CN104849401B - 磁流变液再分散性定量测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁流变液再分散性定量测试方法。该测试方法包括步骤：称量计算出装入烧杯内的待测磁流变液质量m；用电机带动搅拌桨搅拌磁流变液；从搅拌起始零时刻至搅拌结束时刻这一时间段T内实时采集电机转速和扭矩；计算出电机在时间段T内所做的功W以及搅拌结束时刻磁流变液的动能E_k；基于公式(W-E_k)/m计算得到磁流变液再分散性Rd。本发明方法可实现对磁流变液再分散性的量化评价，解决了目前业界在磁流变液再分散性量化评价方面的缺失。

Description

磁流变液再分散性定量测试方法

技术领域

本发明涉及一种磁流变液再分散性定量测试方法，属于磁流变液再分散性定量测试技术领域。

背景技术

磁流变液(MRF)是一种智能材料，在外加磁场作用下，可以从牛顿(Newton)流体迅速、可逆地转变为宾汉(Bingham)塑性固体，这一特性具有极大地工程应用价值，因而引起了业内研究学者们的广泛研究，目前所做研究主要围绕提高磁流变液的性能展开，包括磁流变液的剪切屈服强度、零场粘度、沉降稳定性和再分散性等性能，但对这些性能的评价指标却并不是很完善。

在2013年由中国机械工业联合会提出有关MRF行业标准制定的草案中，对磁流变液性能的评价指标进行了统一。草案对磁流变液的主要性能给出了量化评价指标，并统一了对各性能进行量化评价的测试方法。但是对于磁流变液的再分散性(又称抗团聚性)却没有制定出任何用于量化评价的测试方法，没有统一的测试标准，仅仅对磁流变液再分散性进行定性评价的测试方法作了规定，规定为“将磁流变液装入密闭容器中，在室温环境静置6个月后，用金属或玻璃搅拌棒慢慢搅动磁流变液，根据沉降层的松软程度或再分散的难易程度判别其再分散性”。从该规定可以看出，搅拌磁流变液实际上是人工方式将磁流变液由沉淀状态分散至均匀状态，因此人主观感觉沉降层的松软程度或再分散的难易程度无法量化，只能定性分析，不准确，与磁流变液实际的再分散性存在很大的偏差。可见，目前业界在磁流变液再分散性的定量评价方面存在着很大的缺失。

由此，为了完善MRF行业标准，设计出一种定量测试技术方案来对磁流变液的再分散性进行量化评价，是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁流变液再分散性定量测试方法，该定量测试方法可实现对磁流变液再分散性的量化评价，解决了目前业界在磁流变液再分散性量化评价方面的缺失。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种磁流变液再分散性定量测试方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)称量计算出装入烧杯内的待测磁流变液的质量m；

2)使用电机带动搅拌桨对烧杯内的磁流变液进行旋转搅拌；

3)从搅拌起始零时刻起至搅拌结束时刻T为止，实时采集电机的转速和扭矩，其中，在搅拌结束时刻T，磁流变液的转速达到与电机的转速相一致；

4)基于步骤3)中在从搅拌起始零时刻起至搅拌结束时刻T为止的时间段内采集的电机转速和扭矩，计算出电机在从搅拌起始零时刻起至搅拌结束时刻T为止的时间段内所做的功W以及搅拌结束时刻T时磁流变液的动能E_k；

5)基于公式(W-E_k)/m计算得到用于定量评价的磁流变液再分散性Rd。

所述步骤1)具体包括：

1-1)称量所述烧杯质量m_c；

1-2)将磁流变液装入所述烧杯，室温条件下静置6个月后称量所述烧杯及其内磁流变液的总质量m_a；

1-3)通过公式m＝m_a-m_c计算得到所述烧杯内待测磁流变液的质量m。

在所述步骤2)中：所述烧杯内装入的磁流变液的体积占所述烧杯容量的2/3左右；所述搅拌桨位于磁流变液液面下方大约为磁流变液深度一半的位置处，所述搅拌桨的轴线垂直于磁流变液液面且轴心与所述烧杯横截面圆心重合。

在所述步骤3)中，当所述电机的扭矩变化率ΔM达到扭矩变化率阈值c时，认为磁流变液的转速达到与所述电机的转速相一致。

所述电机的扭矩变化率ΔM经由下式求出：

$\mathrm{\Δ}M=\frac{M(t-\mathrm{\Δ}t)-M\left(t\right)}{M\left(t\right)}$

上式中，M(t)为t时刻采集的电机扭矩值，Δt为采集间隔时间。

优选地，所述扭矩变化率阈值c设定为5％。

在所述步骤4)中，所述电机在从搅拌起始零时刻起至搅拌结束时刻T为止的时间段内所做的功W由下式求出：

$W={\∫}_0^T\frac{M\left(t\right)n\left(t\right)}{9550}dt$

上式中，M(t)为t时刻采集的电机扭矩值，n(t)为t时刻采集的电机转速值。

在所述步骤4)中，搅拌结束时刻T时磁流变液的动能E_k由下式求出：

E_k＝mr²n(T)²π²

上式中，n(T)为搅拌结束时刻T采集的电机转速值，r为所述烧杯的横截面半径。

本发明的优点是：

1)从无到有，本发明方法给出了对磁流变液的再分散性进行量化评价的具体测试过程，解决了目前业界在磁流变液再分散性量化评价方面的缺失，且排除了人主观感觉所造成的误判，对完善磁流变液性能评价有着重要的意义，极大推动了行业的发展。

2)本发明方法仅在磁流变液质量、烧杯横截面半径测量方面需要人工参与，其它均为计算机自动完成，测试过程自动化程度高，极大减少了人工操作带来的误差，确保了所得再分散性定量评价结果的准确性。

3)本发明方法所得再分散性定量评价结果精度高，可依据量化数值来区分不同磁流变液再分散性的微小差异，对磁流变液再分散性的定量评价具有重要意义。

4)本发明磁流变液再分散性定量测试方法基于定量测试装置可有效完成对磁流变液再分散性的定量评价，定量测试装置结构简单，成本低，便于生产与维护。

附图说明

图1是本发明定量测试方法的实施流程图。

图2是本发明定量测试装置的组成示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明磁流变液再分散性定量测试方法包括如下步骤：

1)称量计算出装入烧杯30内的待测磁流变液的质量m；

2)使用电机22带动搅拌桨21对烧杯30内的磁流变液进行旋转搅拌；

3)从搅拌起始零时刻起至搅拌结束时刻T为止，实时采集电机22的转速和扭矩，其中，在搅拌结束时刻T，磁流变液的转速达到与电机22的转速相一致，即认为磁流变液转速此时达到与电机22转速相同；

4)基于步骤3)中在时间段T内采集的电机22转速和扭矩，计算出电机22在时间段T内所做的功W以及搅拌结束时刻T时磁流变液的动能E_k；

5)基于公式(W-E_k)/m计算得到用于定量评价的磁流变液再分散性Rd。

在实际实施中，步骤1)可具体包括：

1-1)称量烧杯30质量m_c，在实际中可同时测量烧杯30的横截面半径r，本发明中设定烧杯30为横截面为圆形的试验用容器；

1-2)将磁流变液装入烧杯30，室温条件(一般20℃定义为室温)下静置6个月后称量烧杯30及其内磁流变液的总质量m_a；

1-3)通过公式m＝m_a-m_c计算得到烧杯30内待测磁流变液的质量m。

在步骤2)中，烧杯30内装入的磁流变液的体积优选占烧杯30容量的2/3左右。在实际操作中，搅拌桨21伸入磁流变液中，位于磁流变液液面之下。优选地，在步骤2)中，搅拌桨21位于磁流变液液面下方大约为磁流变液深度一半的位置处，搅拌桨21的轴线垂直于磁流变液液面且轴心与烧杯30横截面圆心重合。

在本发明中，搅拌起始零时刻即为电机22开始运行时刻，搅拌结束时刻T即为电机22结束运行时刻，而在搅拌结束时刻T时设定磁流变液的转速变为与电机22的转速相一致。而在实际使用电机22时，结合电机22的特点可以看到，在旋转搅拌静置的磁流变液至均匀分散状态这一过程中，电机22的转速变化较小，而扭矩变化较大(电机22的扭矩是逐渐减小的)，并且磁流变液在逐渐分散均匀的过程中，其粘滞阻力矩逐渐变小，扭矩逐渐变小，扭矩变化率也逐渐变小。而且，当磁流变液的转速达到与电机22的转速相一致时，电机22仅需保持相同转速(相同扭矩)运行即可。因而用电机22的扭矩变化率来判断磁流变液的转速是否达到与电机22的转速相一致这一事实是合理的。因而在本发明方法的步骤3)中设定，当电机22的扭矩变化率ΔM达到扭矩变化率阈值c(c为正实数)时，可认为磁流变液的转速增加到与电机22的转速相同，即磁流变液的转速达到与电机22的转速相一致的程度，此时磁流变液被认为已分散均匀。

电机22的扭矩变化率ΔM经由下式1)求出：

$\mathrm{\Δ}M=\frac{M(t-\mathrm{\Δ}t)-M\left(t\right)}{M\left(t\right)}---1)$

在上式1)中，M(t)为t时刻采集的电机扭矩值，Δt为采集间隔时间。

上述式1)表达的便是电机22在采集间隔时间Δt前后两个时刻的扭矩变化率，并且电机22的扭矩变化率ΔM应大于0，且t＞Δt。

式1)的意义在于，当电机某一时刻t的扭矩值与Δt时刻后的扭矩值之间的扭矩变化率ΔM等于扭矩变化率阈值c时，认为此时电机22的扭矩变化已经很小，可以说明磁流变液已基本被均匀分散，而t＞Δt的意义在于消除电机22启动瞬间转速和扭矩的不稳定。

经过反复试验验证，将扭矩变化率阈值c设定为5％是符合要求的。若取c＜5％，则由于不同型号的电机精度不一样以及采集过程中噪声信号干扰等因素的影响，在磁流变液搅拌过程中可能出现扭矩变化率小于5％的情形，此时磁流变液还没有均匀分散，若此时停止搅拌，则会造成计算得到的电机22最终做功值小于分散磁流变液实际所需的做功真实值。若取c＞5％，则随着磁流变液逐渐分散均匀，扭矩变化率逐渐变小，当扭矩变化率等于c时，由于c较大，此时磁流变液还没有完全分散均匀，也会造成计算得到的电机最终做功值小于做功真实值。

在步骤4)中，电机22在时间段T内所做的功W由下式2)求出：

$W={\∫}_0^T\frac{M\left(t\right)n\left(t\right)}{9550}dt---2)$

上式2)中，M(t)为t时刻采集的电机扭矩值，n(t)为t时刻采集的电机转速值。

式2)由下式3)、4)得到：

$P\left(t\right)=\frac{M\left(t\right)n\left(t\right)}{9550}---3)$

$W={\∫}_0^{T}P\left(t\right)dt---4)$

式3)、4)中，P(t)表示t时刻的电机功率。

在步骤4)中，基于在搅拌结束时刻T磁流变液的转速与电机22的转速相同的设定，搅拌结束时刻T时磁流变液的动能E_k由下式5)求出：

E_k＝mr²n(T)²π²5)

上式5)中，n(T)为T时刻采集的电机转速值，即作为T时刻磁流变液的转速值，r为烧杯30的横截面半径。

在本发明中假设：

a.分散均匀的磁流变液颗粒与载液没有密度差，即视为同一种物质；

b.磁流变液在烧杯中的角速度相同，即磁流变液的线速度沿半径方向呈线性增加。

因而当磁流变液由于搅拌桨21的作用最终达到与电机22转速一致时，基于上述假设a、b，其可用刚体旋转运动的动能加以描述，如下式6)-8)：

$E_k=\frac{1}{2}{\mathrm{jw}}^2---6)$

$j=\frac{1}{2}{\mathrm{mr}}^2---7)$

w＝2πn8)

式6)-8)中，E_k为物体动能，j为物体转动惯量，w为物体旋转角速度，r为烧杯横截面半径，n为物体转速，m为物体质量。

由此，基于上式6)-8)可得到上式5)。

故而，基于上式2)、5)以及公式(W-E_k)/m便可得到磁流变液再分散性的最终表达公式，如下式9)所示：

$Rd=(W-E_k)/m=({\∫}_0^T\frac{M\left(t\right)n\left(t\right)}{9550}dt-{\mathrm{mr}}^{2}n{\left(T\right)}^2{\mathrm{\π}}^2)/m---9)$

式9)中，Rd表示磁流变液的再分散性。

本发明方法对磁流变液的再分散性进行定量测试的测试原理为：

根据对2013年由中国机械工业联合会提出有关MRF行业标准制定的草案对磁流变液再分散性所做定性评价的测试方法的规定“将磁流变液装入密闭容器中，在室温环境静置6个月后，用金属或玻璃搅拌棒慢慢搅动磁流变液，根据沉降层的松软程度或再分散的难易程度判别其再分散性。”来分析，搅拌磁流变液实际上是将磁流变液由沉淀状态分散至均匀状态，本质上是人做功的过程，但人主观感觉搅拌磁流变液的难易程度就是人对自己做功多少的感觉，因而只能定性分析，不能量化。

但由上述规定可以看出，对磁流变液再分散性进行量化的关键就在于得到均匀分散磁流变液所做的功。因此本发明方法采用电机带动搅拌桨对一定量的磁流变液做功，使磁流变液实现均匀分散，并且可以看到，以计算出的在使磁流变液均匀分散的过程中电机所做功的多少作为磁流变液的量化评价指标是合理的。

然而电机所做功不能直接测量得到，因此需要通过测量设定的时间段T内电机的转速和扭矩来得到电机功率，再对功率针对此时间段T进行积分来得到此时间段T内电机所做的功，也就是经由上式3)、4)得到上式2)。

此外，由于磁流变液再分散性描述的是磁流变液的一种性能，与其自身动能没有关系，而电机22旋转使磁流变液获得动能，因而最终的再分散性结果应减去磁流变液的动能(参见式5))。

从而最终通过质量单位化来得到可以真实、合理、准确地定量反映磁流变液再分散性的公式9)。

基于上述本发明方法，本发明还提出了一种磁流变液再分散性定量测试装置，如图2所示，该磁流变液再分散性定量测试装置包括电机22，电机22的输出轴上安装有用于搅拌烧杯30内磁流变液10的搅拌桨21以及以频率信号形式来采集电机22转速和扭矩的动态扭矩传感器23，动态扭矩传感器23经由F/V转换器24与计算机25连接。

在使用时，开启电机22，电机22带动搅拌桨21搅拌烧杯30内的磁流变液10，在搅拌过程中，动态扭矩传感器23以频率形式采集电机22的扭矩和转速，然后将采集到的频率信号(高频信号)传送给F/V转换器24，由F/V转换器24将频率信号转换为代表电机扭矩和转速的模拟电压信号后传送给计算机25，由计算机25对电机22所做功、搅拌结束时磁流变液动能、磁流变液再分散性进行计算。

在实际中，计算机25内可装有数据采集卡。

在实际中，本发明磁流变液再分散性定量测试装置还可包括用于固定烧杯30的支架。

在本发明装置中，搅拌桨21、动态扭矩传感器23、F/V转换器24等均为本领域的已有器件，故其具体构成不再描述。

下面表1给出了基于本发明方法和装置对3种磁流变液进行再分散性测试的结果。

表1

由上表可以看出，磁流变液的再分散性与载液黏度、颗粒质量分数有关。载液黏度越大，磁流变液的再分散性越差。颗粒质量分数越大，磁流变液的再分散性越差。

在实际中，磁流变液中可加入适量可以改善磁流变液再分散性的添加剂。假设上述3种磁流变液若添加添加剂的话，所添加的添加剂应相同。

若不采用本发明方法，而是采取人工搅拌的方式对上述3种磁流变液按照草案中对磁流变液再分散性做定性评价的测试方法的规定来进行搅拌，则可以感觉到磁流变液MRF_1与MRF_2的搅拌难易程度类似，但明显大于磁流变液MRF_3。但从磁流变液的组成来看，磁流变液MRF_1的再分散性应比磁流变液MRF_2的再分散性要差，但人主观感觉不出明显分别，然而通过本发明方法得到的测试结果便能准确反映出磁流变液MRF_1的再分散性比磁流变液MRF_2的再分散性要差一些，而磁流变液MRF_3的再分散性明显比磁流变液MRF_1和磁流变液MRF_2的再分散性要好得多。

由上可以看出，用本发明方法对磁流变液的再分散性进行量化评价是合理的、准确的，是具有实际价值的。

另一方面，从表1可以看到，磁流变液MRF_1与MRF_2的再分散性之差的绝对值要小于磁流变液MRF_2与MRF_3的再分散性之差的绝对值，从这一点可以揭示出磁流变液再分散性影响因素的权重，即颗粒质量分数对磁流变液再分散性的影响要大于载液黏度对磁流变液再分散性的影响。

在本领域中，磁流变液是微小软磁性颗粒与非导磁性载液混合而成的悬浮体。

本发明的优点是：

1)从无到有，本发明方法给出了对磁流变液的再分散性进行量化评价的具体测试过程，解决了目前业界在磁流变液再分散性量化评价方面的缺失，且排除了人主观感觉所造成的误判，对完善磁流变液性能评价有着重要的意义，极大推动了行业的发展。

2)本发明方法仅在磁流变液质量、烧杯横截面半径测量方面需要人工参与，其它均为计算机自动完成，测试过程自动化程度高，极大减少了人工操作带来的误差，确保了所得再分散性定量评价结果的准确性。

3)本发明方法所得再分散性定量评价结果精度高，可依据量化数值来区分不同磁流变液再分散性的微小差异，对磁流变液再分散性的定量评价具有重要意义。

4)本发明磁流变液再分散性定量测试方法基于本发明定量测试装置可有效完成对磁流变液再分散性的定量评价，本发明定量测试装置结构简单，成本低，便于生产与维护。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁流变液再分散性定量测试方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)称量计算出装入烧杯内的待测磁流变液的质量m；

2)使用电机带动搅拌桨对烧杯内的磁流变液进行旋转搅拌；

3)从搅拌起始零时刻起至搅拌结束时刻T为止，实时采集电机的转速和扭矩，其中，在搅拌结束时刻T，磁流变液的转速达到与电机的转速相一致；

4)基于步骤3)中在从搅拌起始零时刻起至搅拌结束时刻T为止的时间段内采集的电机转速和扭矩，计算出电机在从搅拌起始零时刻起至搅拌结束时刻T为止的时间段内所做的功W以及搅拌结束时刻T时磁流变液的动能E_k；

5)基于公式(W-E_k)/m计算得到用于定量评价的磁流变液再分散性Rd。

2.如权利要求1所述的磁流变液再分散性定量测试方法，其特征在于：

所述步骤1)具体包括：

1-1)称量所述烧杯质量m_c；

1-2)将磁流变液装入所述烧杯，室温条件下静置6个月后称量所述烧杯及其内磁流变液的总质量m_a；

1-3)通过公式m＝m_a-m_c计算得到所述烧杯内待测磁流变液的质量m。

3.如权利要求1所述的磁流变液再分散性定量测试方法，其特征在于：

在所述步骤2)中：所述烧杯内装入的磁流变液的体积占所述烧杯容量的2/3左右；所述搅拌桨位于磁流变液液面下方大约为磁流变液深度一半的位置处，所述搅拌桨的轴线垂直于磁流变液液面且轴心与所述烧杯横截面圆心重合。

4.如权利要求1所述的磁流变液再分散性定量测试方法，其特征在于：

在所述步骤3)中，当所述电机的扭矩变化率ΔM达到扭矩变化率阈值c时，认为磁流变液的转速达到与所述电机的转速相一致。

5.如权利要求4所述的磁流变液再分散性定量测试方法，其特征在于：

所述电机的扭矩变化率ΔM经由下式求出：

$\mathrm{\ΔM}=\frac{M(t-\mathrm{\Δt})-M\left(t\right)}{M\left(t\right)}$

上式中，M(t)为t时刻采集的电机扭矩值，Δt为采集间隔时间。

6.如权利要求4或5所述的磁流变液再分散性定量测试方法，其特征在于：

所述扭矩变化率阈值c为5％。

7.如权利要求1所述的磁流变液再分散性定量测试方法，其特征在于：

在所述步骤4)中，所述电机在从搅拌起始零时刻起至搅拌结束时刻T为止的时间段内所做的功W由下式求出：

$W={\∫}_0^T\frac{M\left(t\right)n\left(t\right)}{9550}\mathrm{dt}$

上式中，M(t)为t时刻采集的电机扭矩值，n(t)为t时刻采集的电机转速值。

8.如权利要求1所述的磁流变液再分散性定量测试方法，其特征在于：

在所述步骤4)中，搅拌结束时刻T时磁流变液的动能E_k由下式求出：

E_k＝mr²n(T)²π²

上式中，n(T)为搅拌结束时刻T采集的电机转速值，r为所述烧杯的横截面半径。