磁流變液流變特性的測試系統的製作方法

2023-10-05 06:31:44 1

專利名稱：磁流變液流變特性的測試系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁流變液流變性能的測量設備。
磁流變液(magnetorheological fluid；簡稱MRF)是一種兩相或多相體懸浮液，在外部磁場作用下，其物質形態會發生迅速變化，即從液體變成類固體，宏觀表現為其流變特性成數量級的改變，例如剪切屈服強度，表觀粘性等。這種轉變具有可控性、可逆性及響應迅速(僅為毫秒量級)等高技術特徵。近年來，磁流變液材料及其應用器件在動力傳輸系統、航空航天伺服系統、結構振動主動控制、機器人控制系統等現代工業領域中，顯示出巨大的應用前景和市場價值。研製者們設計出可受外場控制的離合器、制動閘、減震器、消聲器等工程應用器件，正在逐步走向市場。實際使用表明，對磁流變液的流變性質進行準確測試和評估是MR材料設計和應用開發的前提，只有弄清楚各種不同的磁流變液的流變性質，才能根據各種各樣的不同的應用需求選用不同特性的磁流變液。
目前對磁流變液流變特性的測試方法及相應的測試系統還處於探討性研製階段。國際上現有的測試方法分為直接測量和間接測量兩大類。間接測量主要有以下兩種1)平板剪切型，該方法是在磁場中造成MRF平板剪切流來進行測試。通過測量驅動板上的作用力與驅動板的運動速度，間接計算得到MRF屈服應力與應變率的關係。如果不考慮系統中磁場的非均勻性，僅就測試本身而言，存在以下缺點①需要使用流體力學的平板剪切流的計算模型；②需要採用理論上假定的MR本構模型。如Bingham本構模型。2)管道流模型，該方法是在磁場中形成管道流，通過測量壓差ΔP＝P1-P0和MRF流量，從而可推導出MRF的剪切屈服應力。不考慮工藝實現上所存在的問題，僅就測試本身而言，也存在存在以下問題①依賴於管道流的計算模型，它需首先假定MR在流動中保持均勻流動特性，這個問題已有研究工作指出，管道中的電、磁流變液不一定按均勻流動模型流動。②依賴於MR的本構模型。總之，間接測量從原理上講是有限制條件的。特別是需要對材料本構關係作出事先假定，這一點往往需由實驗測定，因此帶有很大近似性，很難作出精準測量。
直接測量是利用流體力學的原理，直接測量磁流變液在磁場中剪切率的空間分布函數。例如文獻[R.B lter，H.Janocha，St.Helbrück DESIGN OF MAGNETORHEOLOGICALFLUID ACTUATORS，5thInternational Conference on New Actuators』1996]和文獻[Ralf.B lter and Hartmut Janocha Design Rules for MR Fluid Actuators in DifferentWorking Modes，Passive Damping and Isolation，Smart Structures and Materials1997，PROCEESINGS OF SPIE]中均介紹了一種利用磁流變液在桶狀容器作為測試模型的方法。這種方法中需要剪切桶有一定的厚度，其結果造成桶內外間隙的平均半徑相差較大，使內外側磁場強度相差也較大。另外從機構來考慮，這樣的模型，剪切桶的剛度不高，易產生變形，因此在運行過程中，間隙內的磁場均勻性更加難以保證。此系統磁路中的磁阻也較大，所以在低電流驅動下，磁場強度較弱。
1998年，德國市場上出現了商品化的專用於測量MRF流變性能的儀器，即MRF測試系統MR-100-450。其結構是由鐵磁性材料製成一個導磁迴路和容腔，在容腔內設置有一個旋轉圓盤。在圓盤和容腔下表面間充滿MRF液體。當通電後形成電磁迴路時，磁力線垂直穿過圓盤及MRF液體並使MRF類固化。由於在旋轉軸表面上貼有應變片，則通過測量該軸的變形可計算得到扭矩大小。通過對這臺儀器的結構分析可以發現，測試圓盤在磁場中承受的力學載荷是尺寸的指數函數，加大旋轉圓盤的半徑與MRF厚度的比值(R/h)，有助於提高系統解析度。但由於其旋轉圓盤置於有MRF液體容腔中，旋轉圓盤的尺寸放大時必須同時加大容腔，因此加大其結構尺寸時會導致製作的困難。該德產設備MR-100-450選用的比值為9，使其靈敏度偏低；另一方面，該設備的扭矩測量部位只能布置在轉動軸上，受到不平衡磁場力的影響和支承摩擦力矩Mf(H)的影響，限制了測量精度；而且該設備的兩個磁極(即旋轉盤和容腔下表面)的尺寸不一致，很容易造成磁場不均勻和漏磁現象，從而影響測量精度；此外，該設備的測試圓盤等主要部件無法拆卸，也無法調整間隙，既不方便測量使用，也不便於維修保養。
本發明的目的在於，針對現有技術的不足，提供一種具有雙圓盤旋轉剪切式結構的磁流變液流變性能的測試系統。
本發明的磁流變液流變特性測試系統，包括有磁性材料構成的導磁迴路和盛放磁流變液的容腔及其支承機構，在構件上設有用於測量扭矩的應變片和測量磁場強度的霍爾片，其特徵在於，所述盛放磁流變液的容腔這樣構成兩塊由導磁材料構成的上、下等徑圓盤分別固定安裝在兩根由非導磁材料構成的軸上，上圓盤軸通過連接件與一臺步進電機的主軸相連接，下圓盤軸下端連接有能用以調節其軸線方向位置的升降機構，例如，螺母絲杆機構。兩軸的軸線在同一直線上，上下圓盤盤面相對，且兩者間設有間隙，一般在1-6mm之間。在下圓盤的周邊固連有一個由非導磁材料構成的套環，組成能盛放磁流變液的桶狀密封容器，上圓盤的外圓周面與套環的內環面之間為間隙配合，使上圓盤能相對套環的內環面轉動；在桶狀容器近處設置有勵磁線圈，其鐵芯軸線與上下圓盤軸線平行；所述勵磁線圈是兩個或兩個以上，且以上下圓盤軸心線對稱分布；所述用以測定磁場強度的霍爾片及測量扭矩大小的應變片分別設置在下圓盤的盤面下方和下圓盤軸表面上。
本發明的磁流變液流變特性測試系統，與現有技術相比，具有以下優點(1)該設備的扭矩測量部位設置在由非導磁材料構成的靜止軸上，不會受到磁場力的影響及支承摩擦力矩的影響，能夠較方便準確地測定其扭矩大小，提高了測量精度；(2)由於勵磁線圈以上下圓盤軸對稱分布，因此其磁場分布均勻，使偏心力矩最小，保證了測量精度；(3)加大旋轉圓盤的半徑與MRF厚度的比值(R/h)，有助於提高系統解析度。本發明旋轉圓盤的半徑與MRF厚度的比值R/h值能方便的提高到30以上，相比德國產的MR-100-450，其R/h僅為9的情況，靈敏度大大提高.
下面通過實施例及其附圖作進一步描述。


圖1是本發明的一種實施例結構示意圖。
圖1中，(1)為帶有變頻控制器的步進電機，它通過螺釘固定在支承架的頂板(2)上。(4)為與步進電機主軸連接的上轉動軸。(3)為支承上轉動軸的軸承套，它固定在支承架的上座板(6)上。(5)為上圓盤，它固定安裝在上轉動軸的下端，當步進電機啟動時，上轉動軸帶動上圓盤轉動。(8)為下圓盤，它固定安裝在下靜止軸(9)的上端。上轉動軸與下靜止軸的軸線相同，上、下圓盤直徑相同，兩者之間有3mm間隙。為避免對磁場結構的幹擾，上轉動軸、下靜止軸的材料均為銅。(7)為以過盈配合方式安裝在下圓盤圓周上的套環，環高超過上圓盤，構成將上圓盤包容在其中的開口容器，其中用以盛放磁流變液，該套環的材質也是銅。所述支承架由頂板(2)、上座板(5)、下座板(10)、底板(11)及多組螺紋連接件構成一個整體。其中上座板、下座板均由非導磁材料構成，以防止磁洩漏。(19)為通電線圈，其芯軸上端設有螺紋，由螺母將其固定在上座板上。兩個相同的通電線圈的芯軸均與上轉動軸(或下靜止軸)的軸線平行，並以其對稱分布。兩線圈靠近開口容器的側面、但不接觸。在線圈的上下兩端還設有上、下分隔板(20)、(18)，兩者均為磁性材料，以保證磁力線通暢。所述通電線圈連接在帶有電流控制器的可調直流電源上，能夠對磁場強度進行控制。(16)為貼在下圓盤軸表面上的應變片，用以測量其扭矩大小。(17)為貼在在下分隔板的上表面的霍爾片，用以測定磁場強度。所述下靜止軸(9)的下端為螺杆，它和軸套(15)內孔壁上螺紋相配合，構成螺母絲杆機構。軸套的外圓面上固安有一個傘齒輪(14)，與其嚙合的傘齒輪軸(13)的外端裝有轉動手輪(12)，或直接與步進電機連接。當該軸(13)轉動時，傘齒輪組的嚙合帶動軸套(15)轉動，由於其設有螺母絲杆機構，使下靜止軸(9)能產生上、下位移，從而達到調節上、下圓盤之間間隙大小的目的。
本實施例用於實際測試時的操作過程是將步進電機輸入端連接到端頻率信號發生器上，選擇不同的信號頻率來調節步進電機的轉速，從而提供不同大小的旋轉剪切力；將線圈輸入端連接到標準可調直流電源上，選擇合適的電源電壓和電流強度來調節線圈產生的磁場強度；將用於測量實際的磁場強度的霍爾片的輸出端連接到特斯拉計上；將用於測量靜止軸變形大小的應變片的輸出端連接到連有半橋式電路的應變放大器上。然後在容腔內注入待測的磁流變液，轉動調節手柄，調節好剪切盤之間的間隙(即磁流變液的厚度)後即可啟動系統運行。通常根據應變放大器的初始數值、運行後數值以及步進電機的轉速、從特斯拉計上讀出實際的磁場強度數據等進行綜合分析，可得到磁流變液剪切屈服應力和剪切率的關係曲線、磁流變液剪切屈服應力和磁場強度的關係曲線，從而得到待測磁流變液的流變特性參數。
權利要求
1.一種磁流變液的流變特性測試系統，包括有磁性材料構成的導磁迴路和盛放磁流變液的容腔及其支承機構，在構件上設有用於測量扭矩的應變片和測量磁場強度的霍爾片，其特徵在於，所述盛放磁流變液的容腔這樣構成兩塊由導磁材料構成的上、下等徑圓盤分別固定安裝在兩根由非導磁材料軸上，上圓盤軸通過連接件與一臺步進電機的主軸相接，兩軸的軸線在同一直線上，上下圓盤盤面相對，且兩者間設有間隙，在下圓盤的周邊固連有一個由非導磁材料構成的套環，組成能盛放磁流變液的桶狀密封容器，上圓盤的外圓周面與套環的內環面之間有間隙；在桶狀容器近處設置有勵磁線圈，其鐵芯軸線與上下圓盤軸線平行；所述勵磁線圈是兩個或兩個以上，以上下圓盤軸心線對稱分布；所述用以測定磁場強度的霍爾片及測量扭矩大小的應變片分別設置在下圓盤的盤面下方和下圓盤軸表面上。
2.如權利要求1所述磁流變液的流變特性測試系統，其特徵在於，所述下圓盤軸上連接有能用以調節其軸線方向位置的升降機構。
全文摘要
本發明涉及磁流變液流變特性的測量設備。它包括導磁迴路和盛放磁流變液的容腔及用於測量扭矩的應變片和測量磁場強度的霍爾片。其容腔是由兩塊導磁材料構成的上、下等徑圓盤、下圓盤周邊固連的由非導磁材料構成的套環組合構成的桶狀密封容器,上圓盤軸與步進電機主軸相接,下圓盤軸上連接有升降機構。在桶狀容器近處設置有兩個或兩個以上、以上下圓盤軸心線對稱分布的勵磁線圈,霍爾片及應變片分別設置在下圓盤盤面下方和下圓盤軸表面上。本裝置磁場分布均勻,R/h比值高,其扭矩測量部位設置在由非導磁材料構成的靜止軸上,不會受到磁場力的影響及支承摩擦力矩的影響,提高了測量精度。
文檔編號G01N27/72GK1388366SQ01113648
公開日2003年1月1日 申請日期2001年5月25日 優先權日2001年5月25日
發明者周剛毅, 唐新魯, 張培強, 張先舟 申請人:中國科學技術大學