CN1147722C - 磁流变液流变特性的测试系统 - Google Patents
磁流变液流变特性的测试系统Info
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Abstract
本发明涉及磁流变液流变特性的测量设备。它包括导磁回路和盛放磁流变液的容腔及用于测量扭矩的应变片和测量磁场强度的霍尔片。其容腔是由两块导磁材料构成的上、下等径圆盘、下圆盘周边固连的由非导磁材料构成的套环组合构成的桶状密封容器，上圆盘轴与步进电机主轴相接，下圆盘轴上连接有升降机构。在桶状容器近处设置有两个或两个以上、以上下圆盘轴心线对称分布的励磁线圈，霍尔片及应变片分别设置在下圆盘盘面下方和下圆盘轴表面上。本装置磁场分布均匀，R/h比值高，其扭矩测量部位设置在由非导磁材料构成的静止轴上，不会受到磁场力的影响及支承摩擦力矩的影响，提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及磁流变液流变性能的测量设备。
背景技术
磁流变液(magnetorheological fluid；简称MRF)是一种两相或多相体悬浮液，在外部磁场作用下，其物质形态会发生迅速变化，即从液体变成类固体，宏观表现为其流变特性成数量级的改变，例如剪切屈服强度，表观粘性等。这种转变具有可控性、可逆性及响应迅速(仅为毫秒量级)等高技术特征。近年来，磁流变液材料及其应用器件在动力传输系统、航空航天伺服系统、结构振动主动控制、机器人控制系统等现代工业领域中，显示出巨大的应用前景和市场价值。研制者们设计出可受外场控制的离合器、制动闸、减震器、消声器等工程应用器件，正在逐步走向市场。实际使用表明，对磁流变液的流变性质进行准确测试和评估是MR材料设计和应用开发的前提，只有弄清楚各种不同的磁流变液的流变性质，才能根据各种各样的不同的应用需求选用不同特性的磁流变液。
目前对磁流变液流变特性的测试方法及相应的测试系统还处于探讨性研制阶段。国际上现有的测试方法分为直接测量和间接测量两大类。间接测量主要有以下两种：1)平板剪切型，该方法是在磁场中造成MRF平板剪切流来进行测试。通过测量驱动板上的作用力与驱动板的运动速度，间接计算得到MRF屈服应力与应变率的关系。如果不考虑系统中磁场的非均匀性，仅就测试本身而言，存在以下缺点：①需要使用流体力学的平板剪切流的计算模型；②需要采用理论上假定的MR本构模型。如Bingham本构模型。2)管道流模型，该方法是在磁场中形成管道流，通过测量压差ΔP＝P1-P0和MRF流量，从而可推导出MRF的剪切屈服应力。不考虑工艺实现上所存在的问题，仅就测试本身而言，也存在存在以下问题：①依赖于管道流的计算模型，它需首先假定MR在流动中保持均匀流动特性，这个问题已有研究工作指出，管道中的电、磁流变液不一定按均匀流动模型流动。②依赖于MR的本构模型。总之，间接测量从原理上讲是有限制条件的。特别是需要对材料本构关系作出事先假定，这一点往往需由实验测定，因此带有很大近似性，很难作出精准测量。
直接测量是利用流体力学的原理，直接测量磁流变液在磁场中剪切率的空间分布函数。例如文南[R.Blter，H.Janocha，St.Helbrück DESIGN OF MAGNETORHEOLOGICAL FLUIDACTUATORS，5th International Conference on New Actuators’1996]和文献[Ralf.Blterand Hartmut Janocha Design Rules for MR Fluid Actuators in Different WorkingModes，Passive Damping and Isolation，Smart Structures and Materials1997，PROCEESINGS OF SPIE]中均介绍了一种利用磁流变液在桶状容器作为测试模型的方法。这种方法中需要剪切桶有一定的厚度，其结果造成桶内外间隙的平均半径相差较大，使内外侧磁场强度相差也较大。另外从机构来考虑，这样的模型，剪切桶的刚度不高，易产生变形，因此在运行过程中，间隙内的磁场均匀性更加难以保证。此系统磁路中的磁阻也较大，所以在低电流驱动下，磁场强度较弱。
1998年，德国市场上出现了商品化的专用于测量MRF流变性能的仪器，即MRF测试系统MR-100-450。其结构是由铁磁性材料制成一个导磁回路和容腔，在容腔内设置有一个旋转圆盘。在圆盘和容腔下表面间充满MRF液体。当通电后形成电磁回路时，磁力线垂直穿过圆盘及MRF液体并使MRF类固化。由于在旋转轴表面上贴有应变片，则通过测量该轴的变形可计算得到扭矩大小。通过对这台仪器的结构分析可以发现，测试圆盘在磁场中承受的力学载荷是尺寸的指数函数，加大旋转圆盘的半径与MRF厚度的比值(R/h)，有助于提高系统分辨率。但由于其旋转圆盘置于有MRF液体容腔中，旋转圆盘的尺寸放大时必须同时加大容腔，因此加大其结构尺寸时会导致制作的困难。该德产设备MR-100-450选用的比值为9，使其灵敏度偏低；另一方面，该设备的扭矩测量部位只能布置在转动轴上，受到不平衡磁场力的影响和支承摩擦力矩Mf(H)的影响，限制了测量精度；而且该设备的两个磁极(即旋转盘和容腔下表面)的尺寸不一致，很容易造成磁场不均匀和漏磁现象，从而影响测量精度；此外，该设备的测试圆盘等主要部件无法拆卸，也无法调整间隙，既不方便测量使用，也不便于维修保养。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种具有双圆盘旋转剪切式结构的磁流变液流变性能的测试系统。
本发明的磁流变液流变特性测试系统，包括有磁性材料构成的导磁回路和盛放磁流变液的容腔及其支承机构，在构件上设有用于测量扭矩的应变片和测量磁场强度的霍尔片，其特征在于，所述盛放磁流变液的容腔这样构成：两块由导磁材料构成的上、下等径圆盘分别固定安装在两根由非导磁材料构成的轴上，上圆盘轴通过连接件与一台步进电机的主轴相连接，下圆盘轴下端连接有能用以调节其轴线方向位置的升降机构，例如，螺母丝杆机构。两轴的轴线在同一直线上，上下圆盘盘面相对，且两者间设有间隙，一般在1-6mm之间。在下圆盘的周边固连有一个由非导磁材料构成的套环，组成能盛放磁流变液的桶状密封容器，上圆盘的外圆周面与套环的内环面之间为间隙配合，使上圆盘能相对套环的内环面转动；在桶状容器近处设置有励磁线圈，其铁芯轴线与上下圆盘轴线平行；所述励磁线圈是两个或两个以上，且以上下圆盘轴心线对称分布；所述用以测定磁场强度的霍尔片及测量扭矩大小的应变片分别设置在下圆盘的盘面下方和下圆盘轴表面上。
本发明的磁流变液流变特性测试系统，与现有技术相比，具有以下优点：
(1)该设备的扭矩测量部位设置在由非导磁材料构成的静止轴上，不会受到磁场力的影响及支承摩擦力矩的影响，能够较方便准确地测定其扭矩大小，提高了测量精度；
(2)由于励磁线圈以上下圆盘轴对称分布，因此其磁场分布均匀，使偏心力矩最小，保证了测量精度；
(3)加大旋转圆盘的半径与MRF厚度的比值(R/h)，有助于提高系统分辨率。本发明旋转圆盘的半径与MRF厚度的比值R/h值能方便的提高到30以上，相比德国产的MR-100-450，其R/h仅为9的情况，灵敏度大大提高.
下面通过实施例及其附图作进一步描述。
附图说明
图1是本发明的一种实施例结构示意图。
具体实施方式
图1中，(1)为带有变频控制器的步进电机，它通过螺钉固定在支承架的顶板(2)上。(4)为与步进电机主轴连接的上转动轴。(3)为支承上转动轴的轴承套，它固定在支承架的上座板(6)上。(5)为上圆盘，它固定安装在上转动轴的下端，当步进电机启动时，上转动轴带动上圆盘转动。(8)为下圆盘，它固定安装在下静止轴(9)的上端。上转动轴与下静止轴的轴线相同，上、下圆盘直径相同，两者之间有3mm间隙。为避免对磁场结构的干扰，上转动轴、下静止轴的材料均为铜。(7)为以过盈配合方式安装在下圆盘圆周上的套环，环高超过上圆盘，构成将上圆盘包容在其中的开口容器，其中用以盛放磁流变液，该套环的材质也是铜。所述支承架由顶板(2)、上座板(5)、下座板(10)、底板(11)及多组螺纹连接件构成一个整体。其中上座板、下座板均由非导磁材料构成，以防止磁泄漏。(19)为励磁线圈，其芯轴上端设有螺纹，由螺母将其固定在上座板上。两个相同的励磁线圈的芯轴均与上转动轴(或下静止轴)的轴线平行，并以其对称分布。两线圈靠近开口容器的侧面、但不接触。在线圈的上下两端还设有上、下分隔板(20)、(18)，两者均为磁性材料，以保证磁力线通畅。所述励磁线圈连接在带有电流控制器的可调直流电源上，能够对磁场强度进行控制。(16)为贴在下圆盘轴表面上的应变片，用以测量其扭矩大小。(17)为贴在在下分隔板的上表面的霍尔片，用以测定磁场强度。所述下静止轴(9)的下端为螺杆，它和轴套(15)内孔壁上螺纹相配合，构成螺母丝杆机构。轴套的外圆面上固安有一个伞齿轮(14)，与其啮合的伞齿轮轴(13)的外端装有转动手轮(12)，或直接与步进电机连接。当该轴(13)转动时，伞齿轮组的啮合带动轴套(15)转动，由于其设有螺母丝杆机构，使下静止轴(9)能产生上、下位移，从而达到调节上、下圆盘之间间隙大小的目的。
本实施例用于实际测试时的操作过程是：将步进电机输入端连接到端频率信号发生器上，选择不同的信号频率来调节步进电机的转速，从而提供不同大小的旋转剪切力；将线圈输入端连接到标准可调直流电源上，选择合适的电源电压和电流强度来调节线圈产生的磁场强度；将用于测量实际的磁场强度的霍尔片的输出端连接到特斯拉计上；将用于测量静止轴变形大小的应变片的输出端连接到连有半桥式电路的应变放大器上。然后在容腔内注入待测的磁流变液，转动调节手柄，调节好剪切盘之间的间隙(即磁流变液的厚度)后即可启动系统运行。通常根据应变放大器的初始数值、运行后数值以及步进电机的转速、从特斯拉计上读出实际的磁场强度数据等进行综合分析，可得到磁流变液剪切屈服应力和剪切率的关系曲线、磁流变液剪切屈服应力和磁场强度的关系曲线，从而得到待测磁流变液的流变特性参数。
Claims (2)
1.一种磁流变液的流变特性测试系统，包括有磁性材料构成的导磁回路和盛放磁流变液的容腔及其支承机构，在构件上设有用于测量扭矩的应变片和测量磁场强度的霍尔片，其特征在于，所述盛放磁流变液的容腔这样构成：两块由导磁材料构成的上、下等径圆盘分别固定安装在两根由非导磁材料轴上，上圆盘轴通过连接件与一台步进电机的主轴相接，两轴的轴线在同一直线上，上下圆盘盘面相对，且两者间设有间隙，在下圆盘的周边固连有一个由非导磁材料构成的套环，组成能盛放磁流变液的桶状密封容器，上圆盘的外圆周面与套环的内环面之间有间隙；在桶状容器近处设置有励磁线圈，其铁芯轴线与上下圆盘轴线平行；所述励磁线圈是两个或两个以上，以上下圆盘轴心线对称分布；所述用以测定磁场强度的霍尔片及测量扭矩大小的应变片分别设置在下圆盘的盘面下方和下圆盘轴表面上。
2.如权利要求1所述磁流变液的流变特性测试系统，其特征在于，所述下圆盘轴上连接有能用以调节其轴线方向位置的升降机构。
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