CN104483239A - 一种可调磁场下磁流变液剪切屈服应力实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调磁场下磁流变液剪切屈服应力实验装置，包括数据采集装置、用于提供待测磁流变液磁场的磁场发生装置、盛液筒、剪切机构、应变测量装置以及为磁场发生装置和剪切机构供电的供电电源；其中，所述磁场发生装置包括由工业纯铁围合成的闭合结构和磁场测量装置，闭合结构内放置有尼龙套筒和缠绕在尼龙套筒上的铜线圈，盛液筒置于尼龙套筒的内部；应变测量装置包括导电滑环、应变片电桥和动态电阻应变仪，应变片电桥通过导电滑环与动态电阻应变仪连接，动态电阻应变仪将电压信号传输给数据采集装置；剪切机构包括步进电机以及由步进电机带动转动的剪切杆，剪切杆分为前端、中部和末端，应变片电桥粘贴在剪切杆中部。

Description

一种可调磁场下磁流变液剪切屈服应力实验装置

技术领域

本发明是涉及一种测量磁流变液在不同剪切转速和不同磁场下的剪切屈服应力的测量装置。

背景技术

磁流变液是一种具有良好发展前景和工程应用价值的新型智能材料，在外加磁场的作用下，会在固体与液体之间发生毫秒级的可逆转化，从而产生明显的磁流变效应。磁流变液的这种独特的流变特性被广泛应用于土木建筑、机械、汽车、航空、精密加工以及医疗等领域。磁流变阻尼器正是充分利用磁流变液的可调性和磁效应制作而成的，因此磁流变液的力学特性直接影响着阻尼器的使用性能。剪切屈服应力是衡量磁流变液在磁场作用下固化强度大小的指标，是磁流变液的主要力学性能参数，因此研制出能够精准测量磁流变液剪切屈服应力的实验装置对于评价磁流变液的力学性能显得尤为重要。

磁流变液剪切屈服应力的测试装置目前存在以下两类：1)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磁流变液的流速，从而得出磁流变液的剪切屈服应力。管道流模式磁流变液测量设备在低磁场下测量结果较为准确，但是在较高磁场下由于磁流变液颗粒磁化后在管道中滞留聚集，而母液(油)沿管道快速渗出，会造成管道中磁流变液的浓度局部增大，导致测量结果明显偏高，需要进行一定的修正。2)平板模型，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。由于平板壁面光滑，在强磁场作用下易产生壁面滑移效应，导致测量的扭矩更多来源于强磁场时半固体状的磁流变液与壁面的摩擦力，而不是磁流变液颗粒链的剪切屈服应力，测量结果误差较大，同时平板运动剪切面较大，测量时不易产生匀强磁场。因此一种能精准测量磁流变液剪切屈服应力的测量装置的开发显得尤为重要。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种能够精确方便测量出不同剪切转速和不同磁场下磁流变液剪切屈服应力的装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：

一种可调磁场下磁流变液剪切屈服应力实验装置，包括数据采集装置、用于提供待测磁流变液磁场的磁场发生装置、用于盛放待测磁流变液的盛液筒、剪切机构、应变测量装置以及为磁场发生装置和剪切机构供电的供电电源；其中，所述磁场发生装置包括由工业纯铁围合成的闭合结构和磁场测量装置，所述闭合结构内放置有尼龙套筒和缠绕在所述尼龙套筒上的铜线圈，所述盛液筒置于所述尼龙套筒的内部；所述应变测量装置包括导电滑环、应变片电桥和动态电阻应变仪，所述应变片电桥通过所述导电滑环与所述动态电阻应变仪连接，所述动态电阻应变仪将电压信号传输给所述数据采集装置；所述剪切机构包括步进电机以及由所述步进电机带动转动的剪切杆，所述剪切杆分为前端、中部和末端，所述剪切杆前端为带有剪切刀片的剪切碟片，所述剪切杆前端置于所述盛液筒内，所述剪切杆中部为塑料杆，所述应变片电桥粘贴在所述剪切杆中部，所述剪切杆末端为内螺纹帽。

进一步优选，所述应变片电桥与所述剪切杆的轴线呈±45°夹角。

进一步优选，所述剪切碟片为工业纯铁剪切碟片，在磁场作用下，铁剪切碟片与磁流变液紧密结合，使剪切过程中的磁流变液与剪切碟片不出现壁面滑移现象。

进一步优选，所述闭合结构的工业纯铁厚度为1cm。

进一步优选，所述剪切杆中部为聚甲醛塑料杆，其在受到一定的扭矩作用时能够产生大的扭转变形，便于位于聚甲醛塑料杆上的应变片电桥对扭矩进行测量，聚甲醛塑料杆具有良好的机械、物理性能，尤其是疲劳强度、抗蠕变性很好，能提高测试装置的精度。

进一步优选，所述剪切杆末端为不锈钢内螺纹帽，内螺纹帽用于与步进电机通过螺纹旋转连接，不锈钢的抗剪强度较大，可以安全地与步进电机连接，不锈钢材质的内螺纹帽能够避免在剪切过程中发生破坏或滑移。

该发明测量装置的工作原理为：铜线圈缠绕于尼龙套筒上，铜线圈与供电电源连通，通电后将产生竖直方向的均匀可调磁场，待测磁流变液放于盛液筒中，盛液筒置于尼龙套筒的内部，以使待测磁流变液处于均匀可调的较强磁场中；供电电源给铜线圈和步进电机通电，装置内部产生均匀磁场，待测磁流变液在磁场作用下固化，步进电机工作，带动与其连接的剪切杆旋转，剪切杆前端的剪切碟片与待测磁流变液发生相对运动，使得磁流变液产生剪切变形，同时磁流变液反作用于剪切杆，使其受到一定的扭矩作用并发生扭转变形，粘贴在剪切杆中部上的(电阻)应变片电桥随着杆轴的扭转发生相应的拉伸或压缩，并将这种变化转化为电阻变化，动态电阻应变仪通过应变片电桥将电阻变化转换为电压信号，并将该电压信号传输给数据采集装置，数据采集装置对该数据进行处理，最终输出为该剪切转速下磁流变液的剪切屈服应力值。通过改变供电电源的输入电流可以调节磁场发生装置内磁场的大小，并通过特斯拉计测量磁场的大小，通过改变供电电源的输入电压可以调节步进电机的转速，从而实现对磁流变液进行不同剪切转速下磁流变液剪切屈服应力的测量。动态电阻应变仪所采集的电压信号与剪切杆扭矩的关系为式(1)所示：

$T=\frac{E}{K_s(1+\mathrm{\μ})}\frac{\mathrm{\ΔU}}{U}\frac{\mathrm{\π}{d}^3}{16}---\left(1\right)$

其中，U为应变片电桥电压，△U为输出电压差，d为剪切杆直径，K_s为应变片电桥灵敏系数，E和μ分别为杆轴材料的弹性模量和泊松比，T为带求的剪切杆扭矩。

通过剪切杆扭矩和磁流变液剪切屈服应力的理论关系公式可推算出剪切屈服应力的计算式如式(2)所示：

${\mathrm{\τ}}_y=\frac{3d^3}{32r_0^3}\frac{E}{K_s(1+\mathrm{\μ})}\frac{\mathrm{\ΔU}}{U}---\left(2\right)$

其中，r₀为剪切杆下端剪切碟片的半径。

有益效果：本发明的测量装置能够精确测量不同匀强磁场下、不同剪切转速下磁流变液的剪切屈服应力；进一步说，该装置能够在待测磁流变液区域产生均匀可调的磁场，实现了匀强磁场的发生及测量、剪切转速调节、应变测量以及数据采集、处理与输出一体化测试功能；本发明装置的剪切杆为三段式：末端为不锈钢内螺纹帽，方便与电机连接，避免在转动过程中发生破坏或滑移，中部为POM聚甲醛塑料杆，能够产生大的变形，便于测量，前端为工业纯铁剪切碟片，剪切碟片下方设有剪切刀片，能够在磁场中与磁流变液紧密结合，使剪切过程中的磁流变液与剪切碟片不出现壁面滑移，解决了传统测试装置在强磁场下因磁流变液的壁面滑移而导致的测量误差大、精度低的问题；其次，本发明装置采用导电滑环将应变片电桥和动态电阻应变仪连接，解决了应变片电桥随剪切杆旋转时导线缠绕杆的问题；最后，本发明磁场发生装置中设有工业纯铁闭合结构，工业纯铁闭合结构外无通电铜线圈所产生的磁场(即闭合结构外部没有漏磁)，从而避免了通电后铜线圈产生的磁场对周围其他仪器的干扰。

附图说明

图1为本发明可调磁场下磁流变液剪切屈服应力实验装置的结构示意图；

其中，步进电机1；导电滑环2；应变片电桥3；剪切杆4；盛液筒5；闭合结构6；尼龙套筒7；铜线圈8；待测磁流变液9；供电电源10；动态电阻应变仪11；磁场测量装置12；数据采集系统13。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的可调磁场下磁流变液剪切屈服应力实验装置，包括数据采集装置13、用于提供待测磁流变液9磁场的磁场发生装置、用于盛放待测磁流变液9的盛液筒5、剪切机构、应变测量装置以及为磁场发生装置和剪切机构供电的供电电源10；其中，磁场发生装置包括由工业纯铁围合成中空的闭合结构6和磁场测量装置12，闭合结构6的顶部设有供剪切杆4穿过的圆孔，闭合结构6还设有供通电导线穿过的圆孔，闭合结构6的工业纯铁厚度为1cm，闭合结构6内放置有尼龙套筒7和缠绕在尼龙套筒7上的铜线圈8，铜线圈8与供电电源10连通，通电后将产生竖直方向的均匀可调磁场，待测磁流变液9放于盛液筒5中，盛液筒5置于尼龙套筒7的内部，以使待测磁流变液9处于均匀可调的较强磁场中；应变测量装置包括导电滑环2、应变片电桥3和动态电阻应变仪11，应变片电桥3通过导电滑环2与动态电阻应变仪11连接，动态电阻应变仪11将电压信号传输给数据采集装置13；剪切机构包括步进电机1以及由步进电机1带动转动的剪切杆4，剪切杆4分为前端、中部和末端，剪切杆4前端为带有剪切刀片的，剪切碟片置于盛液筒5内，剪切杆4中部为聚甲醛塑料杆，应变片电桥3粘贴在剪切杆4中部，且应变片电桥3与剪切杆4的轴线呈±45°夹角，剪切杆4中部为聚甲醛塑料杆，其在受到一定的扭矩作用时能够产生大的扭转变形，便于位于聚甲醛塑料杆上的应变片电桥3对扭矩进行测量，聚甲醛塑料杆具有良好的机械、物理性能，尤其是疲劳强度、抗蠕变性很好，能提高测试装置的精度，剪切杆4末端为不锈钢内螺纹帽，内螺纹帽用于与步进电机1通过螺纹旋转连接，不锈钢的抗剪强度较大，可以安全地与步进电机连接，不锈钢材质的内螺纹帽能够避免在剪切过程中发生破坏或滑移。

其中，剪切碟片为工业纯铁剪切碟片，在磁场作用下，铁剪切碟片与磁流变液紧密结合，使剪切过程中的磁流变液与剪切碟片不出现壁面滑移现象。

本发明装置的工作过程：将磁流变液9注入盛液筒5中，盛液筒5置于尼龙套筒7的内部，盛液筒5底部支撑板为工业纯铁支撑板，盖上(磁场发生装置中)闭合结构6的顶盖，供电电源10给铜线圈8通电，铜线圈8通电后将产生竖直方向的均匀可调磁场，待测磁流变液9处于均匀可调的较强磁场中，磁场发生装置的磁场测量装置12测出供电电源10不同电流输出状态下铜线圈8在待测磁流变液9区域产生的磁感应强度，确定输入电流与磁感应强度的关系；再次接通供电电源10，给铜线圈8通电，在待测磁流变液9区域产生均匀磁场，并让供电电源10给步进电机1通电，步进电机1工作，剪切杆4随之转动并对待测磁流变液9进行剪切，剪切杆4发生扭转变形，(应变片电桥3测量剪切杆的变形)贴在剪切杆4中部上的(电阻)应变片电桥3随着剪切杆4轴的扭转发生相应的拉伸或压缩，并将这种变化转化为电阻变化，动态电阻应变仪11通过应变片电桥3将电阻变化转换为电压信号，并将该电压信号传输给数据采集装置13，数据采集装置13对该电压信号进行采集、滤波、存储，并实时输出该剪切转速下磁流变液的剪切屈服应力。调节供电电源10的电流、电压可以调节装置内的磁感应强度和步进电机1的转速，从而完成在不同磁场强度下、不同转速下对磁流变液剪切屈服应力的测量。

本发明的磁场发生装置中设有工业纯铁制成的闭合结构6，缠绕在尼龙套筒7上的铜线圈8置于闭合结构6内部，通电铜线圈8产生的磁场沿着所设计的磁路分布，在待测磁流变液9区域产生均匀可调的磁场。

本发明数据采集装置13能够采集到微弱的电压信号，并根据信号噪声的强弱对滤波器的参数进行修改以便更好地对信号进行滤波，滤波后的波形可以通过波形图动态显示出来，并将数据实时保存为文本文件，方便后期进一步分析。

本发明装置的导电滑环能够实现从固定位置到旋转位置传送功率或数据，使用导电滑环解决了电阻应变片电桥3导线随剪切杆4同时旋转带来的绕线问题，避免了装置在测量工作产生的不利影响。

Claims (6)

1.一种可调磁场下磁流变液剪切屈服应力实验装置，其特征在于：包括数据采集装置、用于提供待测磁流变液磁场的磁场发生装置、用于盛放待测磁流变液的盛液筒、剪切机构、应变测量装置以及为磁场发生装置和剪切机构供电的供电电源；其中，所述磁场发生装置包括由工业纯铁围合成的闭合结构和磁场测量装置，所述闭合结构内放置有尼龙套筒和缠绕在所述尼龙套筒上的铜线圈，所述盛液筒置于所述尼龙套筒的内部；所述应变测量装置包括导电滑环、应变片电桥和动态电阻应变仪，所述应变片电桥通过所述导电滑环与所述动态电阻应变仪连接，所述动态电阻应变仪将电压信号传输给所述数据采集装置；所述剪切机构包括步进电机以及由所述步进电机带动转动的剪切杆，所述剪切杆分为前端、中部和末端，所述剪切杆前端为带有剪切刀片的剪切碟片，所述剪切杆前端置于所述盛液筒内，所述剪切杆中部为塑料杆，所述应变片电桥粘贴在所述剪切杆中部，所述剪切杆末端为内螺纹帽。

2.根据权利要求1所述的可调磁场下磁流变液剪切屈服应力实验装置，其特征在于：所述应变片电桥与所述剪切杆的轴线呈±45°夹角。

3.根据权利要求1所述的可调磁场下磁流变液剪切屈服应力实验装置，其特征在于：所述剪切碟片为工业纯铁剪切碟片。

4.根据权利要求1所述的可调磁场下磁流变液剪切屈服应力实验装置，其特征在于：所述闭合结构的工业纯铁厚度为1cm。

5.根据权利要求1所述的可调磁场下磁流变液剪切屈服应力实验装置，其特征在于：所述剪切杆中部为聚甲醛塑料杆。

6.根据权利要求1所述的可调磁场下磁流变液剪切屈服应力实验装置，其特征在于：所述剪切杆末端为不锈钢内螺纹帽。