CN107421848A - 磁流变液在超声近场和可调磁场作用下的双圆筒剪切特性测试平台 - Google Patents

Abstract

一种磁流变液在超声近场和无级可调磁场作用下的双圆筒剪切特性测试平台,它将电机作为动力源、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：转子组件、定子组件及磁场发生组件。定子输出端薄壁圆筒插入转子和导磁环中间的环形槽，由此构成双圆筒型磁流变液剪切腔。隔磁板位于剪切腔底部，将转子和导磁环连接。连接轴带动转子、隔磁板和导磁板等一起转动，对腔中的磁流变液实施剪切。超声发生组件利用超声换能器纵振对容腔中磁流变液施加超声场。励磁线圈产生的磁感线穿透过磁流变液剪切腔并且依次经过定子输出端、转子、轴承杯、下导磁板、导磁套和导磁环形成回路。本发明具有结构简单紧凑，工作效果好的优点。

Description

磁流变液在超声近场和可调磁场作用下的双圆筒剪切特性测 试平台

技术领域

本发明涉及磁流变液材料性能检测技术，尤其是一种双作用条件下的磁流变液性能检测技术，具体地说是一种磁流变液在超声近场和可调磁场作用下的双圆筒剪切特性测试平台。

背景技术

距离超声波辐射面很近的位置会产生较强的声辐射力，通过声辐射力可来操控颗粒的位置、排列颗粒的顺序。超声对微纳颗粒的操控应用与其他众多诸如超声空化这样的物理效益一样，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智能材料，其物理状态和流变特性伺服于外加磁场：在零磁场下其表现出牛顿流体特性；在磁场作用下，呈现出类固体力学高粘度、低流动性的特征，且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度存在关系。磁流变液还具有响应快（毫秒级）、连续可调、能耗低等优良特点。很多学者在磁流变液理论领域已经取得了很多成就，但都是集中于磁流变液在磁场和温度场下的剪切流变特性。

随着磁流变液应用的越来越广泛，在不同的领域有着不同的性能要求，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。由于磁流变液是由微米级的软磁材料颗粒分散于载液所形成的悬浮液，所以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圆筒型剪切模式可靠且结构简单，发明人选择向磁流变液施加超声近场，但目前并没有多种形态超声场和磁场耦合下的磁流变双圆筒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近场作用下的双筒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缺少磁流变液在超声近场作用下剪切特性测试手段而无法获得相应的技术参数的问题，设计一种能够同时向磁流变液施加不同强度超声场和磁场，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在超声近场作用下的双筒型剪切特性测试平台。

本发明中的技术方案是：

一种磁流变液在超声近场和无级可调磁场作用下的双圆筒剪切特性测试平台，其特征在于：它包括平台驱动部件、平台工作部件以及相配套的力矩检测装置、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，扭矩传感器测试电机输出扭矩，中空型光电编码器测试连接轴输出的转速，电机驱动器可对电机转速进行调节，以实现磁流变液的剪切率无级可调。平台工作部件立于驱动部件之上并与之相连，平台工作部件包括转子、超声发生和磁场发生三个核心组件。转子组件包括：连接轴、转子、导磁环、隔磁板、密封盖。转子和导磁环由高磁导率的电工纯铁材料制得，定子输出端薄壁圆筒结构由钢制得并插入前两者中间并且其插入深度可通过垫片调节，各距两者一定距离，导磁环、定子输出端和密封盖三者构成双圆筒型磁流变液剪切腔。由黄铜材料制得的隔磁板位于剪切腔底部，将转子和导磁环先粘接后通过螺栓在一起以保证剪切腔的底部密封性。铝制的连接轴与转子采用螺纹连接，并且垫入铜质垫片以压紧轴承，连接轴带动转子、隔磁板和导磁环一起旋转，从而对腔中的磁流变液实施双边剪切，为了保证连接的可靠性，转子转动的方向应与其上内螺纹的旋向相反。在剪切腔内侧设有磁流变液补给腔，对磁流变液在旋转过程中因惯性的而分布不均进行补给，同时还增加了散热空间。在剪切腔上部盖有两塑料密封盖，分别距离定子输出端圆筒结构适当距离，避免磁流变液在旋转过程中液滴飞溅且避免干扰定子振动模态。在密封盖和定子上设有磁流变液加注孔，注射器将磁流变液注射入补给腔后流入剪切腔。基于超声换能器的超声发生组件包括：超声换能器和定子输出端圆筒结构；换能器的纵振激发输出端振动从而对容腔中磁流变液施加超声场，声场强度可通过激励信号电压大小无级调控。在磁场发生组件中，线圈和其尼龙骨架装配在轴承杯外圆上，而轴承杯与下导磁板通过螺钉紧固，隔磁板由高磁阻的黄铜制得，励磁线圈产生的磁感线穿透过磁流变液剪切腔并且依次经过定子输出端圆筒、转子、轴承杯、下导磁板、导磁套和导磁环形成回路，定子输出端圆筒由钢制得；转子、轴承杯、下导磁板、导磁套和导磁环均由高磁导率的电工纯铁制得，连接轴由铝制得，整个回路中除了留有静止件和回转件的间隙外均保证紧密连接以减小磁阻和磁漏，磁流变液容腔中的磁场强度也可通过调节电流的大小而无级调控。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。

具体使用时，可先用注射器将一定量的磁流变液注射于补给腔中，将换能器通电激励定子振动，对剪切腔施加超声场。再将线圈通电并且缓慢增加线圈中的电流，此时开始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。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：

为磁流变液的剪切应力；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；为磁力变液的粘度，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以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，工作效果好，电机、扭矩传感器和光电编码器也是实验室设备，容易获得。

附图说明

图1是本发明的测试平台结构示意图。

图2是本发明的工作部件的轴测结构示意图。

图3本发明的定子模态示意图。

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。

如图1和图２所示。

一种磁流变液在超声近场和无级可调磁场作用下的双圆筒剪切特性测试平台，它包括平台驱动部件、平台工作部件以及相配套的可直接从市场购置的力矩检测装置、转速检测装置和磁场检测装置，如图1所示，平台驱动部件利用电机1为动力源，带动扭矩传感器2测试出电机1输出扭矩，再经过光电编码器3测试出连接轴输出的转速，电机驱动器可对电机1转速进行调节，以实现磁流变液的剪切率无级可调。平台工作部件立于驱动部件之上并与之相连，包括转子、超声发生和磁场发生三个核心组件，如图2所示，其中：转子组件包括：连接轴21、转子13、导磁环6、隔磁板14、密封盖11和7。转子13和导磁环6由高磁导率的电工纯铁材料制得，定子输出端9由钢制得并插入前两者中间并且其插入深度可垫片调节，各距两者2毫米，定子输出端9、导磁环6和密封盖11三者构成双圆筒型磁流变液剪切腔。由黄铜材料制得的隔磁板14位于剪切腔底部，将转子13和导磁环6先粘接后通过螺栓在一起以保证剪切腔8的底部密封性。铝制的连接轴21与转子13采用螺纹连接，并且垫入铜质垫片20以压紧轴承，连接轴21带动转子13、隔磁板14和导磁环6一起旋转，从而对腔中的磁流变液实施双边剪切，为了保证连接的可靠性，转子13转动的方向应与其上内螺纹的旋向相反。在剪切腔8内侧设计有磁流变液补给腔12，对磁流变液在旋转过程中由于惯性的而分布不均进行补给，同时还增加了散热空间。在剪切腔8上部盖有两塑料密封盖11、7，分别距离定子输出端9 为0.5毫米，以防磁流变液在旋转过程中被甩飞且避免干扰定子9振动模态。在密封盖11和定子输出端9上设计有磁流变液加注孔10，注射器将磁流变液注射入补给腔12后流入剪切腔8。超声发生组件包括：超声换能器4和定子输出端9；换能器4的纵振激发定子薄壁圆筒输出端9的纵振或者其他不同形态的振动从而对容腔8中磁流变液施加超声场，声场强度可通过激励信号电压大小无级调控。在磁场发生组件中，线圈15和其尼龙骨架16装配在轴承杯18外圆上，而轴承杯18与下导磁板17通过螺钉紧固，隔磁板14由高磁阻的黄铜制得，迫使线圈15产生的磁感线5穿透过磁流变液剪切腔8并且依次经过定子输出端9、转子13、轴承杯18、下导磁板17、导磁套19和导磁环6形成回路，定子输出端9由钢制得，转子13、轴承杯18、下导磁板17、导磁套19和导磁环6均由高磁导率的电工纯铁制得，整个回路中除了留有静止件和回转件的间隙外均保证紧密连接以减小磁阻和磁漏，磁流变液剪切腔8中的磁场强度也可通过调节电流的大小而无级调控。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。

具体实施时，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15、换能器驱动器4、光电编码器3、扭矩传感器2的数据采集卡和电机1的驱动器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。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种磁流变液在超声近场和可调磁场作用下的双圆筒剪切特性测试平台，其特征在于它包括：

一平台驱动部件，该平台驱动部件利用电机作为动力源，输出旋转运动；扭矩传感器测试电机的扭矩，中空光电编码器测试电机的转速；同时利用电机驱动器对电机的转速进行调节，以实现磁流变液的剪切率可调；

一平台工作部件，该平台工作部件与驱动部件相连，平台工作部件包括转子、超声发生和磁场发生三个核心组件；转子组件包括：连接轴、转子、导磁环、隔磁板和密封盖，双圆筒型磁流变液剪切腔通过薄壁圆筒型定子插入转子和导磁环之间，隔磁板贴于磁流变液剪切腔底部且将转子和导磁环连接在一起，连接轴带动转子、隔磁板和导磁环三者一同旋转，以此对腔中的磁流变液实施剪切；超声发生组件利用超声换能器纵振对容腔中磁流变液施加超声场；励磁发生组件中的励磁线圈产生的磁感线穿透过磁流变液剪切腔并且依次经过定子、转子、轴承杯、下导磁板、导磁套和导磁环形成回路；通过力矩检测装置、转速检测装置和磁场检测装置，分别实现转子圆筒的转动力矩、转速、磁场强度的检测，通过计算机数据处理系统得到磁流变液剪切应力、剪切变率和磁场强度数据，进而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，并能绘制出转动力矩和转速关系曲线。

2.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，在磁流变液剪切腔上部盖有两塑料密封盖，分别距离定子设定距离，避免磁流变液在旋转过程液滴飞溅且避免干扰定子输出端圆筒的振动模态。

3.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，在磁流变液剪切腔内侧设有磁流变液补给腔，以存储添加多余下的磁流变液，置于内侧可防止磁流变液由于旋转惯性而分布不均，定子和密封盖上留有磁流变液加注孔，能通过注射器将磁流变液注射入补给腔再流入磁流变液剪切腔。

4.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轴承杯外圆上，而轴承杯与下导磁板通过螺钉紧固，隔磁套由高磁阻的黄铜制得，励磁线圈产生的磁感线穿透过磁流变液剪切腔并且依次经过定子、转子、轴承杯、下导磁板、导磁套和导磁环形成回路，定子输出端薄壁圆筒结构由钢制得；转子、轴承杯、下导磁板、导磁套和导磁环均有高磁导率的电工纯铁制得，连接轴由铝制得，整个回路中除了留有静止件和回转件的间隙外均保证紧密连接以减小磁阻和磁漏。

5.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，对超声换能器通入不同频率的激励信号能得到不同形态的定子模态，依此可向磁流变液施加不同形态的超声场。

6.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，磁流变液剪切腔中的磁场强度和超声场强度能通过调节相应电流或电压的大小而无级可调。

7.一种权利要求1所述的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。