CN107144495A - 磁流变液在超声近场和无级可调磁场作用下圆环型剪切特性测试平台 - Google Patents

Abstract

一种磁流变液在超声近场和可调磁场作用下圆环型剪切特性测试平台,其特征是它利用电机作为动力源、扭矩传感器测试扭矩、光电编码器测试转速。主要工作部件包括定子、转子和磁场发生三个核心组件：定子与止动组件连接，上表面贴压电陶瓷，通电振动向磁流变液辐射超声场；连接轴与转子相连接带动整个组件转动，对磁流变液施加剪切；磁场发生组件产生磁感线依次经过上导磁板、定转子组件、磁流变液、下导磁板和导磁套形成回路。磁流变液容腔中的磁场强度和超声场强度可通过调节相应电流或电压的大小而无级可调。本平台可测试超声场及磁场耦合作用下的磁流变液剪切性能，且结构简单紧凑，测试效果好，可大规模应用于多场耦合下的磁流变液机理研究。

Description

磁流变液在超声近场和无级可调磁场作用下圆环型剪切特性 测试平台

技术领域

本发明涉及磁流变液材料性能检测技术，尤其是涉及不同形态的超声近场和磁场耦合下的磁流变液圆环型剪切性能检测技术，具体地说是一种磁流变液在超声近场和无级可调磁场作用下圆环型剪切特性测试平台。

背景技术

超声波是一种振动频率在超声频段的机械波。在距离这种机械波辐射面很近的位置会产生较强的声辐射力，通过声辐射力的变化可来操控颗粒的位置，达到微观颗粒操控的目的。当然，超声也有其他众多诸如超声空化这样的物理效益，这是多年来超声领域研究的重点之一。

磁流变液是一种流变特性可控的新型智能材料，其物理状态和流变特性能伺服于外加磁场：在零磁场作用下其表现出牛顿流体特性；而在磁场作用下，则能快速响应(毫秒级)呈现出高粘度、低流动性的类固体力学特征，并且磁流变液流变剪切屈服强度与磁场强度存在稳定关系。磁流变液理论领域已经取得了很多成果，但都是集中于磁流变液在磁场和温度场下的各种剪切模式特性以及测试磁流变液的性能参数。

随着磁流变液的广泛应用，在不同的领域有着不同性能要求。由于磁流变液粘度随磁场增加的响应极快，但是在某些应用要求磁流变液粘度可精确调控并且调控更加广泛。在现有超声近场对微观颗粒研究的基础上以及考虑到磁流变液剪切模式应用的广泛性，发明人向磁流变液施加超声场，但目前并没有多种形态超声场和磁场耦合下的磁流变圆环型剪切效应的测试设备与装置。

故发明人考虑到该技术领域空白以及成本、直观性和高效便捷性，设计了磁流变液在超声场作用下的圆环型剪切特性测试平台，可大规模应用于多场耦合下的磁流变液机理研究。

发明内容

本发明的目的是针对目前因缺少磁流变液在超声和磁场作用下剪切特性检测装置而不能充分了解磁流变液性能特征的问题，设计一种能够同时向磁流变液施加不同强度行波、驻波超声场和磁场，并且可检测在不同强度超声场和不同强度磁场耦合作用或者单个场分别作用下的磁流变液圆环型剪切特性测试平台。

本发明中的技术方案：

一种磁流变液在超声近场和无级可调磁场作用下圆环型剪切特性测试平台，其特征在于：平台驱动部件利用电机为动力源，通过联轴器带动扭矩传感器测试出电机输出扭矩，再连接上连接轴穿过中空型光电编码器测试出输出转速，整个部件虽采用立式结构，但重心偏下较稳定。平台工作部件包括定子、转子和磁场发生三个核心组件：定子由磷青铜材料制得，下表面镶嵌入上导磁环以减少磁路磁阻。压电陶瓷贴于定子上表面，压电陶瓷贴上表面贴有导电膜，压电陶瓷通电以激励定子的面外振动模态，使上导磁环下表面(即声辐射面)对转子容腔中的磁流变液辐射超声场，且通单相和两相正交电压可分别辐射驻波和行波型的超声场。定子转轴根部位置设计有结构孔，使得所需要的面外振动模态与其他振动模态尽可能的分离，避免模态干扰。定子与止动轴连接，以通过止动板和止动螺钉防止定子组件转动，定子下轴头安装有滚动轴承，轴承嵌入转子中以保证剪切稳定性。转子外圆安装轴承，其下端轴头与连接轴相连接，整个转子组件在隔磁套中自由转动，从而对磁流变液施加剪切运动。在转子磁流变液容腔的底部嵌入下导磁环以减少磁路磁阻，在磁流变液容腔内侧设计有磁流变液补给腔，用于存储多余的磁流变液，置于内侧可避免磁流变液因转子旋转惯性而分布不均。在磁流变液容腔外侧设计有十字型布置的螺纹孔便于添加磁流变液，径向螺纹孔可插入高斯计的探针，测试时则用螺钉胶接堵死密封，轴向螺纹孔在添加完磁流变液后用螺钉拧紧。磁流变液容腔环槽与上导磁环以及上下导磁板的凸环在径向位置上对齐，转子由低磁导率的黄铜材料制得，避免磁流变液容腔中的磁场分布不均。定转子之间留有一定大小的间隙防止转子卡死的同时，也可使磁流变液透气散热并能保持一定的磁流变液密封性。在磁场发生组件中，线圈和其尼龙耐热骨架装配在隔磁套外圆上，而隔磁套与下导磁板通过螺钉紧固。隔磁套由低磁导率的黄铜制得，这使线圈产生的磁感线依次经过上导磁板、定转子组件、磁流变液、下导磁板和导磁套形成回路，上下导磁板、上下导磁环和导磁套均有磁导率很高的电工纯铁制得。整个回路中除了留有压电陶瓷导电膜焊点高度和回转间隙外均保持紧密连接以减小磁阻和磁漏，磁流变液容腔中的磁场强度和超声场强度及形态并可通过调节相应电流或电压而调整，整个工作部件通过支撑套立于平台驱动部件之上并与之相连。

本平台使用时，先用注射器将一定量的磁流变液材料注射于磁流变液容腔中，然后依次拧上堵塞螺钉和导磁螺钉，接通压电陶瓷驱动信号，此时定子振动，上导磁环下表面作为声辐射面向磁流变液施加超声场。再将线圈通电并且缓慢增加线圈中的电流，向磁流变液施加磁场，最后打开电机驱动器开关，从而实施剪切运动。通过调节施加的电压或者电流信号分别调节超声场和磁场的强度，记录下电机扭矩和转速的数据，根据磁流变液的Bingham模型本构方程：

τ＝τ_y+η·γ

τ为磁流变液的剪切应力；τ_y为磁流变液的屈服应力，为磁流变液的屈服强度，由磁流变液的性能和加在磁流变液上的磁场强度决定；η为磁力变液的粘度，γ为磁流变液的剪应变率。剪切应力和剪切变率均可分别由扭矩和转速表征而得，屈服应力与磁场强度存在关系。据此，保持同一剪切变率(即保证转速不变)，可以在不同超声形态及强度下对比转矩的变化，间接可以反映出超声场对磁流变液的影响。

本发明的有益效果是：

本发明可以检测出不同形态超声近场对磁流变液效应的影响，同时采用线圈和磁轭施加无级可调磁场。

本发明结构简单，易于实现，所使用的电机、扭矩传感器和光电编码器也是实验室常用设备，容易获得，故成本不高，便于实验室应用。

附图说明

图1是本发明的测试系统示意图。

图2是本发明的定转子三分之一剖面轴测示意图。

图3是本发明的定子模态图。

图4是本发明的定转子能量传导图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示。

一种磁流变液在超声近场和无级可调磁场作用下圆环型剪切特性测试平台，它包括平台驱动部件、平台工作部件、力矩检测装置、转速检测装置和磁场检测装置，平台驱动部件利用电机1为动力源，通过联轴器2带动扭矩传感器3测试出电机1输出扭矩，再连接上连接轴6穿过光电编码器5测试出输出转速，整个部件虽采用立式结构，但重心偏下较稳定。平台工作部件包括定子23、转子7 和磁场发生(线圈13)三个核心组件：定子23由磷青铜材料制得，定子23下表面镶嵌入上导磁环19以减少磁路磁阻。压电陶瓷24贴于定子23上表面，压电陶瓷24上表面贴有导电膜，压电陶瓷24通电激励定子23的面外振动模态，从而使上导磁环19下表面(即声辐射面)对转子容腔17中的磁流变液辐射超声场，且通单相和两相正交电压可分别辐射驻波和行波型的超声场。定子23转轴根部位置设计有结构孔29，使得所需要的面外模态(如图3)与其他振动模态尽可能的分离，定子23上端头与止动轴20连接，以通过止动板21和止动螺钉22 防止定子组件转动。定子23下端轴上外圆安装有滚动轴承，其嵌入转子7中以保证剪切稳定性。转子7外圆安装轴承9，其下端轴头与连接轴6相连接，整个转子7组件在隔磁套26中自由转动，从而对磁流变液施加剪切运动。在转子7 磁流变液容腔的底部嵌入下导磁环8以减少磁路磁阻，在磁流变液容腔内侧设计有磁流变液补给腔30，以存储添加多余下的磁流变液，置于内侧可防止磁流变液因转子旋转惯性而分布不均。在磁流变液容腔外侧设计有十字型布置的螺纹孔以便于添加磁流变液，径向螺纹孔可插入高斯计的探针，测试时则用螺钉25胶接堵死密封。轴向螺纹孔在添加完磁流变液后用螺钉28拧紧，磁流变液容腔环槽与上导磁环19以及上下导磁板15、11的凸环在径向位置上对齐，转子7由高磁阻的黄铜材料制得使得磁流变液容腔17中的磁场分布均匀。定子23、转子7 之间留有一定大小的间隙防止转子7卡死的同时可使磁流变液透气散热并能保持一定的磁流变液密封性。在磁场发生组件中，线圈13和其尼龙耐热骨架27 装配在隔磁套26上，而隔磁套26与下导磁板15通过螺钉紧固。隔磁套26由高磁阻的黄铜制得，这使线圈13产生的磁感线16依次经过上导磁板15、定转子组件、磁流变液、下导磁板11和导磁套12形成回路。上下导磁板、上下导磁环和导磁套12均有磁导率很高的电工纯铁制得，整个回路中除了留有压电陶瓷24上导电膜焊点高度和回转间隙外均保持紧密连接以减小磁阻和磁漏，磁流变液容腔中的磁场强度和超声场强度及形态可通过调节相应电流而调节，整个工作部件通过支撑套立于平台驱动部件之上并与之相连。

实施时，整个工作部件可视为基于超声场和磁场耦合下的阻尼器或者作动器，并且将其嵌入其他系统中，这一点也在权利保护范围之内。另外，具体实施时，线圈、压电陶瓷驱动器、光电编码器、扭矩传感器的数据采集卡和电机的驱动驱动和控制器可以集成在系统中，通过USB接口直接与计算机相连，并开发控制软件以便可以控制向磁流变液施加的超声场和磁场的强度，仍然纳入本发明保护范围内。

Claims (9)

1.一种磁流变液在超声近场和无级可调磁场作用下圆环型剪切特性测试平台，其特征在于：它包括平台驱动部件、平台工作部件、力矩检测装置、转速检测装置和磁场检测装置，平台驱动部件利用电机为动力源，通过联轴器带动扭矩传感器测试出电机输出扭矩，再连接上连接轴穿过中空型光电编码器测试出输出转速，；平台工作部件包括定子、转子和磁场发生三个核心组件，压电陶瓷贴于定子上表面，压电陶瓷通电激励定子的面外振动模态，从而使上导磁环下表面对转子容腔中的磁流变液辐射超声场，且通单相和两相正交电压能分别辐射驻波和行波型的超声场；连接轴与转子相连接驱动整个转子组件在隔磁套中自由转动，对磁流变液施加剪切；磁场发生组件装配在隔磁套上，励磁线圈产生的磁感线经过上导磁板、定转子组件、磁流变液、下导磁板和导磁套形成回路，对磁流变液施加磁场；力矩检测装置、转速检测装置和磁场检测装置分别用于检测转子圆筒的转动力矩、转速、磁场强度三个物理量，三路测试信号接入计算机数据处理系统，得到的磁流变液剪切应力、剪切变率、磁场强度数据表征出磁流变液超声场及磁场耦合作用下的磁流变液剪切的流变特性，据此能绘制出在不同超声场和磁场强度下磁流变液剪切应力与剪切变率关系曲线。

2.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，定子转轴根部位置钻有结构孔，使得所需要的面外模态避免其他模态干扰，定子与止动轴连接，通过止动板和止动螺钉防止定子组件转动。

3.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，在磁流变液容腔内侧设计有磁流变液补给腔，用于存储多余的磁流变液，置于内侧可避免磁流变液因旋转惯性导致分布不均；在磁流变液容腔外侧设计有十字螺纹孔用于添加磁流变液，径向螺纹孔可用于插入高斯计的探针，工作时则用螺钉胶接堵死，轴向螺纹孔在完成添加磁流变液后用螺钉拧紧；磁流变液容腔环槽与上导磁环以及上下导磁板的凸环在径向上对齐，转子由黄铜高磁阻材料制得以避免磁流变液容腔中磁场分布不均。

4.根据权利要求3所述的测试平台，其特征在于，上导磁板上的螺纹孔与转子上磁流变液添加螺纹孔对齐，方便磁流变液的添加，添加后用导磁螺钉拧上，避免干扰磁感线分布。

5.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，在磁场发生组件中，励磁线圈和其尼龙骨架装配在隔磁套外圆上，而隔磁套和下导磁板通过螺钉紧固；隔磁套由低磁导率的黄铜制得，这使励磁线圈产生的磁感线依次经过上导磁板、定转子组件、磁流变液、下导磁板和导磁套形成回路，上下导磁板、上下导磁环和导磁套均由高磁导率的电工纯铁制得，整个电磁回路中除了留有必要焊点高度和回转间隙外均保证紧密连接以减小磁阻和磁漏。

6.根据权利要求5所述的测试平台，其特征在于，线圈骨架为尼龙制品，尼龙材料具有较高的耐热性；线圈也可采用无骨架线圈，以保证良好的热传递效果。

7.根据权利要求1所述的线圈骨架，其特征在于，将压电陶瓷通单相电，对磁流变液辐射驻波超声场，或将压电陶瓷通两相正交电压，此时对磁流变液辐射的是行波超声场；以进行磁流变液在不同形态超声场作用下的圆环型剪切特性测试。

8.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，磁流变液容腔中的磁场强度和超声场强度能通过调节电流和电压的大小而无级可调；磁流变液的剪切变率能通过电机驱动器进行调节。

9.一种权利要求所述的磁流变液在超声近场和无级可调磁场作用下圆环型剪切特性测试平台作为基于超声场和磁场耦合下的阻尼器或者作动器，并且将其嵌入其他系统中。