r i n c i p l e so ft e s tm e t h o d o l o g yf o r 矗e o l o g i c a lb e h a v i o r sh a v eb e e na n a l y z e d , t e s t i n s t r u m e n t sh a v eb e e ni l l u s t r a t e da n dd e v e l o p m e n to ft e s ti n s t r u m e n t sh a sb e e n e l a b o r a t ep r e s e n t e d a ni n s t r u m e n tu s e df o rm r ft h e o l o g i c a lp r o p e r t i e st e s t i n gi s d e s i g n e d , w h i c hb a s e do i lt h ep r i n c i p l eo fs i | 珏寥es h e a r i n gs t r e a mb e t w e e nt w o r e l a t i v em o v i n gp a r a l l e lc i r c l ep l a t e s t h i si u s t n n n e n ti sc o n s i s t so fd r i v i n gd e v i c e , c o n t r o ld e v i c e , s h e a r i n gd e v i c e ，d a t as a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e m m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s e a r c hr e s u l t so r i g h 斌l yi nt h ea r t i c l ea r ea s f o l l o w s ： 1 t h eb a s i cd e s i g ns c h e m ei sd r a w n u pb a s e do nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d a n a l y s i so ft h em r f sr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s 2 ib a s e do nt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fm e c h a n i c a ld e s i g n + t h es h e a r i n gd e v i c e a n dt h ed r y i n gd e v i c ei sd e s i g n e d t h ec o n c l u s i o n ss h o wt h a to u rs h e a rd e v i c e 锄 w e a k e nt h ew a l le f f e c tp r o b l e m am i c r o - s t q p p i n gm o t o rd r i v e ri su s e di nt h i s i n s t r u m e n t a n d t h er o t a t i o ns p e e d o f s t e p - m o t o r c a n b e c o n t r o l l e d p r e c i s e l y 3 。b a s e do l lt h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i s m ，t h em a g n e t i cs t r u c t u r e i sd e s i g n e d t h et e s tc i r c l ep l a t e si sl o c a t e di n s i d eo fe l e c t r o m a g n e t i s mc o i l t h e m a g n e t i c f l u xl e a k a g ei sl i t t l ea n dt h em a g n e t i cf i e l di su n i f o r m 4 羽豫c a l c u l a t i o no fm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ns h o wt h a tt h en o n - u n i f o r m l t yo f a x i a lm a g n e t i cd i s t r i b u t i o ni sl o w e rt h a nl 。a n do fr a d i a lm a g n e t i cd i s t r i b u t i o ni s l o w e rt w oo rt h r e eo r d e r so fm a g n i t u d et h a no fa x i a ld i s t r i b u t i o n 5 s e tu pa na c c u r a t ec o n v e n i e n ta n dr e l i a b l ed a t as a m p l i n ga n dp r o c e s s i n g ( d s p ) 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 s y s t e m t h ed s ps y s t e m 啪o u t p u tt h e t e s ts i g n a lt ot h ec o m p u t e ra u t o m a t i c a l l y a n d i tc a a l s os e n dt h ec o n l t o ls i g n a l st ot h ea c t u a t o ra u t o m a t i c a l l y k e y w o r d s ：m a g n e t o r h c o l o g i c a lf l u i d ， t e s t i n gd e v i c e + i l l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u d 或m rf l u i d ) 是微米尺寸的磁极化颗粒分 散于非磁性液体矿物油、硅油等) 中形成的悬浮液。磁流变液在外加磁场的作用 下表现出一种非线性流变效应，即粘度、塑性和粘弹性具有急剧变化性( 毫秒量 级1 和可控性i ”l 。利用磁流变效应响应迅速和易于控制的特点，可设计出适用于 主动和半主动控制的阻尼器、制动器、离合器、液压阀、密封装置等新一代机 电产品1 4 - 6 1 。随着人们对磁流变液机理和制备研究的不断深入，磁流变液的力学 性能和磁学性能越来越完善，其应用范围也越来越广泛磁流变液流变性能测 试技术的研究对于高性能磁流变液的研制及应用发挥着重要的作用。 1 1 磁流变液的组成 磁流变液主要由三部分组成：一是作为分散相的固体粒子；二是作为载体的 基液；三是为了改善磁流变液的性能而加入的高分子添加剂。其中，包括促进 磁流变效应的表面活性剂和防止粒子凝聚的分散剂以及防止沉淀的稳定剂等。 不同的组分可使磁流变液具有不同的性能。 1 1 1 固体粒子 固体粒子在磁场作用下的极化，是磁流变液产生磁流变效应的核心，因此， 固体粒子材料的性质，对磁流变液的性能优劣起着决定性的作用在选择固体 粒子的材料时，一般应遵循以下原则i 或满足以下要求： ( 1 ) 固体粒子应具有高的磁化率和低的磁滞率固体粒子材料的极化强度 和极化率，亦即极化后产生的感应磁偶极矩与磁化率有密切关系。磁化率越高， 则极化强度越高，磁流变效应也越强。 ( 2 ) 固体粒子与基液相适应的比重，以防止固体粒子在基液中沉淀过快 ( 3 ) 适当的固体粒子大小和合理的粒子形状。一般是0 5 5 j u m 的球形粒 子。 ( 4 ) 稳定的化学性能和物理性能，以保证磁流变体有较长的工作寿命和磁 流变效应的稳定性。 ( 5 ) 耐磨、无毒、对与其接触的材料无腐蚀性。 1 武汉理工大学硕士学位论文 固体粒子一般使用的是软磁材料，其特征是：高的磁化率，即材料对磁场 的敏感度高；低的矫顽力，即材料既容易受外加磁场磁化，又容易受外加磁 场或其他因素退磁，磁滞回线窄，磁化功率和磁滞功耗低：高的饱和磁感应 强度；低的磁损耗；高的稳定性，即材料对环境因素如温度和振动等的稳 定性好。 目前，使用的固体粒子主要有羰基铁粉( c a z b o n y li r o n ) 、纯铁粉或铁合金等。 1 1 2 基液 基液的作用是将固体粒子均匀地分散在其中，这种分散作用能保证在零磁场 时，使磁流变液仍保持有牛顿流体的特性，而在有磁场作用时，则使粒子在其 中形成链状结构，产生抗剪屈服应力，并使磁流交液呈现粘塑性0 3 1 n g h a m ) 流体 的特性一般来说，对基液的要求如下： ( 1 ) 工作温度范围广，在工程应用温度范围内不挥发、不凝固，一般工作 温度范围应在- 5 0 1 2 1 5 0 之间。 ( 2 ) 低的零场粘度，以保证磁流变液在零磁场时有良好的流动性，一般希 望粘度低于5 0 - 1 5 0p a s ( 3 ) 大的密度，尽可能与分散相固体粒子的密度相匹配，以防止过快的沉 淀。 ( 4 ) 良好的化学稳定性，即在工作温度范围内长期使用和存放时，不分解、 不氧化变质。 常用的基液主要有矿物油，各种硅油和机油等 1 1 3 添加剂 添加剂在改善磁流变液的稳定性方面起着很重要的作用。磁流变液的稳定性 主要受两种因素的影响：一是固体粒子的聚集结块，即粒子相互聚集形成很大 的团；二是固体粒子本身的沉降，即固体粒子随时间的沉淀。这两种因素都可 以通过添加剂来减缓。 常用的添加剂有：黄酸盐、油酸、偶联剂、烷基胺磷酸脂、溴化烷基甲基胺、 烷氧基硫代磷酸盐、聚乙二醇、t w e e n 8 0 、o p 1 0 、s i 0 2 及其他非离子型添加 剂。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 磁流变效应的特征 磁流变效应是指磁流变液在磁场的作用下，流体的表观粘度发生巨大的变 化，甚至在磁场强度达到某一临晃值时，流体停止流动而达到固化，并具有一 定的抗剪切能力，还表现出固体所特有的屈服现象。 1 2 1 磁场作用下的磁流变液结构特征 磁流变液的磁化特征不仅依赖于铁磁颗粒本身的磁学特性，而且与颗粒间 的聚集状态和结构特征密切相关。在磁场作用下，磁流变液中的铁磁颗粒形成 柱状结构。磁流变液存在三个相变磁场i - i 。1 、h 以和h c 3 磁流变液在磁场作用下内部结构随时间的变化如图1 - 1 所示 7 - 9 1 当h i i c l 时，磁流变液处于流体状态，铁磁颗粒随机分布( 图a ) ；当比l h c 3 时，颗粒全部形成柱状结构( 图d ) 。 图1 - 1 磁流变液内部结构随时间的变化图 颗粒体积浓度咖= 0 9 ，三个相变磁场h d 一1 8 g ，h 4 = 3 3 8 g ，h d = 5 4 0 图中相应的磁场强度分别为ta ) i s g ；b ) 3 i 埒；c 4 2 0 d ) 6 0 g 1 2 2 磁流变液的力学特性 在磁流变技术的工程应用中，人们最关注的是其流变特性的宏观表现。目前， 大多数研究者普遍采用宾汉( b i n g h a m ) 模型【恤1 2 1 来描述磁流变材料的流变学性能， 其本构方程如下： 3 武汉理工大学硕士学位论文 t - - 2 - - t y + 付 式中，【为磁流变液的剪切应力，p a ； ( t t y ) ( 1 - 1 ) ( t t ，) 衲无磁场作用时磁流变液粘度，p a s y 。为流体的剪切应变率，s 1 ； _ 为与磁场强度相关的剪切屈服强度，p | ； 当外加剪切应力小于材料的剪切屈服强度时，磁流变材料表现出刚体的特 性：当外加剪切应力大于材料的剪切屈服强度时，磁流变材料表现出流体的特 性；在刚体和流体之间存在突变现象。 在稳态剪切( 应变率恒定) 条件下，磁流交液的剪切应力、应变关系如图1 - 2 a 所示。从图中可看出，开始时剪切应力随着剪切应变量的增加而增加；达到屈 服阶段时，由于流体各层之间开始出现滑动甚至流动，虽然剪切应变量增加， 剪切应力反而下降：随着剪切应变量的进一步增加，剪切应力随着剪切应变量 的增加而缓慢增加，即为后屈服阶段。磁流变液的应力、应变率关系如图l - 2 b 所示。剪应力是应变率和磁场强度的函数。 【 t b h e a r r a l e d a ) 应力与应变的关系b ) 应力与应变率的关系 图1 - 2 磁流变液的剪切应力与剪切应变、剪切应变率关系 4 嚣，k-竹-0蕾打 豢虿k毒辨 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 磁流变液的磁学特性 磁流变液的磁学特性对磁流变液应用器件的设计极为重要，这是因为磁流变 液在磁回路中产生的最大阻尼力 ( 力矩) 是作为衡量阻尼器阻尼特 ， 性的重要标志。这也有助于了解 磁流变液内部结构的形成和演 化。 磁流变液的磁学特性主要是 指磁流变液的磁化特性曲线r 即 磁化强度m 与磁场强度之问的 关系曲线1 和磁导率z 研究表 明：随着磁场强度的增加，磁化 。 强度先是迅速增加，而后增加趋 缓。通常，铁磁材料的磁化强度 图1 3 非线性磁化曲线 厨与磁场强度日是非线性关系1 1 4 1 ( 如图1 - 3 所示) ，即。 m - 饵) 日( 1 2 ) 其中，( 日) 为铁磁材料的磁导率。 1 3 磁流变液与应用器件设计有关的几个问题 在进行磁流变器件的设计时，要充分考虑影响磁流变液力学性能的诸多因 素。通常需要注意的方面有：磁场，温度，颗粒尺寸、壁面效应以及体积浓度 等。 ( 1 ) 磁场的影响 旋转的磁场将诱导铁磁颗粒转动，从而影响磁流变液的力学性能。日本的 j t a k i m o t o 与i i t a k e d a 等人利用平行盘测量计，在两盘间隙为0 5 r a m ，应变率 为6s 、磁场强度b = 5 0 0 0 e 的条件下，得到了磁流变液在倾斜磁场下的屈服强 度的变化情况。当磁场与剪切方向垂直时，磁流变效应最为明剧1 5 , 1 6 | 。 在没有达到磁饱和之前，其剪切屈服强度随磁场强度的增加而增大。磁场 5 武汉理工大学硕士学位论文 强度日较低时，剪切屈服强度t ，与磁场强度日的平方成正比随着磁场强度日 的增加，剪切屈服强度t ，与磁场强度日的幂次关系从2 开始下降，这是由磁饱 和现象造成的1 1 删。 ( 2 ) 温度的影响 由于铁磁性材料的居里温度为7 7 0 2 1 1 ，因此器件正常使用时，磁流变液不 会因铁磁颗粒的磁性极化率急剧减弱而导致磁流变效应的完全消失。需要注意 的是，由于母液的热胀冷缩会引起磁流变液体积浓度的变化，最终降低磁流变 液的剪切屈服强度( 2 2 , 2 3 1 。 ( 3 ) 颗粒尺寸的影响 能形成磁流变效应的铁磁颗粒的尺寸一般在微米和亚微米量级嘲在这一范 围内，磁流变液的剪切屈服应力随粒子尺寸的增大而增加，但粒子尺寸越大， 磁流变液沉降的速度越快。 ( 4 ) 壁面效应【2 2 1 m 柚le 岱o a ) 的影响 壁面效应就是剪切从磁流变液传输到器件壁面的传输功率。i m a i t e 和b o s s i 用三种不同的材料d 磁不锈钢、铁和玻璃) 作壁面材料对同一种磁流变液( 聚苯 乙烯分散于铁磁流体中1 的剪切屈服强度进行测试，得出了三种不同的结果，并 发现要使磁流变液的强度能够有效地传输到外部测试设备或器件，必须保证壁 面材料具有较高的磁导率和磁饱和强度l 。t a n g 与c o m a d 的研究发现，即使用 粗糙表面的铁皮作壁面材料，壁面效应仍然不能忽视刚。 需要注意的是：在磁感应强度口较低时，壁面材料的粗糙度越低，剪力的 传输效率越高；然而随着磁感应强度曰的增加，剪力的传输效率并不随粗糙度 的提高而发生变化，剪力的传输效率趋于恒定。 ( 5 ) 体积浓度西的影响 在恒定的磁场强度日下，磁流变液的剪切屈服强度t ，与颗粒的体积浓度妒 成正比。对于较强的磁场日 风。饵0 。2 5 0k a m ) ，动屈服强度在整个范围内随 颗粒体积浓度咖的增大而线性增加；对于较小的磁场h ，当1 0 = 风。= 4 0 时，动屈服强度几乎与颗粒的体积浓度西无关。 1 4 磁流变液流变性能测试 磁流变液的流变性能对磁流变器件的功能起着决定性的作用，磁流变液的剪 6 武汉理工大学硕士学位论文 切屈服强度及其响应时间是表征其流变性能的主要参数，因此，准确测定磁流 变液剪切屈服强度的大小及其响应时间，对于磁流变液的应用有着重要的意义。 1 4 1 测试方法与仪器 磁流变液流变特性的测试【垮4 2 l 可采用不同的方法，但归纳起来都是按照磁流 变液工程应用的工作模式来设计的，目前，磁流变器件的工作模式有流动模式、 剪切模式和挤压模式 ( 1 ) 流动模式( p o i s c u i l l c 流动) 在两固定不动的极板之间充满磁流变材料，外加磁场经过极板垂自作用在 两极板之间的磁流变材料上，使其流动性能发生变化，从而使推动磁流变材料 流动的活塞所受的阻力发生变化 ( 2 ) 剪切模式( c o u c t t c 流动) 在两相对运动的极板之间充满磁流变材料，外加磁场经过极板垂自作用在 两极板之间的磁流变材料上，使其流动性能发生变化，从而使推动极板运动的 活塞所受的阻力发生变化 ( 3 ) 挤压模式 两极板之间充满磁流变材料，磁流变材料受极板的挤压向四周流动，外加 磁场经过极板作用在两极板之间的磁流变材料上，极板的运动方向平行于外加 磁场方向，使磁流变材料的流动性能发生变化，从而使推动极板运动的活塞所 受的阻力发生变化 1 4 1 基于流动模式的检测方法 目前大多数磁流变器件采用流动工作模式进行设计，采用流动模式设计的 检测仪器是非常必要的，毛细管法或细长狭缝法是实现流动模式检测的主要方 法，在细长狭缝或者毛细管的外面加上磁场后，被测磁流变材料在外力的推动 下流经毛细管或细长狭缝，测出毛细管或细长狭缝两端的压力差和单位时间的 流量，再根据相应的公式，计算剪切应力和塑性粘度等参数。流动模式测试如 图1 - 4 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图1 4流动模式测试示意图 在b i n g h a m 模型中，磁流变液的剪切屈服强度和塑性粘度系数可以分别表 示为： 叶饵) _ 半兰 ( 1 3 ) 叩一【2 。肇曲+ 等】 c t 哪 式中q 钵积流量5 a p 。未加磁场时的压力差； b 管道的宽度； h 管道的高度； f - 管：道长度 美国r h c o l o g i c si n c ，e x t o np a 2 5 1 开发了一种测试电流变液和磁流变液流变 性能的流变仪，其特征为顶部储油缸底面积较大，装有电流变液或者磁流变液， 在检测过程中，保持液面高度基本不变。在流通的矩形管道施加电场或磁场， 可以产生静态的场或交变的场。开关阀用来控制测试材料的流动或者关闭，阻 尼孔为细长狭缝或毛细管，液面探测器一般是摄影机、光阵列或c c d 等。通过 检测细管的液面高度变化，仪器接收和处理探测器得到的数据。这种检测方法 8 武汉理工大学硕士学位论文 是假定流体在平板问流动，建立流动压力差与流动模型参数之问的关系。这是 一种典型应用流动模式的测试方法，通过改变施加的电磁场，可以得出流变材 料的响应特性。 1 4 1 2 基于剪切模式的检测方法 目前大多数测试仪器都是根据剪切模式设计的，基于剪切模式的测试方法 可分为同心圆筒式和平行圆盘式两种旋转测试法。 ( 1 ) 同心圆筒旋转式测试设备 同心圆筒式是根据旋转粘度计的原理而设计的，其示意图如图1 5 所示。 图i - 5 同心圆筒式磁流变测试仪的示意图 同心圆筒式测试仪的基本原理是在两圆筒之间置放被测的磁流变液，利用 两圆筒的相对转动，使被测的磁流变液承受剪切作用，利用力矩传感器检测传 递的力矩，求出其剪切应力和相对应的剪切速率，进一步求出液体的表观粘度 f 埘。 ”- 等 m $ 式中 m 。力矩传感器检测得到的转矩值； 膨测试装置剪切速率的结构常数m = ( 缸，1 5 ) b2 似2 1 j ) ； 卜内外圆筒的半径比； 产一内圆筒的形状结构参数产1 2 兀h r b 9 武汉理工大学硕士学位论文 砰一内圆筒的半径： 露广一内圆筒的转速。 德国h a a k e 公司的新产品vt5 5 0 同轴圆筒旋转粘度计应用到磁流变 液性能的测试中。德国p h y s i c a 公司在电磁流变液流变性能测试方面作了大量的 研究工作，其中p h y s i c am c l 2 0 是一种典型的c o u e t t e 型旋转流变仪，h j c l i o i 等人【矧用这种测试仪对多种电磁流变液进行了测试验证。美国t a 仪器公司的高 级流变扩展系统，加上同心圆筒式的电流变测量附件和磁流变测量附件，在磁 流变液性能测试中得到了应用【2 7 1 英国b o h l i n 流变公司的c s 1 0 型流变仪也可 用于电流变液性能的测试瞄l 。成都仪器厂生产的n x s i i a 型旋转粘度计也可用 于磁流变液性能的测试。 ( 2 ) 平行圆盘旋转式测试设备 平行圆盘旋转式测试系统可以直接用来测试磁流交液的剪切屈服强度，当 剪切率不变时，剪切应变超过某一临界值后，磁流变液将达到一稳定的状态，此 时，剪切应力不再依赖于剪切应变，而依赖于剪切应变率、磁感应强度，即剪切 屈服强度f ，仅仅是磁感应强度曰与剪切率y 。的函数。由于当两个平行圆盘间盛 有流体，且二者以相对角速度旋转时，若圆盘半径月远远大于盘间距i i ，则可 以认为剪切率y 。是极半径，的线性函数 。 ，竺( 1 - 6 ) h 式中r 。为剪切率；m 为旋转角速度：，为极半径； 为圆盘问距 在m r f 内( ，口) 点( 秽为极角) 处，剪切应力为r ( ，一) 一f p ，) 经推 导可得 嘏争一去卜尝+ 3 m ，】( 1 - 7 ) 平行圆盘旋转式测试系统通过测量、a m ，a o , 、m ，来确定m r f 后屈服段 剪切强度的大小，而可以直接测得只有转动扭矩肘。、圆盘的转动角速度珊和圆 盘半径只，而a m 。a o , 是无法直接测量的，但可以通过数值计算得到。图1 - 6 是 这种测试系统的示意图。 中国科技大学金昀、周刚毅等利用此原理设计的碟片旋转式测试系统1 2 9 - 3 1 l 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 在其实验室中应用效果 良好。德国p h y s i c a 公司 的m r c 3 0 0 是一种典型 的应用平行圆盘式旋转 法测试磁流变液流变性 能的仪器，m r d l 8 0 是 专门用于测试磁流变液 性能的附件。w o u n y 等 人【3 2 j 用这种仪器测试了 磁流变液的流变性能美 国t a i n s t r u m e n t s 公司也 量 图1 - 6 平行圆盘旋转式测试仪的示意图 有商业化的平行圆盘旋转式的流变仪，p a r k 等人也选用t a i n s t r u m e n t s 的平行圆 盘式流变仪，对所研究的磁流变液的流变性能进行了测试。英国l k h l i n 流变公 司的流变仪是一种典型的圆盘旋转式测试系统 3 3 , 3 4 1 ，下圆盘在电机带动下旋转， 上圆盘与力矩传感器相连，测试圆盘间悬浮液体所承受的力矩大小，圆盘问的 磁场强度用高斯计测量。新加坡南洋理工大学的i j 【蚓开发了一套测试磁流变液 蠕变和恢复流变性能的测试装置，该系统主要由驱动装置、数据采集和处理部 分、调节工作温度的自动调温器、计算机接口等组成。 目前国际上 可见商业化的 m r f 测试系统为 德国生产的 m r - 1 0 0 - 4 5 0 ( 如 图1 7 所示) 型测 试系统，是由粘度 计改装完成的。测 量系统由三部分 组成：测量装置部 分、数据采集和处 理部分、计算机终 图1 7 德国生产的m r 一1 0 0 - 4 5 m r f 测试系统 端 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 与传统流变仪不同的是，此测量 系统包括一个磁流变槽( m rc c 珏) ， 用来存储被测的磁流变液并形成产 生磁流变效应的磁回路。如图1 8 所 示，磁流变槽为平行平板结构，上板 与测量驱动转子相连，下板实际上是 一个空腔，由直径i m m 的漆包线绕 成的励磁线圈置于其内腔中，上板和 内腔之间形成l 舢的固定间隙。测 量时，须将磁流变液注入测量间隙 内。 图l - 8 磁流变槽结构示意图 1 4 1 3 基于挤压模式的检测方法 由于在磁流变技术的工程应用中，挤压模式应用不多，目前，对磁流变液在 挤压作用下的流变性能的研究处于开始阶段，虽然已经有学者对磁流变液的挤 压流动作了理论研究，但基于挤压模式的测试仪器和实验装置不多清华大学 的茅海荣等为研究电流变液在准静态下的挤压力学性能，建立了用于测试电流 变液在平行平板电极问经受沿电场方向挤压时所产生抗力的实验装置。 1 4 2 已有测试方法存在的问题 流动模式是一种间接测量法，这种测量方法简单，易操作，但这种方法建 立的理论关系没有考虑流动惯性效应，只适用于测量在静态磁场且磁场强度较 低时磁流变液的的流变性能，测量误差较大。 挤压模式同样只适用于测量在静态磁场且磁场强度较低时磁流变液的的流 变性能。 剪切模式是一种直接测量法，可直接动态测量磁流变液的流变性能，因而， 剪切模式的磁流变液测试仪应用更为广泛。剪切模式中同心圆筒式的测试方法， 在测试动态剪切应力和动力粘度时，存在以下问题：剪切速率的非线性问题； 内圆筒作为转子时的端面效应问题；被测磁流变液与圆筒壁面的滑移效应 问题等；需要保证两桶间隙内的磁场方向平行于内外桶的径向，因此，磁路 设计非常复杂，而且因结构限制，很难在内外圆桶间产生强度很高的磁场。旋 武汉理工大学硕士学位论文 转圆盘式具有测量范围大、精度高、操作方便等优点，但也存在以下问题： 磁流变液中磁场的分布不均匀，影响测量精度；存在壁面滑移效应，不能承 受高的剪切应力，应用范围受到限制；漏磁现象严重，磁场利用效率低； 仪器结构复杂，测试操作不方便。 1 5 本文研究的内容及意义 随着现代科学技术的迅猛发展，工程中对所使用的材料提出了越来越高的 要求，磁流交液作为一种新型的智能材料，因其独特的磁流变效应和良好的流 变特性，被认为是材料科学领域最具发展潜力的新型材料，因而高性能磁流变 液及磁流交器件的研制已成为材料和工程领域的热点课题，这也对磁流变液性 能的测试工作提出了更高的要求目前国际上磁流变液流变性能的测试存在着 许多亟待改进的地方( 见上节) ，磁流变液流变性能测试仪的不断改进对于高性 能磁流变液的研制及其工程应用有着重要的意义 本文在借鉴现有磁流变液流变性测试仪的优点的基础上。对存在的问题进 行改进，运用流体力学的基本理论和电磁学的基本原理设计了一种改进型旋转 圆盘式磁流变液流交性能测试仪，将测试的同心圆盘置于电磁线圈的内部，大 大提高了磁场的分布均匀性。通过对剪切机构和磁路的设计分析表明，该测试 仪可望解决上述问题 本文主要进行了如下的工作： ( 1 ) 通过对不同组分的磁流变液流变性能的理论计算分析，确定了测试仪 剪切屈服强度的测量范围，结合实际需求，确定了测试仪的整体方案 ( 2 ) 根据机械设计的基本原理，对测试仪的机械结构和驱动装置进行了设 计。主要包括剪切机构的设计、升降装置的设计、驱动装置的选择。 ( 3 ) 根据电磁学的基本原理，对磁路结构进行了设计。重点在改善传统磁 路结构存在的磁漏大、磁场均匀性不佳等问题，使磁场发挥最大的效益。 ( 4 ) 根据电磁学的知识，对线圈内部的磁场进行分析推导，得到了线圈内 部磁场的计算公式。对线圈内部的磁场均匀性进行了分析计算，得到了线圈内 部磁场分布图。 ( 5 ) 采用d s p 来控制测试仪的数据采集和数据处理，以实现计算机自动完 成测量数的采集及后续数据分析，减少人为因素影响，提高测量结果的可靠性。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章磁流变液流变性能测试仪的总体设计方案 2 1 测试原理 平行圆盘旋转式测试系统是采用直接法来测量磁流变液的剪切屈服强度，当 剪切率不变时，剪切应变超过某一临界值后，磁流变液将达到一稳定的状态，此 时，剪切应力不再依赖于剪切应变，而依赖于剪切应变率、磁感应强度，即剪切 屈服强度f 仅仅是磁感应强度县与剪切率y 。的函数。 如图2 - 1 所示，磁流变液被置于用电工纯铁制成的两平行圆盘之间，下圆盘 不动，上圆盘以角速度旋转磁场方向垂直于圆盘表面并作用于磁流变液。 若圆盘的直径d 远大于两圆盘的间距h ，则可以认为剪切率r 是极半径r 的线 性函数，即 r o = c o r h( 2 - 1 ) 口 | l -t ， li - 、 d 。 f 图2 - 1 磁流变液流变性能测试原理图 性挡圈 所以可以认为在磁流变液内的( r ，o ) 点处，剪切屈服强度为： t ( r ，o ) - - - - t ( b ，r ) = t 0 3 ，雠”( 2 2 ) 作用在轴上的扭矩为： m ；r ：f p ，r ) r ( 2 - 3 ) 两边对。取偏导： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 a 矿mh 3 ，o 掣m 砌d ，oa a a f a r a f p ，f d 即。 竺堕西 a y 。h a r ( b ，与 j | i7 甜 由式( 2 哪、( 2 5 ) 可得： 堂纫，旦三办 a 甜 o a ，m 对( 2 6 ) 式分部积分得： ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 尝- 筋卜斜一r 知砸1 - 知i 尺讯f o r r 她慨詈涉1 撕) - 媳争一刍卜尝+ 3 m 1 ( 2 - 7 ) | z ，玳。id n ，l 式中t ( e ，旷) 为试样中某一点处的t 值。此测试系统能主接测量的参数为； 角速度m ，磁感应强度口和扭矩射而尝无法直接测量得到，必缅通过趾一 的数值计算得到。利用泰勒公式展并f 一一7 。 掣d 0 7 一警邕0 7 盥o + 喜2 罟心训 ( 2 8 ) - 一d 。 如果实验数据处理时采用后差分，由式( 2 - 7 ) 、( 2 8 ) 得理论误差为： 纠一。景陉罟眺训】 所以理论误差是步长的同阶量。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 测试仪的基本结构 磁流变液流变特性测试仪的组成如图2 - 2 所示。磁场产生装置用于产生施加 于磁流变液上的磁场，要求可通过磁场控制装置调节磁场大小磁场测量装置 可测出磁场强度或是磁感应强度，并将数据送入数据采集和控制系统。最常用 的磁场测量装置是高斯计。驱动装置用于提供剪切机构的驱动力。剪切机构作 用是对磁流变液施加均匀剪切，通过扭矩测量装置把数据送入到数据采集和控 制系统，数据采集和控制系统负责对所有的数据进行存贮、显示、输出等工作 其工作过程为：数据采集和控制系统发出方向和脉冲信号至步进电机驱动 器，步进电机驱动器将接收到的信号转化为步进电机的角位移，步进电机驱动 剪切机构的上圆盘旋转；磁场控制装置发出控制信号至磁场产生装置，通过调 节电流的大小来控制磁场的大小，磁场作用于两圆盘之间的磁流变液，磁场的 大小通过磁场测量装置测出并经放大处理、a d 转换之后送入数据采集和处理系 统；旋转的上圆盘对磁流变液施加剪切，产生的扭矩通过扭矩测量装置测出并 经放大处理、a d 转换之后送入数据采集和处理系统。 测试完毕后，通过升降装置降低下圆盘，取出磁流变液并清洁圆盘。 图2 - 2 磁流变液流变特性能测试仪的基本结构框图 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 测试仪的装配图 图2 - 3 测试仪机械部分装配图 1 7 l 步谨电机 2 毛板l 3 眭袖嚣 4 立柱 5 饿= 笤 6 鳗圉 7 、托板2 8 齿条 9 导t l 扳l l o 齿轮 1 1 i 导向板2 1 已j 鲁 赓 1 3 箱伟 1 耳嚼场商斯计 1 5 下网赢 1 6 嚆孙_ 变掖 1 7 上圜赢 1 8 栅蠹e 废坐片“ 1 9 步谨电机照动嚣 邵教据雁熊和控制系统 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 仪器测量范围的确定 2 4 1 剪切屈服强度的理论计算 计算模型如图2 _ 4 所示。基本假设是磁流变液在零场下为均匀、各向同性 的介质。在磁场作用下磁性颗粒均匀地形成一条条的单链。我们从中提取仅包 含一个磁性颗粒小球单元体，认为链相对于单个磁性小球在纵向上是无限长的， 对于任何一个磁性小球单元体来说受到的力完全对称，只考虑上、下相邻颗粒 的作用，并且忽略相邻链对该磁化小球的作用，对这个单元体进行受力分析。 啜缓愁渺 西 ，一i - 、 图2 - 4 剪切屈服强度的计算模型 对于单个小球的单元体，它的几何尺寸：铁磁性颗粒小球的半径是r ，出于 系统的对称性考虑，认为单个体积中母液是圆柱形，长度为2 h ，圆柱半径为w ， 小球半径、圆柱的几何尺寸和体积比浓度砣问的关系可以表示成： 旦( 2 t o ) 妒。3 x 2 , - z w 2 h z 。 沿z 方向，此单元体中z = h 面上所受的力是： 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 f - 笔吖2 ，r ，田z ( z 一_ j i ) 一h 。】z 办 2 - 1 1 ) 其中 o 是真空磁导率，1 1 0 是外加磁场强度，( h z ( z = h ) _ i i d ) 则是磁性颗粒小 球所产生的附加场。 如果链被剪切从而偏离原轴0 角，则相应的剪切应变为v - - - t g o ，两球之间距 离变化为2 h - - 2 r s e c 0 = 2 r ( 1 + y 2 ) 圯。则 f - 击_ = j k - 万 ( 2 - 1 2 ) 1 + r 2 棚2 、 式( 2 1 2 ) 就是我们得到的磁流变液剪切屈服强度的计算公式。 2 4 2 磁饱和强度对磁流变液剪切屈服强度的影响 一般来说，磁材料的磁化过程是相当复杂非线性过程。例如铁的初始磁化 率仅为1 5 0 而其最大值可达5 0 0 0 。显然弄清不同的磁性材料的磁化强度m 。对磁 流变液的剪切屈服强度的影响对制备优良性能的磁流变液是非常重要的。首先 我们采用f r o h l i c h k e n n e l l y 公式( 式( 2 - 1 3 ) ) 来近似描述磁流变液中颗粒的非线性 磁化过程： 肘丝! 墨星 ( 2 1 3 ) m ，+ x o h 、7 式中m s 为颗粒材料的磁化饱和强度，粕为f r o h l i c h - k e n n e l l y 近似公式中的 材料常数。我们将磁饱和强度m s 分别取为2 0 t ，1 5 t 、l o t 、0 5 t ，磁流变液 的体积比浓度分别是1 0 、2 0 、3 0 ，4 0 ，j r o 为1 0 0 0 。通过计算得到关系 图如图2 - 5 所示 从图2 - 5 中可以看出，磁流变液的磁饱和强度越大，对应的磁流变液的剪 切屈服强度就越大。为了知道剪切屈服强度和磁饱和强度之间存在的较为准确 的关系，又做出了剪切屈服强度磁饱和强度关系图( 图2 - 6 ) 。可以看出磁流变液 的屈服强度与磁饱和强度m 。的平方成正比。因此，提高磁性颗粒的磁饱和强度 是提高磁流变液剪切屈服强度的有效手段 2 4 3 体积比浓度对磁流变液剪切屈服强度的影响 同时，对于不同体积比浓度对磁流变液屈服强度的影响，也进行了一系列 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 的计算。当采用f r o h l i c h k e n n e l l y 公式来近似描述磁流变液中颗粒的非线性磁化 过程，体积比浓度为1 0 、2 0 、3 0 、4 0 时，得到结果如图2 - 7 所示 从图2 - 7 中我们可以看到磁流变液的剪切屈服强度随着体积比浓度的增加 而增加。但是当体积比浓度比较大时，剪切屈服强度增加的不明显，渐趋于饱 和。 2 4 4 设计目标参数 综合考虑磁性颗粒的磁饱和强度、体积比浓度、磁场强度等因素，可得到 磁流变液剪切屈服强度的最大值。选磁饱和强度m 。为2 o t ，体积比浓度为4 0 ， 磁场强度为1 2 1 r 时，通过计算得剪切屈服强度t 为1 2 0 k p a 。 设计时取剪切屈服强度t 为1 5 0 k p a 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 磁流变液剪切屈服强度和磁感应强度关系图 1 影： 。缓 峨0 1 0 埘峭哺g _ 4 0 图2 - 6 剪切屈服强度磁饱和强度关系图 图2 7 剪切屈服强度体积比浓度关系图 t i 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 ( 1 ) 介绍了旋转圆盘式磁流变液流变性能测试仪的测试原理，分析了测量 误差并对测试仪的总体结构进行了设计，该仪器由驱动装置、控制装置、剪 切机构、传感器、数据采集与处理系统五部分组成。 ( 2 ) 对磁流变液的剪切屈服强度进行了理论计