CN108196209B - 一种磁流变液特性测试仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁流变液特性测试仪，包括机架装置、传动装置、提升装置、剪切装置以及控制测量装置，通过主电机提供旋转需要的扭矩和转速，直接连接的动态扭矩传感器；上剪切圆盘将剪切屈服应力通过上磁芯传递给扭矩传感器；提升装置主要是由提升电机和滚珠丝杆组成，其下端的丝杆螺母与传动部分中的电气支架相连接；剪切装置是由磁路、线圈、加热装置以及隔磁密封部件组成。其优点在于结构简单、操作方便、安全性高、功能齐全，测量范围较宽；采用梯形磁路结构，磁路稳定均匀；采用电机提升控制方案，实现自动控制检测；采用多输入加热方式，温度可调可控；采用沙浴加热方式，稳定可靠，可控温度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁流变液特性测试仪，属于磁流变液研究设备技术领域。
背景技术
磁流变液是由微米或者纳米级的磁性颗粒分散在特定液体中形成的一种悬浊液，其主要构成包括磁性颗粒、载液以及各种添加剂。磁流变液主要的工作原理是：在无磁场的作用时，磁流变液的磁性颗粒进行无规则的布朗运动；在施加磁场后磁流变液中的磁性颗粒沿着磁场方向进行聚集成链，整体呈表现非牛顿流体特性的半固体状态；磁场撤离后磁流变液恢复呈牛顿流体特性的悬浊液状态。这种液体转变为半固体再到半固体转变为液体的过程是可控的、可逆的并且在控制过程中能耗很小，适用的温度范围较宽，对环境无污染。
针对目前市场上商用的屈服应力测试仪主要是国外的产品且价格昂贵，国内对于磁流变液屈服应力测试没有一个标准的方法，缺乏系统性，测试不全面，阻碍了磁流变液的进一步研究和磁流变产品的商业化；目前公知的磁流变液特性测试仪受线圈限制，旋转半径较小，因此造成磁流变液的剪切应变率受到限制，无法完成高剪切速率下的测试，且动力部件与剪切部件之间的传动件较多，容易造成传动误差，无法保证测量精度的可靠性；磁流变液测量仪现有的加热方式加热过程缓慢，剪切装置内磁流变液导热不均匀，造成测量结果出现偏差。
发明内容
针对现有技术的不足，现提供一种磁流变液特性测试仪，结构简单、操作方便、测量范围较宽，中间传动件的传动误差小，测量精度高；磁路稳定、磁流变液受热均匀，测量结果可靠。
为实现上述目的，本发明一种磁流变液特性测试仪，包括剪切装置、机架装置、传动装置、提升装置、以及控制测量装置；
剪切装置包括磁路装置和磁流变液，其中磁路装置包括由磁路底板、磁路外壁和磁路上板组成的外壳，设置在外壳内的上磁芯和下磁芯，磁芯的外周设有隔磁环，隔磁环的上端安装有线圈安装支架，线圈套在上磁芯外并置于线圈安装支架上，所述上磁芯的下端具有圆孔腔，腔内设有中导向柱，中导向柱上开有竖直通槽，磁流变液分布在上磁芯和下磁芯之间的缝隙内；
机架装置包括福马轮、支撑底板、法兰轴承、导柱以及支撑顶板，导柱固定在支撑底板和支撑顶板之间，法兰轴承安装在支撑底板上并套装在导柱外；
传动装置包括主电机、扭矩传感器、组合轴承、中间传动轴、法兰盘和连接盘，主电机的输出轴通过联轴器与扭矩传感器相连，扭矩传感器与中间传动轴的上端通过键相连，中间传动轴穿过连接盘并与连接盘通过键相连，中间传动轴的下端与剪切装置中的上磁芯相连；所述主电机固定在主电机支撑板上，扭矩传感器固定在扭矩传感器支撑板上，主电机支撑板和扭矩传感器支撑板分别通过法兰轴承套装在导柱外，且两个支撑板之间通过连接柱支撑限位，所述法兰盘安装在扭矩传感器支撑板的下端，法兰盘与中间传动轴之间通过组合轴承相连；
提升装置包括固定在支撑顶板上端的提升电机以及丝杠螺母，提升电机的输出轴通过联轴器与丝杠相连，与丝杠相互配合的螺母安装在主电机支撑板上；
控制测量装置包括电机控制系统、磁场测试系统以及扭矩转速测试系统。
提升装置中的提升电机根据控制程序启动后带动主电机支撑板以及扭矩传感器支撑板沿着导柱向下移动，从而使传动装置整体下移，连接盘下端连接的上磁芯被导入剪切装置，程序启动主电机后，主电机依次通过扭矩传感器、中间传动轴和连接盘带动上磁芯相对于下磁芯旋转，同时线圈通电产生磁场引起磁流变液产生剪切屈服应力。由于工作介质本身特性，其剪切屈服应力是剪切速率和磁场强度的函数，采用步进电机作为主电机，能够在较大范围内获得需要的扭矩，可控条件下输出需要的转速需求，扭矩传感器可直接测量电机扭矩，避免中间关节造成的误差，保证测试的精度，采用专用组合轴承保证输出轴的稳定性可靠性以及同轴度；导柱保证了传动装置上下滑动的平稳性，法兰轴承作为导向的间接结构，稳定可靠直线误差较小，保证垂直度，采用四立柱式机架结构，稳定可靠，使用福马轮作为支撑和移动工具，整体具有稳定、减震和灵活的特点。
进一步的，所述下磁芯包括下磁芯一和下磁芯二，所述下磁芯二固定在磁路底板上端，下磁芯二上端具有阶梯面，下磁芯一上端具有阶梯孔，所述下磁芯二的上端插入下磁芯一的孔内，中导向柱的横截面为T型，中导向柱的下端插入下磁芯二的盲孔内并与下磁芯二之间设置密封圈；中导向柱的上端固定有上导向柱。
下磁芯一和下磁芯二组成的梯形结构能够有效的使线圈因电磁感应产生的磁场强度分布的更加均匀，因此磁场更加稳定可靠，测试精度更高。
进一步的，上磁芯的下端内腔还具有轴承中套、深沟球轴承和直线轴承，深沟球轴承套装在轴承中套外端并与上磁芯内腔相互配合，直线轴承安装在轴承中套内，直线轴承的内孔尺寸与上导向柱尺寸配合。
直线轴承可稳定准确地将上磁芯导向插入上导向柱，保证在上磁芯旋转运动时的同心稳定性。
进一步的，隔磁环的外侧安装有接近开关支架，接近开关支架上均匀安装有若干接近开关。接近开关用于检测上磁芯是否导入到位，到位后将信号输送至电机控制系统，使主电机启动。
进一步的，连接盘外端安装有滚珠轴承。滚珠轴承可以使连接盘更顺利的导入剪切装置并相对于磁路顶板旋转。
为了进一步提高中间传动轴与法兰盘之间旋转同轴精度，法兰盘与中间传动轴之间的组合轴承包括上下设置的球轴承和直线轴承。
进一步的，磁路底板上端还设有隔沙桶，所述下磁芯二被设在隔沙桶内的沙子中，下磁芯一的底部与隔沙桶上端相连，隔沙桶的沙子内具有若干加热装置。
由于温度对于磁流变液特性影响较大，采用沙浴加热的方式对磁流变液间接加热，温度分布均匀，传递方式直接，升温速度快，从而对不同温度下磁流变液特性进行有效测量。
进一步的，电机控制系统包括主电机的驱动器、提升电机的驱动器、电机控制器以及接近开关；磁场测试系统包括程控电源和高斯计，程控电源与线圈电相连，高斯计设在剪切装置内；扭矩转速测试系统包括与扭矩传感器信号相连的扭矩功率仪。
电机提升和控制部分直接使用PLC作为控制器，对提升相对位置以及主电机的转速控制精确，输出稳定，并且能够使用输入端对位置、转速进行集成以达到自动控制，自动化程度高，稳定可靠有保证，减少中间环节和人为误差；采用程控电源对线圈电流进行控制，方便准确，使用高斯计对磁场进行测量，数据直观，误差较小。
进一步的，控制测量装置还包括温度控制装置，温度控制装置包括温控仪和温度传感器，温度传感器安装在下磁芯一的表面，温度传感器将温度信号输入温控仪，温控仪输出信号至隔沙桶内加热装置。采用多输入的加热方式，使用温控仪对温度进行控制，稳定可靠，测试精度较高。
本发明结构简单、操作方便、测量范围较宽；采用梯形磁路结构，磁路稳定均匀；电机提升控制方案，实现自动控制检测；采用多输入加热方式，温度可调可控；采用沙浴加热方式，稳定可靠，可控温度高。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明剖视图；
图3是图2的左视图；
图4是图2中剪切装置的剖视图；
图5是图4中A处放大示意图；
图6本发明控制测量装置控制流程图。
图中：1、剪切装置；1.1、磁路上板；1.2、磁路外壁；1.3、线圈；1.4、线圈支撑板；1.5、隔磁环；1.6、隔沙桶；1.7、磁路底板；1.8、加热装置；1.9、下磁芯一；1.10、下磁芯二；1.11、密封圈；1.12、中导向柱；1.13、接近开关；1.14、轴承中套；1.15、上磁芯；1.16、直线轴承；1.17、接近开关支架；1.18、上导向柱；1.19、深沟球轴承；1.20、磁流变液；2、机架装置；2.1、福马轮；2.2、支撑底板；2.3、法兰轴承；2.4、导柱；2.5、支撑顶板；3、传动装置；3.1、主电机；3.2、连接柱；3.3、扭矩传感器；3.4、组合轴承；3.5、法兰盘；3.6、滚珠轴承；3.7、连接盘；3.8、中间传动轴；3.9、扭矩传感器支撑板；3.10、主电机支撑板；4、提升装置；4.1、提升电机；4.2、丝杆；4.3、螺母；5、控制测量装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图5所示，一种磁流变液特性测试仪，包括剪切装置1、机架装置2、传动装置3、提升装置4、以及控制测量装置；
剪切装置1包括磁路装置和磁流变液1.20，其中磁路装置包括由磁路底板1.7、磁路外壁1.2和磁路上板1.1组成的外壳，设置在外壳内的上磁芯1.15和下磁芯，磁芯的外周设有隔磁环1.5，隔磁环1.5的上端安装有线圈安装支架1.4，线圈1.3套在上磁芯1.15外并置于线圈安装支架1.4上，所述上磁芯1.15的下端具有圆孔腔，腔内设有中导向柱1.12，中导向柱1.12上开有竖直通槽，磁流变液1.20分布在上磁芯1.15和下磁芯之间的缝隙内；
机架装置2包括福马轮2.1、支撑底板2.2、法兰轴承2.3、导柱2.4以及支撑顶板2.5，导柱2.4固定在支撑底板2.2和支撑顶板2.5之间，法兰轴承2.3安装在支撑底板2.2上并套装在导柱2.4外；
传动装置3包括主电机3.1、扭矩传感器3.3、组合轴承3.4、中间传动轴3.8、法兰盘3.5和连接盘3.7，主电机3.1的输出轴通过联轴器与扭矩传感器3.3相连，扭矩传感器3.3与中间传动轴3.8的上端通过键相连，中间传动轴3.8穿过连接盘3.7并与连接盘通过键相连，中间传动轴3.8的下端与剪切装置中的上磁芯1.15相连；所述主电机3.1固定在主电机支撑板3.10上，扭矩传感器3.3固定在扭矩传感器支撑板3.9上，主电机支撑板3.10和扭矩传感器支撑板3.9分别通过法兰轴承2.3套装在导柱2.4外，且两个支撑板之间通过连接柱3.2支撑限位，所述法兰盘3.5安装在扭矩传感器支撑板3.9的下端，法兰盘3.5与中间传动轴3.8之间通过组合轴承3.4相连；
提升装置4包括固定在支撑顶板2.5上端的提升电机4.1以及丝杠螺母，提升电机4.1的输出轴通过联轴器与丝杠4.2相连，与丝杠4.2相互配合的螺母4.3安装在主电机支撑板3.10上；
控制测量装置5包括电机控制系统、磁场测试系统以及扭矩转速测试系统。
提升装置中的提升电机4.1根据控制程序启动后带动主电机支撑板3.10以及扭矩传感器支撑板3.9沿着导柱2.4向下移动，从而使传动装置3整体下移，连接盘3.7下端连接的上磁芯1.15被导入剪切装置1，程序启动主电机后，主电机3.1依次通过扭矩传感器3.3、中间传动轴3.8和连接盘3.7带动上磁芯1.15相对于下磁芯旋转，同时线圈1.3通电形成对磁流变液的剪切屈服应力，由于工作介质本身特性，其剪切屈服应力是剪切速率和磁场强度的函数，采用步进电机作为主电机3.1，能够在较大范围内获得需要的扭矩，可控条件下输出需要的转速需求，扭矩传感器3.3可直接测量电机扭矩，避免中间关节造成的误差，保证测试的精度，采用专用组合轴承3.4保证输出轴的稳定性可靠性以及同轴度；导柱保证了传动装置3上下滑动的平稳性，法兰轴承2.3作为导向的间接结构，稳定可靠直线误差较小，保证垂直度，采用四立柱式机架结构，稳定可靠，使用福马轮2.1作为支撑和移动工具，整体具有稳定、减震和灵活的特点。
如图4和图5所示，所述下磁芯包括下磁芯一1.9和下磁芯二1.10，所述下磁芯二1.10固定在磁路底板1.7上端，下磁芯二1.10上端具有阶梯面，下磁芯一1.9上端具有阶梯孔，所述下磁芯二1.10的上端插入下磁芯一1.9的孔内，中导向柱1.12的横截面为T型，中导向柱1.12的下端插入下磁芯二1.10的盲孔内并与下磁芯二1.10之间设置密封圈1.11；中导向柱1.12的上端固定有上导向柱1.18。
下磁芯一1.9和下磁芯二1.10组成的梯形结构能够有效的使线圈因电磁感应产生的磁场强度分布的更加均匀，因此磁场更加稳定可靠，测试精度更高。
进一步的，上磁芯1.15的下端内腔还具有轴承中套1.15、深沟球轴承1.19和直线轴承1.16，深沟球轴承1.19套装在轴承中套1.15外端并与上磁芯1.15内腔相互配合，直线轴承1.16安装在轴承中套1.15内，直线轴承1.16的内孔尺寸与上导向柱1.18尺寸配合。
直线轴承1.16可稳定准确地将上磁芯导向插入上导向柱，保证在上磁芯1.15旋转运动时的同心稳定性。
进一步的，隔磁环1.5的外侧安装有接近开关支架1.17，接近开关支架上均匀安装有若干接近开关1.13。接近开关用于检测上磁芯是否导入到位，到位后将信号输送至电机控制系统，使主电机启动。
进一步的，连接盘3.7外端安装有滚珠轴承3.6。滚珠轴承可以使连接盘更顺利的导入剪切装置并相对于磁路顶板旋转。
为了进一步提高中间传动轴与法兰盘之间旋转同轴精度，法兰盘3.5与中间传动轴3.8之间的组合轴承3.4包括上下设置的球轴承和直线轴承。
进一步的，磁路底板1.7上端还设有隔沙桶1.6，所述下磁芯二1.10被设在隔沙桶1.6内的沙子中，下磁芯一1.9的底部与隔沙桶1.6上端相连，隔沙桶1.6的沙子内具有若干加热装置1.8。
由于温度对于磁流变液特性影响较大，采用沙浴加热的方式对磁流变液间接加热，温度分布均匀，传递方式直接，升温速度快，从而对不同温度下磁流变液特性进行有效测量。
进一步的，电机控制系统包括主电机3.1的驱动器、提升电机4.1的驱动器、电机控制器以及接近开关1.13；磁场测试系统包括程控电源和高斯计，程控电源与线圈1.3电相连，高斯计设在剪切装置1内；扭矩转速测试系统包括与扭矩传感器3.3信号相连的扭矩功率仪。
电机提升和控制部分直接使用PLC作为控制器，对提升相对位置以及主电机的转速控制精确，输出稳定，并且能够使用输入端对位置、转速进行集成以达到自动控制，自动化程度高，稳定可靠有保证，减少中间环节和人为误差；采用程控电源对线圈1.3电流进行控制，方便准确，使用高斯计对磁场进行测量，数据直观，误差较小。
进一步的，控制测量装置还包括温度控制装置，温度控制装置包括温控仪和温度传感器，温度传感器安装在下磁芯一1.9的表面，温度传感器将温度信号输入温控仪，温控仪输出信号至隔沙桶内加热装置1.8。采用多输入的加热方式，使用温控仪对温度进行控制，稳定可靠，测试精度较高。
如图1至6所示，本发明系统检测流程如下：
1.开启系统，选测测试控制参数，将磁流变液通过中导向柱上的竖直通槽加入剪切间隙内；
2.启动控制器工作，控制提升电机4.1下降到所需位置；启动温控仪、励磁电源以及高斯计，测试温度场和磁场强度，判定此时温度场磁场是否符合温度和磁场强度需求，当符合测试需要时启动主电机3.1，控制其在所需的转速下工作；
3.通过扭矩传感器3.3测试记录此时的扭矩、转速；
4.相关实验完成后，控制器关闭温控仪、励磁线圈1.3和高斯计，控制提升电机4.1将传动装置3提升到起始高度，取出磁流变液，清理剪切间隙。等待下一次测量。
Claims (8)
1.一种磁流变液特性测试仪，包括剪切装置(1)、机架装置(2)、传动装置(3)、提升装置(4)、以及控制测量装置，其特征在于，
剪切装置(1)包括磁路装置和磁流变液(1.20)，其中磁路装置包括由磁路底板(1.7)、磁路外壁(1.2)和磁路上板(1.1)组成的外壳，设置在外壳内的上磁芯(1.15)和下磁芯，磁芯的外周设有隔磁环(1.5)，隔磁环(1.5)的上端安装有线圈安装支架(1.4)，线圈(1.3)套在上磁芯(1.15)外并置于线圈安装支架(1.4)上，所述上磁芯(1.15)的下端具有圆孔腔，腔内设有中导向柱(1.12)，中导向柱(1.12)上开有竖直通槽，磁流变液(1.20)分布在上磁芯(1.15)和下磁芯之间的缝隙内；
机架装置(2)包括福马轮(2.1)、支撑底板(2.2)、法兰轴承(2.3)、导柱(2.4)以及支撑顶板(2.5)，导柱(2.4)固定在支撑底板(2.2)和支撑顶板(2.5)之间，法兰轴承(2.3)安装在支撑底板(2.2)上并套装在导柱(2.4)外；
传动装置(3)包括主电机(3.1)、扭矩传感器(3.3)、组合轴承(3.4)、中间传动轴(3.8)、法兰盘(3.5)和连接盘(3.7)，主电机(3.1)的输出轴通过联轴器与扭矩传感器(3.3)相连，扭矩传感器(3.3)与中间传动轴(3.8)的上端通过键相连，中间传动轴(3.8)穿过连接盘(3.7)并与连接盘通过键相连，中间传动轴(3.8)的下端与剪切装置中的上磁芯(1.15)相连；所述主电机(3.1)固定在主电机支撑板(3.10)上，扭矩传感器(3.3)固定在扭矩传感器支撑板(3.9)上，主电机支撑板(3.10)和扭矩传感器支撑板(3.9)分别通过法兰轴承(2.3)套装在导柱(2.4)外，且两个支撑板之间通过连接柱(3.2)支撑限位，所述法兰盘(3.5)安装在扭矩传感器支撑板(3.9)的下端，法兰盘(3.5)与中间传动轴(3.8)之间通过组合轴承(3.4)相连；
提升装置(4)包括固定在支撑顶板(2.5)上端的提升电机(4.1)以及丝杠螺母，提升电机(4.1)的输出轴通过联轴器与丝杠(4.2)相连，与丝杠(4.2)相互配合的螺母(4.3)安装在主电机支撑板(3.10)上；
控制测量装置(5)包括电机控制系统、磁场测试系统以及扭矩转速测试系统；
所述下磁芯包括下磁芯一(1.9)和下磁芯二(1.10)，所述下磁芯二(1.10)固定在磁路底板(1.7)上端，下磁芯二(1.10)上端具有阶梯面，下磁芯一(1.9)上端具有阶梯孔，所述下磁芯二(1.10)的上端插入下磁芯一(1.9)的孔内，中导向柱(1.12)的横截面为T型，中导向柱(1.12)的下端插入下磁芯二(1.10)的盲孔内并与下磁芯二(1.10)之间设置密封圈(1.11)；中导向柱(1.12)的上端固定有上导向柱(1.18)。
2.如权利要求1所述的磁流变液特性测试仪，其特征在于，上磁芯(1.15)的下端内腔还具有轴承中套(1.15)、深沟球轴承(1.19)和直线轴承(1.16)，深沟球轴承(1.19)套装在轴承中套(1.15)外端并与上磁芯(1.15)内腔相互配合，直线轴承(1.16)安装在轴承中套(1.15)内，直线轴承(1.16)的内孔尺寸与上导向柱(1.18)尺寸配合。
3.如权利要求2所述的磁流变液特性测试仪，其特征在于，隔磁环(1.5)的外侧安装有接近开关支架(1.17)，接近开关支架上均匀安装有若干接近开关(1.13)。
4.如权利要求3所述的磁流变液特性测试仪，其特征在于，连接盘(3.7)外端安装有滚珠轴承(3.6)。
5.如权利要求4所述的磁流变液特性测试仪，其特征在于，法兰盘(3.5)与中间传动轴(3.8)之间的组合轴承(3.4)包括上下设置的球轴承和直线轴承。
6.如权利要求5所述的磁流变液特性测试仪，其特征在于，磁路底板(1.7)上端还设有隔沙桶(1.6)，所述下磁芯二(1.10)被设在隔沙桶(1.6)内的沙子中，下磁芯一(1.9)的底部与隔沙桶(1.6)上端相连，隔沙桶(1.6)的沙子内具有若干加热装置(1.8)。
7.如权利要求6所述的磁流变液特性测试仪，其特征在于，电机控制系统包括主电机(3.1)的驱动器、提升电机(4.1)的驱动器、电机控制器以及接近开关(1.13)；磁场测试系统包括程控电源和高斯计，程控电源与线圈(1.3)电相连，高斯计设在剪切装置(1)内；扭矩转速测试系统包括与扭矩传感器(3.3)信号相连的扭矩功率仪。
8.如权利要求1至7任一权利要求所述的磁流变液特性测试仪，其特征在于，控制测量装置还包括温度控制装置，温度控制装置包括温控仪和温度传感器，温度传感器安装在下磁芯一(1.9)的表面，温度传感器将温度信号输入温控仪，温控仪输出信号至隔沙桶内加热装置(1.8)。
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