CN201517988U - 一种磁流变液流变特性的测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种环状液膜剪切式的磁流变液测试装置。它通过步进电机带动磁环旋转，使磁环两侧的环状磁流变液膜作剪切运动，线圈产生的磁场沿径向垂直穿过磁流变液膜。在磁场作用下，磁流变液的表观粘度增大，将电机的扭矩最终传递到扭矩传感器上，数据采集与控制系统通过测量传递的扭矩值计算磁流变液的剪切强度值，同时通过霍尔片采集磁场强度信号，并通过控制步进电机的转速来控制剪切速率。本实用新型对平行圆盘式的传统结构做了较大的改进，避免了离心力的影响，使得磁流变液膜的剪切运动稳定，并减小了漏磁，提高了磁场均匀度，提高了测试的精度。

Description

一种磁流变液流变特性的测试系统

技术领域：

本实用新型涉及一种可控流体材料的流变特性的测试系统，尤其是指一种磁流变液的测试装置。

技术背景：

磁流变液是一种新型的智能流体材料，流变特性通过磁场可控是其最基本的特征。在外部磁场的作用下，其表观粘度发生显著的变化，由液体变为类固体，剪切屈服强度发生数量级的变化，这种特性使得它成为近年来研究的热门材料。对磁流变液的流变特性进行准确的测试和评估是应用本材料的前提。

现有技术中磁流变液流变特性的测试装置采用了平行的双圆盘式的结构，圆盘由软磁材料制造。励磁线圈与圆盘同轴或轴线平行放置，当电流通过励磁线圈后，两圆盘间产生垂直穿透圆盘盘面的磁场，从而使其间的磁流变液产生磁流变效应。上圆盘的作旋转运动，下圆盘固定，造成中间磁流变液的剪切流动，通过测量传递的扭矩可获得磁流变液的剪切强度值。

这种结构具有以下不足：

1.由于两个圆盘的直径远大于其间隙的厚度，而且两圆盘间存在较强的磁力吸引作用，因此由于两个圆平面加工精度的影响和在使用中受到不平衡磁力的作用，间隙的厚度易发生波动，造成磁流变液膜厚度的波动。

2.用于调整圆盘间距的螺纹丝杠的配合间隙会造成圆盘间隙的实际值和设定值的误差。

3.在圆盘结构中，剪切速率沿径向分布是不均匀的。

4.空间开放式的线圈易产生较大的磁场泄露，造成圆盘处的磁场分布不均匀，如圆盘边缘处磁场方向与剪切方向不垂直，并可能影响扭矩传感器。

5.圆盘旋转会由于离心力造成磁流变液向圆周流动，产生表面弯月效应。

因此在剪切速率不均匀和磁场强度不均匀的情况下，对圆盘进行面积分得到的扭矩必然会存在较大误差，所以这种结构无法准确和可靠地测试磁流变液的流变特性。

发明内容：

为克服平行的双圆盘式结构的缺陷，本实用新型提出了一种环状液膜剪切式的磁流变液测试装置。该装置包括驱动组件、磁流变液剪切组件、电磁铁组件、扭矩传递组件、扭矩传感器、支撑架和数据采集与控制系统：

驱动组件由步进电机、驱动盘和搅动磁环组成，用于驱动磁流变液剪切组件内的磁流变液膜产生剪切运动。

磁流变液剪切组件由磁流变液槽、两个固定磁环和磁流变液组成，两个磁环固定在磁流变液槽的内壁上，磁流变液填充在两个固定磁环和搅动磁环之间的缝隙里形成磁流变液膜。搅动磁环受步进电机驱动旋转，带动其两侧的磁流变液膜作剪切流动并产生扭矩。

电磁铁组件用于产生磁场并将磁流变液剪切组件的扭矩传递给扭矩传递组件，包括电磁铁壳、电磁铁芯、线圈和线圈挡板。线圈缠绕在电磁铁芯上，通过线圈挡板限定其位置，电磁铁芯和电磁铁壳通过螺钉固定连接。

扭矩传递组件包括扭矩传递轴、轴承座、轴承盖和两个推力球轴承，两个推力球轴承上下夹紧扭矩传递轴，轴承座和轴承盖通过螺钉压紧推力球轴承。扭矩传递组件用于将电磁铁组件的扭矩传递给扭矩传感器，并消除电磁铁组件的径向扰动。

支撑架包括上平台、中平台、底板和四根支柱，上述各组件及扭矩传感器均固定连接在支撑架上。

数据采集与控制系统包括扭矩检测、磁场强度检测、步进电机转速控制和电流强度控制装置，用于采集扭矩传感器的扭矩信号，还用于采集磁流变液剪切组件中的磁场强度信号，还用于向驱动组件提供控制信号来控制步进电机的转速，还用于控制电磁铁组件内线圈的电流强度。

本装置的漏磁很小，装夹方便，测试过程中磁流变液膜的厚度稳定，测试精度较高，无磁流变液离心现象，测试过程能实现自动化。

附图说明：

图1是本实用新型的机械装置剖面示意图；

图2是本实用新型的电磁铁壳的俯视图，显示霍尔片开孔方式；

图3是测试系统总成。

具体实施方式：

本装置适用于磁流变液的剪切强度测试，包括驱动组件、磁流变液剪切组件、电磁铁组件、扭矩传递组件、扭矩传感器、支撑架和数据采集与控制系统。

如附图1所示，本实用新型具体结构如下：

驱动组件由步进电机1、驱动盘3和搅动磁环4组成，为整个测试装置提供动力。驱动盘3由非磁性材料铝制成，通过螺钉固定连接在步进电机1的输出轴上，搅动磁环4通过过盈配合固定在驱动盘3上，步进电机通过螺钉固定在上平台2上。

磁流变液剪切组件包括液槽21、大磁环5、小磁环6及盛装的磁流变液。液槽21的两个内壁分别通过过盈配合固定了大磁环5和小磁环6，在两个磁环5、6形成的空隙内填充待测的磁流变液。由于磁流变液的磁导率较小，液槽由非磁性材料铝制造，原因是为了避免磁力线优先穿过液槽底面而造成磁流变液的磁场损失。磁环4、5、6均由软磁材料(电工纯铁)制成，三个磁环同心放置，将填充的磁流变液分割为两个同心的液膜，搅动磁环4的旋转运动和固定磁环5、6的固定使得两个磁流变液膜均发生剪切运动。磁环5、6的作用是防止测试过程中磁流变液发生“边界滑移”现象。本磁流变液剪切组件的作用是盛装磁流变液并通过剪切运动产生扭矩。

电磁铁组件包括电磁铁壳8、电磁铁芯9、励磁线圈7和线圈挡板19。励磁线圈7为铜质导线，绕在电磁铁芯9上，线圈挡板19用来固定线圈。电磁铁芯9与电磁铁壳8均由电工纯铁制成，通过螺钉连接在一起，与液槽21及槽内填充的磁流变液共同构成了闭合的磁回路。在电磁铁壳8的边缘处开一个方孔放置用来测量磁感应强度的霍尔片20。为防止线圈挡板19与电磁铁壳8的径向间隙过小发生磁场泄露，线圈挡板19由铝制成。本电磁铁组件通过螺钉与磁流变液剪切组件固定连接，是整个测试装置的磁场发生器，并负责传递产生的扭矩。

扭矩传递组件包括扭矩传递轴10、轴承座15、轴承盖16和两个推力球轴承17、18。推力球轴承17、18从上下两个方向夹住扭矩传递轴10，放置在轴承座15上，轴承盖16通过螺钉压紧两个推力轴承17、18，并把整个轴承组件固定在中平台11上，因此扭矩传递轴10被限制只能作轴向转动。电磁铁芯9通过螺钉与扭矩传递轴10固定连接，因此电磁铁组件也被限制只能作轴向转动，从而避免了电磁铁组件在液槽位置因受径向的磁力作用而发生径向扰动，保证了磁流变液膜厚度的稳定性。为防止电磁铁的漏磁场干扰扭矩传感器12，轴承座15和轴承盖16均由铝制成，扭矩传递轴10由铜制成。

扭矩传感器12与扭矩传递轴10为方槽直插连接，并通过螺钉固定在底板14上，用来将扭矩传递轴10传来的扭矩转换成电信号，送入数据采集与控制系统进行处理。

以上各组件互相连接，构成了完整的扭矩发生与传递路径。上平台2、中平台11及底板14通过四根立柱13组成了整个测试装置的支撑架，用以固定各组件。

以上为磁流变液测试系统的机械部分。

数据采集与控制系统的功能包括步进电机的转速控制、磁场强度检测、电流强度控制和扭矩测量：通过向步进电机的驱动器提供不同频率的脉冲信号来控制电机的转速；通过向数控恒流电源提供控制信号控制其向磁铁线圈供电的电流强度；同步采集磁场强度信号和扭矩信号，将扭矩值转换成磁流变液的剪切强度值，并将磁场强度值、剪切速率与剪切强度值同时保存。

磁流变液测试系统的工作过程：

磁流变液填充在固定磁环5、6和搅动磁环4之间的缝隙里，形成两个很薄的磁流变液膜，励磁线圈7产生的磁场经由闭合的磁回路沿径向垂直穿过这两个磁流变液膜。步进电机1受控旋转时，通过驱动盘3带动搅动磁环4在磁流变液里旋转，使两个磁流变液膜作剪切运动。由于磁流变液在磁场作用下表观粘度增大，因此能将电机的扭矩传递到电磁铁组件上。电磁铁组件与扭矩传递组件相连，最终将扭矩传递到扭矩传感器12上进行采集，采集到的扭矩信号送入数据采集与控制系统进行处理，系统通过计算将扭矩值转化为剪切强度值。控制系统还同时采集霍尔片20的磁场强度信号，通过向步进电机的驱动器提供不同频率的脉冲信号来控制其转速，通过向数控恒流电源提供控制信号来控制其供电电流强度。因此剪切速率、磁场强度值和剪切强度值能同时被系统记录。可以通过数据采集与控制系统改变步进电机的转速与数控恒流电源的供电强度，以在不同的剪切速率和磁场强度下测量磁流变液的剪切强度。

较之平行双圆盘式的结构，本环状液膜剪切式的结构具有如下优点：

1.磁流变液在液槽内形成两个磁流变液膜，磁场沿径向垂直穿过这两个液膜，因此磁场方向严格垂直于剪切运动方向，测得的数值即为严格意义上的剪切强度值。有效避免了传统的双圆盘式结构在圆盘边缘处磁场方向与剪切运动方向不垂直的缺陷。

2.可通过增大液槽的直径，在较低的转速下获得较高的剪切速率，并且能避免离心力造成的“边厚芯薄”的表面弯月现象；同时双边剪切模式使得磁流变液传递的扭矩增大一倍，可有效提高扭矩的测试精度，进而提高测试系统的灵敏度。

3.磁流变液膜的厚度取决于相邻磁环的内外径，其精度由磁环的机械加工精度保证，且与测试操作过程中的装卡无关。因此避免了在双圆盘式结构由于装夹造成的磁流变液厚度的误差。一般磁流变液材料测试时只需取几个特征厚度值，因此可以通过加工不同厚度的磁环来获得不同的磁流变液膜特征厚度值。

4.剪切力集中产生在磁流变液剪切组件的液槽处，各磁环的半径均为常数，因此扭矩的计算大为简化，避免了双圆盘式结构需要采用面积分方法计算扭矩的缺陷，避免了由于剪切速率不均匀和磁场不均匀对结果造成的误差。

5.线圈采用封闭式的设计，磁路闭合，磁场均匀，漏磁极小。闭合的磁路大大降低了漏磁对扭矩传感器的影响。磁场强度可通过霍尔片进行精确地测量。

Claims (6)

1.一种磁流变液流变特性的测试装置，包括驱动组件、磁流变液剪切组件、电磁铁组件、扭矩传递组件、扭矩传感器、支撑架和数据采集与控制系统，其特征为：

所述驱动组件由步进电机、驱动盘和搅动磁环组成，搅动磁环和驱动盘通过过盈配合固定连接；

所述磁流变液剪切组件由磁流变液槽、两个固定磁环和磁流变液组成，两个磁环固定在磁流变液槽的内壁上，磁流变液填充在两个固定磁环中间；

所述电磁铁组件由电磁铁壳、电磁铁芯、线圈和线圈挡板组成，线圈缠绕在电磁铁芯上，通过线圈挡板限定位置，电磁铁芯和电磁铁壳通过螺钉固定连接；

所述扭矩传递组件包括扭矩传递轴、轴承座、轴承盖和两个推力球轴承，两个推力球轴承上下夹紧扭矩传递轴，轴承座和轴承盖通过螺钉连接并压紧推力球轴承；

所述支撑架包括上平台、中平台、底板和四根支柱，上述各组件及所述扭矩传感器均固定连接在支撑架上；

所述数据采集与控制系统包括扭矩检测、磁场强度检测、步进电机转速控制和电流强度控制装置，用于采集所述扭矩传感器的扭矩信号，还用于采集所述磁流变液剪切组件中的磁场强度信号，还用于向所述驱动组件的步进电机提供控制信号来控制其转速，还用于控制所述电磁铁组件内线圈的电流强度。

2.根据权利要求1所述的磁流变液测试装置，其特征为：所述驱动组件的搅动磁环和所述磁流变液剪切组件的两个固定磁环同心放置，在其间隙中填充磁流变液形成磁流变液膜，所述搅动磁环旋转并带动其两侧的磁流变液膜作剪切流动。

3.根据权利要求1及权利要求2所述的磁流变液测试装置，其特征为：磁流变液槽由非磁性材料制造，两个固定磁环和搅动磁环由软磁材料制造。

4.根据权利要求1所述的磁流变液测试装置，其特征为：磁流变液剪切组件通过螺钉固定连接在电磁铁组件上，磁力线通过电磁铁芯、电磁铁壳和磁流变液剪切组件形成闭合的回路。

5.根据权利要求1所述的磁流变液测试装置，其特征为：扭矩传递组件的轴承座和轴承盖均由非磁性材料铝制造，扭矩传递轴由非磁性材料铜制造，扭矩传递轴与扭矩传感器通过方槽直插连接，扭矩传感器放置在装置的最下端。

6.根据权利要求1所述的磁流变液测试装置，其特征为：所述驱动组件的步进电机的转速和所述电磁铁组件的线圈的电流强度均通过所述数据采集与控制系统自动控制。

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