CN102175576B

CN102175576B - 一种水平环槽式磁流变材料测试设备

Info

Publication number: CN102175576B
Application number: CN2011100297921A
Authority: CN
Inventors: 彭向和; 孙虎; 易成建
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: CN102175576A

Abstract

本发明公开了一种水平环槽式磁流变材料测试设备，包括机架，所述机架上设置有：磁场发生装置、剪切机构、剪应力检测机构、加温及温度检测机构、升降机构和控制系统。本发明的水平环槽式磁流变材料测试设备，增设了加温及温度检测机构，故相比于现有的测试设备，可以测试出温度对磁流变液性能的影响，由于影响磁流变液的三个因素（温度、磁场强度和剪应变率）及三类因素的变化梯度均可以进行控制，故能更加全面地检测出的磁流变液的性能参数。同时本装置的剪切机构，最大程度地使得固定环和剪切环之间的剪应力集中在磁流变液处，保证了检测结果的准确，使得检测效果更好。

Description

一种水平环槽式磁流变材料测试设备

技术领域

本发明涉及磁流变材料的技术领域，尤其是涉及一种水平环槽式磁流变材料测试设备。

背景技术

磁流变材料是一种新型智能材料，包括磁流变脂、磁流变弹塑体、磁流变液等，其中磁流变液的研究和应用最为广泛。磁流变液，是一种由微米级铁磁性颗粒均匀分布于特定溶剂中所形成的悬浮混合物, 当无外加磁场时，流变特性与普通牛顿流体类似，但在外加强磁场作用下时可产生磁流变效应(Magnetorheological Effect MRE)，即表观粘度可在毫秒级内增加几个数量级，呈现类固体的力学性质，且剪切应力与粘度随磁场发生可逆变化。这是因为当磁流变液处于强磁场作用下时，其悬浮磁性颗粒被感应为强磁性，在磁极之间形成“链”状的桥，使其在瞬间由液体变为黏性类固体。

磁流变液由Rabinow于1948年发明以来，在机械、航空航天、石油、土木工程等众多工程领域内已有一定的理论研究和应用实践。随着科技的生产实践的发展，其应用越来越广，不断地有新型配方的磁流变液出现。故怎样对新产生的磁流变液的性能进行测试，就需要专门的测试设备。

现有技术中已存在一些用于检测磁流变液性能的技术，比如我国发明专利号 ZL200810030896.2所公布的一种磁流变抛光液流变性测试设备,它包括计算机、支架以及固定于支架上的扭矩测量装置、磁场发生装置、剪切机构和驱动机构,扭矩测量装置、磁场发生装置和驱动机构与计算机相连,装设于磁场发生装置中的剪切机构包括剪切环和固定环,剪切环位于固定环的上方,剪切环和固定环上的外圆周处分别设有具有一定高度的剪切环边沿和固定环边沿,剪切环边沿和固定环边沿之间形成用来存储磁流变抛光液的储液凹槽,呈盘状的剪切环中心处上方设有与驱动机构相连的旋转轴,固定环的中心处下方设有与扭矩测量装置相连的连接轴。该发明具有结构简单紧凑、成本低廉、控制方便、测试稳定且精度高等优点。

又如我国发明专利申请号01113648.0所公布的一种磁流变液流变特性的测试系统，其结构包括导磁回路和盛放磁流变液的容腔及用于测量扭矩的应变片和测量磁场强度的霍尔片。其容腔是由两块导磁材料构成的上、下等径圆盘、下圆盘周边固连的由非导磁材料构成的套环组合构成的桶状密封容器,上圆盘轴与步进电机主轴相接,下圆盘轴上连接有升降机构。在桶状容器近处设置有两个或两个以上、以上下圆盘轴心线对称分布的励磁线圈,霍尔片及应变片分别设置在下圆盘盘面下方和下圆盘轴表面上。本装置磁场分布均匀,R/h比值高,其扭矩测量部位设置在由非导磁材料构成的静止轴上,不会受到磁场力的影响及支承摩擦力矩的影响,提高了测量精度。

这些现有的检测装置，可以检测出磁流变液的部分特性，但是不能检测出磁流变液更全面的性能，比如不能检测出温度对磁流变液性能的影响。故存在检测功能有限的缺陷。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种检测效果更好，检测量程更大，精度更好，能够更加全面地检测出磁流变液性能的水平环槽式磁流变材料测试设备。

为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：

一种水平环槽式磁流变材料测试设备，包括机架，所述机架上设置有：

磁场发生装置，所述磁场发生装置包括上磁极和下磁极，所述上磁极包括竖向设置的电工纯铁制造的上衬套和位于上衬套外部的电磁线圈绕组，所述下磁极包括竖向设置的电工纯铁制造的下衬套和位于下衬套外部的电磁线圈绕组，所述下衬套上端具有向外侧延展的台阶；所述上衬套和上衬套外部的电磁线圈绕组固定于上连接板上，上连接板连接于机架，所述下衬套和下衬套外部的电磁线圈绕组固定在下连接板上，下连接板固定于机架；

剪切机构，所述剪切机构包括同轴心设置的转轴、弱磁性材料制得的剪切环和固定环；所述转轴靠轴承竖向设置在下衬套内部，转轴下方通过减速器连接电机；所述剪切环安装固定在转轴上端；所述固定环上表面具有一个装配圆台，装配圆台侧壁设置有定位键；所述剪切环上表面同轴心设置有一个环形的用于盛放磁流变液的磁流变液槽，磁流变液槽位置与下衬套上端向外侧延展出的台阶位置对应，磁流变液槽底部嵌接有一个电工纯铁制得的下圆环片，磁流变液槽外壁高度高于内壁，磁流变液槽内环之内同轴心设置有一个环形的溢出槽，溢出槽内环之内同轴心设置有一个环形的滚珠槽，滚珠槽内安装有滚珠；所述固定环下表面对应所述磁流变液槽设置有一个环形的凸台，该环形凸台由一个电工纯铁材料的上圆环片嵌接在固定环上得到，上圆环片位置和上衬套下端位置对应；所述剪切环和固定环贴合后，能够在磁流变液槽内形成一个外端封闭的磁流变液腔，在溢出槽内形成一个与磁流变液腔连通的溢出腔，同时能够使剪切环和固定环通过滚珠形成滚动摩擦配合；所述固定环上表面设置有与溢出腔连通的通孔；

剪应力检测机构，包括一个设置在上衬套内部的传力筒，传力筒内壁下端设置有键槽，所述固定环上表面的装配圆台可插接入传力筒内部并使得装配圆台上的定位键滑动地配合在传力筒内部的键槽内，传力筒上端固定在上连接板上，传力筒外壁上设置有一个内凹的台阶，该内凹的台阶上设置有剪应力传感器；

加温及温度检测机构，包括位于固定环上表面的电加热装置和设置于固定环上表面通孔内的温度探头；

升降机构，包括竖向固定设置于磁场发生装置四周的数根定位立杆和一个固定连接于上连接板上方的第三连接板，所述上连接板和第三连接板可滑动地套接在所述定位立杆上；升降机构还包括一个竖向设置的螺旋杆，螺旋杆中部靠螺纹可转动地配合在机架上，螺旋杆下端向下穿过第三连接板并设置有一个承托盘，承托盘与第三连接板之间设置有一圈滚珠并靠滚珠实现对第三连接板的支承和滚动摩擦配合，螺旋杆上端横向设置有手柄；

控制系统，所述控制系统包括计算机控制中心和与计算机控制中心连接的所述电机、电磁线圈绕组、剪应力传感器、电加热装置和温度探头。

本技术方案的测试设备，其使用时将待检测的磁流变液（也可以是其他磁流变材料）放入剪切环的磁流变液槽内，合上固定环，通过升降机构控制上磁极下压使固定环的装配圆台装配入传力筒内，启动电机带动剪切环转动，使得剪切环和固定环相对旋转，然后开始检测。检测时，可以通过控制系统控制电机转速来调节剪应变率，同时通过剪应力传感器检测实际剪应力大小；通过电加热装置调节温度，同时通过温度探头检测磁流变液实际温度；通过控制电磁线圈绕组电流大小控制磁场强度；这样可以检测和计算出磁流变液的剪应力与温度、剪应变率、磁场强度三者之间的线性关系，得到待检测磁流变液的特性。其中，由于电磁线圈绕组产生磁场与电磁线圈绕组电流之间有严格的对应关系，电机电流和剪切环转速之间也存在严格的对应关系，故可以先检测出该对应关系并通过程序预设在控制系统的计算机控制中心内，测试设备工作时直接通过控制电磁线圈绕组电流来调节电磁线圈绕组磁场大小，通过控制电机电流来控制剪切环转速，无需单独再设置磁场检测机构和转速检测机构，而温度的变化容易受外界的影响，故需要设置温度探头检测磁流变液实际温度，使得最终测量结果的精确度可以得到保证。

本技术方案中，机架可以设置为框架式结构，用于支撑其余构件。磁场发生装置中所述电工纯铁制造的上衬套和下衬套可以将电磁线圈产生的磁场集中引到中部，增加位于上磁极和下磁极中部位置的剪切环和固定环所在位置的磁通量，特别是下衬套上端具有一个向外延展的台阶，该台阶延展至与剪切环和固定环合拢后得到的磁流变液腔位置对应处，同时上衬套下端位置也是和磁流变液腔位置对应，故可以进一步使得磁流变液腔处的磁通量达到最大，这样可以使用较少的线圈和减小的线圈电流产生较大的试验所需磁通量，间接地降低了装置实施成本。磁场发生装置中，所述下连接板是直接固定在机架上，上连接板则通过升降机构的配合可以相对机架活动。所述剪切机构中，电机通过减速器连接并带动剪切环转动，提供剪切动力并可通过控制电机对剪应变率进行调整。其中所述剪切环是指测试时由该剪切环旋转并提供剪切力，但实际剪切环是固定装配在下磁极上的，所述固定环是指测试时该固定环是固定不动，但实际该固定环只是被限位而并没有被固定；剪切环和固定环采用弱磁性材料制得，优选采用黄铜，但也可以采用其他弱磁性材料。所述剪切机构中设置的电工纯铁制得的下圆环片和上圆环片也可以达到进一步增加磁流变液腔位置磁通量的作用，具体实施时可以采用压床强行挤压使其嵌接进去。设置的溢出槽形成的溢出腔，可以起到以下作用，一是减少固定环和剪切环之间的摩擦平面，使得固定环和剪切环之间的转动摩擦剪切力尽量集中在磁流变液上，使得检测结果准确；二是由于本测试设备中设置有电加热装置，测试温度对磁流变液影响时，磁流变液受热后可能产生膨胀，这样膨胀溢出的磁流变液可以进入到溢出腔内，避免对实验结果产生影响。第三是溢出腔对应的固定环上表面设置有连通溢出腔的通孔，这样设置在固定环上表面的电加热装置的热量更容易通过通孔传递到溢出腔内的磁流变液中，由于溢出腔与磁流变液腔连通设置，故两处的磁流变液温度基本一致，可以通过在通孔中设置的温度探头检测到磁流变液的温度，方便了温度检测同时使得温度检测结果更准确。同时由于在测试时剪切环产生旋转，故磁流变液会受一定离心力作用，不会从溢出腔的通孔内溢出。磁流变液槽外壁高度高于内壁，可以加强对磁流变液的阻挡封闭效果，避免磁流变液在离心力作用下从磁流变液腔外侧的缝隙中跑出。设置的滚珠槽和滚珠也可以进一步减小摩擦，使得剪切环和固定环之间的旋转剪切摩擦主要集中在磁流变液处，提高检测准确性。所述剪应力检测机构中，通过传力筒进行剪切力的传递，传力筒上端固定在上连接板上，下端通过键槽与固定环装配圆台的定位键滑动配合并传递力矩，传力筒外壁内凹的台阶上设置剪应力传感器对剪应力进行检测。所述剪应力传感器可以采用半桥贴片的方式或者采用现有技术中其他形式的剪应力传感器，由于属于现有技术内容，故不在此详述。所述加温及温度检测机构中，电加热装置具体可以采用环绕而成的电阻丝加热的结构，其中电加热装置和温度探头均属于现有成熟技术内容，本发明对于现有技术作出贡献的地方在于将电加热装置和温度探头用于此位置，使得本测试设备能够检测出温度对磁流变液性能的影响，而不在于电加热装置和温度探头自身的结构，故不在此详述。所述升降机构的设置，可以对上磁极进行升降，方便固定环的安装和拆卸，方便磁流变液的更换，同时，由于固定环与上磁极内的传力筒之间为键和键槽的滑动配合，所以测试时，还可以在一定高度（一定高度指键和键槽配合段的长度范围内）上对上磁极位置进行调整，检测磁流变液在不同磁场位置时的性能变化。升降机构工作时，旋转手柄带动螺旋杆向上运动，即可通过承托盘带动第三连接板进而带动上连接板和上磁极向上运动，当旋转手柄带动螺旋杆向下运动时，上连接板和上磁极可在自重作用下向下运动。定位立杆用于导向，保证上磁极和下磁极对准。本升降机构自身还具有结构简单，操作省力，纯机械式结构而价格便宜等优点。所述控制系统中，所述计算机控制中心是一个集成化的上位概念，计算机控制中心集成有控制测试所需的温度控制功能、数显调节功能、电机变频功能、磁场及磁场变化梯度控制功能、联轴器转速控制功能，等等，这些均属于电气控制领域的公知常识性内容，不属于本申请对现有技术作出贡献的地方，故不在此详述。

作为本发明进一步优化，所述的升降机构的定位立杆上端为尖端向上的锥体段，定位立杆下端为圆柱段。这样优化后，当上连接板和第三连接板在定位立杆上端滑动时，具有一定的左右偏移量，可以使得滑动更加方便快捷，当上连接板和第三连接板顺定位立杆滑至下端使得固定环的装配圆台快要配合入传力筒内后，上连接板和第三连接板的左右偏移量减小，使得定位准确，方便固定环的装配圆台上的键与传力筒内壁键槽之间的准确配合。

作为又一优化，所述每个电磁线圈绕组包括采用一根漆包线依次相邻并列地绕接得到的多层线圈，每层线圈之间采用绝缘纸隔开，电磁线圈绕组外部包裹有绝缘纸。这样优化后每层线圈之间采用绝缘纸隔开，可以避免当一层线圈中某个线圈破损后不致于影响到其余层次的线圈，线圈绕组外部包裹绝缘纸可以避免磁场扩散，使得磁场更加集中。

综上所述，本发明的水平环槽式磁流变材料测试设备，具有以下优点：1、本装置中，增设了加温及温度检测机构，故相比于现有的测试设备，可以测试出温度对磁流变液性能的影响，由于影响磁流变液的三个因素（温度、磁场强度和剪应变）及三类因素的变化梯度均可以进行控制，故能更加全面地检测出的磁流变液的性能参数。2、本装置的剪切机构，最大程度地使得固定环和剪切环之间的剪应力集中在磁流变液处，保证了检测结果的准确，使得检测效果更好。3、本装置具有很好的互换性，并非一次使用，重要部件及结构失效可以随时随地更换，并非破坏性安装。4、实现了“学研产”一体化。5、本发明为一个整体设备的发明，而非零部件的堆积。达到整体性，美观，人性化。6、检测量程大，各个量程均有突破：①磁场发生器：

Figure 2011100297921100002DEST_PATH_IMAGE001

，可以不间断调控磁感应强度的变化率；

②剪应变率：

；

③温控范围：室温～150℃，可以不间断调控磁感应强度的变化率；

④剪应力最大量程：160KPa。

7、本发明的升降系统，不仅大大降低了人力，而且最大限度的减少了设备的毁坏程度，最主要的是实现了磁极间距离的无缝调节。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中单独上磁极处的结构示意图。

图3为本发明中单独下磁极处的结构示意图。

图4为本发明中单独固定环和剪切环配合好后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的结构作进一步的详细说明。

具体实施时，本发明结构如图1至图4所示，一种水平环槽式磁流变材料测试设备，包括机架1，所述机架1上设置有：

磁场发生装置，所述磁场发生装置包括上磁极和下磁极，所述上磁极包括竖向设置的电工纯铁制造的上衬套2和位于上衬套外部的电磁线圈绕组3，所述下磁极包括竖向设置的电工纯铁制造的下衬套4和位于下衬套外部的电磁线圈绕组5，所述下衬套4上端具有向外侧延展的台阶；所述上衬套2和上衬套外部的电磁线圈绕组3固定于上连接板6上，上连接板6连接于机架1，所述下衬套4和下衬套外部的电磁线圈绕组5固定在下连接板7上，下连接板7固定于机架1；实施时，所述每个电磁线圈绕组包括采用一根漆包线依次相邻并列地绕接得到的多层线圈，每层线圈之间采用绝缘纸隔开，电磁线圈绕组外部包裹有绝缘纸；

剪切机构，所述剪切机构包括同轴心设置的转轴8、弱磁性材料制得的剪切环9和固定环10；所述转轴8靠轴承11竖向设置在下衬套4内部，转轴8下方通过减速器12连接电机13；所述剪切环9安装固定在转轴8上端；所述固定环10上表面具有一个装配圆台14，装配圆台14侧壁设置有定位键15；所述剪切环9上表面同轴心设置有一个环形的用于盛放磁流变液的磁流变液槽16，磁流变液槽16位置与下衬套2上端向外侧延展出的台阶位置对应，磁流变液槽16底部嵌接有一个电工纯铁制得的下圆环片17，磁流变液槽16外壁高度高于内壁，磁流变液槽16内环之内同轴心设置有一个环形的溢出槽18，溢出槽内环之内同轴心设置有一个环形的滚珠槽，滚珠槽内安装有滚珠19；所述固定环10下表面对应所述磁流变液槽16设置有一个环形的凸台，该环形凸台由一个电工纯铁材料的上圆环片20嵌接在固定环10上得到，上圆环片20位置和上衬套2下端位置对应；所述剪切环9和固定环10贴合后，能够在磁流变液槽16内形成一个外端封闭的磁流变液腔，在溢出槽18内形成一个与磁流变液腔连通的溢出腔，同时能够使剪切环9和固定环10通过滚珠19形成滚动摩擦配合（具体实施时剪切环和固定环其余贴合面留0.5mm左右的间隙）；所述固定环10上表面设置有与溢出腔连通的通孔22；

剪应力检测机构，包括一个设置在上衬套2内部的传力筒23，传力筒23内壁下端设置有键槽24，所述固定环10上表面的装配圆台14可插接入传力筒23内部并使得装配圆台14上的定位键15滑动地配合在传力筒23内部的键槽24内，传力筒23上端固定在上连接板6上，传力筒23外壁上设置有一个内凹的台阶，该内凹的台阶上设置有剪应力传感器25；

加温及温度检测机构，包括位于固定环10上表面的电加热装置26和设置于固定环10上表面通孔22内的温度探头27；

升降机构，包括竖向固定设置于磁场发生装置四周的数根定位立杆28和一个固定连接于上连接板6上方的第三连接板34，所述上连接板6和第三连接板34可滑动地套接在所述定位立杆28上；升降机构还包括一个竖向设置的螺旋杆29，螺旋杆29中部靠螺纹可转动地配合在机架1上，螺旋杆29下端向下穿过第三连接板34并设置有一个承托盘30，承托盘30与第三连接板34之间设置有一圈滚珠31并靠滚珠31实现对第三连接板34的支承和滚动摩擦配合，螺旋杆29上端横向设置有手柄32；所述的升降机构的定位立杆28上端为尖端向上的锥体段，定位立杆28下端为圆柱段；

控制系统，所述控制系统包括计算机控制中心33和与计算机控制中心33连接的所述电机13、电磁线圈绕组、剪应力传感器25、电加热装置26和温度探头27。

本发明的测试设备不仅仅适用于磁流变液材料的性能测试，也可以适用于其他如磁流变脂和磁流变弹塑体的性能测试。

Claims

1.一种水平环槽式磁流变材料测试设备，包括机架，所述机架上设置有：

控制系统，所述控制系统包括计算机控制中心，所述计算机控制中心与所述电机、电磁线圈绕组、剪应力传感器、电加热装置和温度探头相连接。

2.如权利要求1所述的水平环槽式磁流变材料测试设备，其特征在于，所述的升降机构的定位立杆上端为尖端向上的锥体段，定位立杆下端为圆柱段。

3.如权利要求1或2所述的水平环槽式磁流变材料测试设备，其特征在于，所述每个电磁线圈绕组包括采用一根漆包线依次相邻并列地绕接得到的多层线圈，每层线圈之间采用绝缘纸隔开，电磁线圈绕组外部包裹有绝缘纸。