CN103512690A

CN103512690A - 磁流变液剪切屈服应力测试装置

Info

Publication number: CN103512690A
Application number: CN201210222221.4A
Authority: CN
Inventors: 徐赵东; 郭维阳
Original assignee: CHANGZHOU RESEARCH INSTITUTE SOUTHEAST UNIVERSITY
Current assignee: CHANGZHOU RESEARCH INSTITUTE SOUTHEAST UNIVERSITY
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: CN103512690B

Abstract

本发明是用于测量磁流变液剪切屈服应力测试装置。该装置主要包括匀强可调磁场发生装置、钢桶、转轴、密封圈盖板、支架、电机、扭矩传感器、霍尔片、数据解调单片机与测试显示仪。该装置的优点在于：磁场发生装置能产生较大匀强可调磁场；能够避免磁流变液在有磁场情况下产生壁面滑移；测试与显示装置利用扭矩传感器、PWM原理、信号放大电路和A/D转换将微弱的电压差信号准确实时输出在测试显示仪上；密绕线圈外侧用工业纯铁形成低磁阻的闭合回路，密绕线圈内侧的线圈固定架选用尼龙材料，有利于使较多磁力线通过磁流变液。将磁流变液置于磁场发生装置的中央，使得被测磁流变液产生的磁感应强度均匀且垂直分布。

Description

磁流变液剪切屈服应力测试装置

技术领域

本发明是一种用于测量磁流变液在不同转速、不同磁场下的剪切屈服应力的测试装置。

背景技术

磁流变液是一种新兴的智能材料，是具有随外加磁场变化而有可控流变特征的非胶体性质的悬浮液体。当外部磁场作用时，其物理形态在毫秒内发生迅速的变化，即从液体变成类固体。近年来，在工程中应用广泛的磁流变阻尼器正是充分利用磁流变液的可调智能特性制作而成，因此磁流变液的力学特性直接影响阻尼器的使用性能。对磁流变液的流变性能进行准确的测量和评估是磁流变液被广泛应用与开发的前提，只有弄清楚磁流变液的主要力学性能(屈服应力、表观粘度)，才能根据不同的使用条件选择合适的磁流变液，因此，研制能够精确测量磁流变液剪切屈服应力的仪器变得越发重要。

磁流变液测试装置目前存在有几大类：1)平板型，该方法是在磁场中通过平板间的剪切运动进行磁流变液屈服应力的测试。仅就测试本身而言，存在以下缺点：①平板壁面光滑，在强磁场作用下易产生壁面滑移效应，导致测量结果偏小；②平板运动剪切面较大，测量时不易产生匀强磁场。2)管道流模型，该方法是在磁场中形成管道流，通过测量两端压差和MRF流速，从而可得出MRF的剪切屈服应力。管道流模式测试系统也存在如下缺点：①由于管道口处尺寸明显改变，使得测量的压差存在较大误差；②在较高的磁场作用下磁流变液容易产生固液分离，悬浮颗粒由于磁场作用吸附在壁面，而载液却沿管道流出，导致剪切屈服应力被测段中磁流变液的体积比增大，使得测量结果偏大，同时在管道壁面摩阻力较小，容易产生壁面滑移效应。3)同心圆筒旋转式，该测试装置因其内外圆筒的直径不相等会产生扇形的磁场，在原理上存在缺陷，同时旋转圆筒壁面易产生壁面滑移。因此，研制一种能在强磁场作用下产生纯剪切运动的磁流变液屈服应力测试装置非常重要。

发明内容

技术问题：本发明是测试磁流变液剪切屈服应力的装置，该装置能够测量不同磁场，不同转速下磁流变液的剪切屈服应力，能解决传统测试装置强磁场情况下磁流变液壁面滑移效应、测量精度低及磁场不均匀等缺点。

技术方案：本发明是用于测量磁流变液剪切屈服应力的测试装置，该装置主要包括磁场发生装置和盛放磁流变液的钢桶以及用于测量扭矩的测试系统。匀强可调磁场发生装置是由两部分组成：密绕线圈和永磁铁。永磁铁置于磁场发生装置的底部中心，密绕线圈缠绕于材质为尼龙的固定架上。被测磁流变液盛于钢桶中，钢桶置于磁场发生装置内部，以便使被测磁流变液置于均匀较强磁场中，钢桶内壁设有沿直径方向的阻挡刀片，转轴下端圆盘处设置剪切刀片，上端连接电机，电机固定在电机托架上。电机转动带动转轴下端圆盘处剪切刀片旋转，剪切刀片和钢桶产生相对运动，使得磁流变液产生剪切变形。转轴中央装有扭矩传感器，用于量测因磁流变液剪切力所产生的转轴扭矩。其基本思路是转轴按既定的转速旋转，剪切刀片切割磁流变液，这种旋转的切割力和旋转轴上的扭矩存在对应关系，转轴上的扭矩是通过其上的扭矩测试系统得到，利用所测的扭矩可以反推出磁流变液的剪切屈服应力和动力粘度，不同的剪切速率可以通过改变电机的输入电流实现，不同的磁场强度可以通过施加不同的磁块个数和改变输入线圈的电流大小和方向来实现。通过测量转子每分钟的转动圈数计算出磁流变液的剪切速率，钢桶中的磁感应强度是通过布置在钢桶内壁的霍尔片测得。磁流变液在外加磁场作用下流变学特性发生变化，导致传递到转轴上的扭矩发生变化，扭矩传感器将微弱的电压信号通过PWM原理、放大器与A/D转换得到转轴扭矩。转轴扭矩与电桥电压信号关系如下

M_{t} = \frac{E}{k (1 + n)} \frac{DU}{U}

M_{p} = \frac{E}{k (1 + n)} \frac{p D^{3} (1 - a^{4})}{16} \frac{DU}{U} - - - (1)

其中U为电桥电压，DU为输出电压差。W_p为转轴扭转截面模量，D为转轴直径。k为应变片灵敏系数，E和n分别为转轴的弹性模量和泊松比。

通过转轴扭矩和磁流变液剪切应力的理论关系公式可推算出剪切屈服应力：

t_{y} = \frac{3 M_{t}}{2 p r_{0}^{3}} = \frac{3}{32 r_{0}^{3}} \frac{E D^{3} (1 - a^{4})}{k (1 + n)} \frac{DU}{U} - - - (2)

r₀为转轴下部剪切刀片半径。

有益效果：本发明的磁流变液剪切屈服应力测试装置有如下优点：

(一)钢桶壁面的阻挡刀片和转轴端部的剪切刀片能够避免磁流变液在强磁场剪切运动中产生壁面滑移；

(二)磁场发生装置能产生较大的匀强可调磁场，密绕线圈外侧用工业纯铁形成低磁阻闭合回路，内侧密绕线圈固定架选用尼龙材料，便于较多磁力线能垂直穿过磁流变液，有利于提高磁流变液的磁感应强度；

(三)扭矩测试装置利用电桥应变测试系统与PWM原理实时准确显示出电压差。

附图说明

图1为本发明的总体结构图；

图中有：支架1、电机托架3、升降螺旋轴2、电机4、转轴5、测试显示仪6、应变片7、钢桶8、密绕线圈固定架9、密绕线圈10、永磁铁11、磁路闭合装置12、密绕线圈引线13、剪切刀片14、密封圈盖板15、霍尔片16。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，磁流变液剪切屈服应力的测试装置，包括支架1、电机托架3、升降螺旋轴2、电机4、转轴5、测试显示仪6、扭矩应变片7、钢桶8、密绕线圈固定架9、密绕线圈10、永磁铁11、磁路闭合装置12、密绕线圈引线13、剪切刀片14、密封圈盖板15、霍尔片16。升降螺旋轴2位于支架1上，可上下升降，调节转轴圆盘在磁流变液中的位置。转轴5与电机4固接相连，转轴5下部旋转圆盘处设有剪切刀片14，剪切刀片14沿直径通长布置。钢桶8置于密绕线圈10中央，下部设有凸槽，并与磁场发生装置凹槽固接，钢桶8内壁的阻挡刀片成U型，转轴下端圆盘处剪切刀片14与钢桶8内壁的阻挡刀片上下间的距离为1～2mm，刀片厚度为4mm。密封环置于钢桶剪切刀片14高度处，沿钢桶8一周布置，密封圈盖板15安置在密绕线圈10上。霍尔片16贴于钢桶底部和壁面处。

本装置的工作过程：将磁流变液注入钢桶8中，盖上盖板15，然后给密绕线圈10通直流电源产生可变磁场，与永磁铁11产生的固定磁场同时作用于磁流变液上，使其流变性发生变化，同时给电机4输入恒定可调电流，产生恒定可调转速，通过转动轴5带动剪切刀片14旋转，并剪切磁流变液，产生的剪切应力通过力矩的形式传给转轴上的扭矩应变片7，扭矩应变片7通过应变电桥产生微弱的电压差信号，经放大处理后，传输到测试显示仪6上，根据公式(2)将测试的扭矩换算成磁流变液的剪切屈服应力。同时将霍尔片16中的磁感应强度值显示出来。

Claims

1.磁流变液剪切屈服应力测试装置，包括匀强可调磁场发生装置、盛放磁流变液的钢桶、转轴、密封圈盖板、支架、电机、扭矩传感器、霍尔片、数据解调单片机与测试显示仪，所述磁场发生装置包括密绕线圈和永磁铁；其特征在于：磁场发生装置用螺栓固定在支架上；密绕线圈紧密缠绕于密绕线圈固定架上，密绕线圈外侧用工业纯铁连接形成闭合回路；底部中央装有可拆卸的永磁铁；密绕线圈引线与直流电源连接；钢桶底面凸槽与磁场发生装置中央凹槽连接固定，且其可以拆卸；钢桶内壁设有阻挡刀片，密封圈盖板支撑于阻挡刀片上端处；转轴下端圆盘上设有剪切刀片，转轴上端与电机连接固定；四个箔式应变片组成扭矩传感器粘贴于转轴上，数据解调单片机与测试显示仪安装于转轴上端；霍尔片贴于钢桶内壁。

2.根据权利要求1所述的磁流变液剪切屈服应力测试装置，其特征在于：圆盘端部的剪切刀片平面布置成一字型，钢桶内壁的阻挡刀片成U型，圆盘端部剪切刀片与钢桶内壁的阻挡刀片上下间的距离为1～2mm，刀片厚度为4mm，材料选用硅钢。

3.根据权利要求1所述的磁流变液剪切屈服应力测试装置，其特征在于：转轴旋转剪切磁流变液所产生的扭矩通过扭矩传感器将微弱的电信号传入数据解调单片机，利用PWM原理、信号放大电路和A/D转换，最终将信号输出在测试显示仪上。

4.根据权利要求1所述的磁流变液剪切屈服应力测试装置，其特征在于：密绕线圈选用直径为1～2mm的漆包线，水平缠绕20～30层，竖向缠绕30～40圈；密绕线圈外侧选用工业纯铁作为闭合回路，其内侧密绕线圈固定架选用尼龙材料。