專利名稱：磁流變液流變特性的測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁流變液流變性能的測(cè)量設(shè)備。
磁流變液(magnetorheological fluid；簡(jiǎn)稱MRF)是一種兩相或多相體懸浮液，在外部磁場(chǎng)作用下，其物質(zhì)形態(tài)會(huì)發(fā)生迅速變化，即從液體變成類固體，宏觀表現(xiàn)為其流變特性成數(shù)量級(jí)的改變，例如剪切屈服強(qiáng)度，表觀粘性等。這種轉(zhuǎn)變具有可控性、可逆性及響應(yīng)迅速(僅為毫秒量級(jí))等高技術(shù)特征。近年來，磁流變液材料及其應(yīng)用器件在動(dòng)力傳輸系統(tǒng)、航空航天伺服系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制、機(jī)器人控制系統(tǒng)等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，顯示出巨大的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。研制者們?cè)O(shè)計(jì)出可受外場(chǎng)控制的離合器、制動(dòng)閘、減震器、消聲器等工程應(yīng)用器件，正在逐步走向市場(chǎng)。實(shí)際使用表明，對(duì)磁流變液的流變性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試和評(píng)估是MR材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用開發(fā)的前提，只有弄清楚各種不同的磁流變液的流變性質(zhì)，才能根據(jù)各種各樣的不同的應(yīng)用需求選用不同特性的磁流變液。
目前對(duì)磁流變液流變特性的測(cè)試方法及相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)還處于探討性研制階段。國(guó)際上現(xiàn)有的測(cè)試方法分為直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)纱箢?。間接測(cè)量主要有以下兩種1)平板剪切型，該方法是在磁場(chǎng)中造成MRF平板剪切流來進(jìn)行測(cè)試。通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)板上的作用力與驅(qū)動(dòng)板的運(yùn)動(dòng)速度，間接計(jì)算得到MRF屈服應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系。如果不考慮系統(tǒng)中磁場(chǎng)的非均勻性，僅就測(cè)試本身而言，存在以下缺點(diǎn)①需要使用流體力學(xué)的平板剪切流的計(jì)算模型；②需要采用理論上假定的MR本構(gòu)模型。如Bingham本構(gòu)模型。2)管道流模型，該方法是在磁場(chǎng)中形成管道流，通過測(cè)量壓差ΔP＝P1-P0和MRF流量，從而可推導(dǎo)出MRF的剪切屈服應(yīng)力。不考慮工藝實(shí)現(xiàn)上所存在的問題，僅就測(cè)試本身而言，也存在存在以下問題①依賴于管道流的計(jì)算模型，它需首先假定MR在流動(dòng)中保持均勻流動(dòng)特性，這個(gè)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(dòng)模型流動(dòng)。②依賴于MR的本構(gòu)模型?？傊g接測(cè)量從原理上講是有限制條件的。特別是需要對(duì)材料本構(gòu)關(guān)系作出事先假定，這一點(diǎn)往往需由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，因此帶有很大近似性，很難作出精準(zhǔn)測(cè)量。
直接測(cè)量是利用流體力學(xué)的原理，直接測(cè)量磁流變液在磁場(chǎng)中剪切率的空間分布函數(shù)。例如文獻(xiàn)[R.B lter，H.Janocha，St.Helbrück DESIGN OF MAGNETORHEOLOGICALFLUID ACTUATORS，5thInternational Conference on New Actuators’1996]和文獻(xiàn)[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(cè)試模型的方法。這種方法中需要剪切桶有一定的厚度，其結(jié)果造成桶內(nèi)外間隙的平均半徑相差較大，使內(nèi)外側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度相差也較大。另外從機(jī)構(gòu)來考慮，這樣的模型，剪切桶的剛度不高，易產(chǎn)生變形，因此在運(yùn)行過程中，間隙內(nèi)的磁場(chǎng)均勻性更加難以保證。此系統(tǒng)磁路中的磁阻也較大，所以在低電流驅(qū)動(dòng)下，磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱。
1998年，德國(guó)市場(chǎng)上出現(xiàn)了商品化的專用于測(cè)量MRF流變性能的儀器，即MRF測(cè)試系統(tǒng)MR-100-450。其結(jié)構(gòu)是由鐵磁性材料制成一個(gè)導(dǎo)磁回路和容腔，在容腔內(nèi)設(shè)置有一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤。在圓盤和容腔下表面間充滿MRF液體。當(dāng)通電后形成電磁回路時(shí)，磁力線垂直穿過圓盤及MRF液體并使MRF類固化。由于在旋轉(zhuǎn)軸表面上貼有應(yīng)變片，則通過測(cè)量該軸的變形可計(jì)算得到扭矩大小。通過對(duì)這臺(tái)儀器的結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)試圓盤在磁場(chǎng)中承受的力學(xué)載荷是尺寸的指數(shù)函數(shù)，加大旋轉(zhuǎn)圓盤的半徑與MRF厚度的比值(R/h)，有助于提高系統(tǒng)分辨率。但由于其旋轉(zhuǎn)圓盤置于有MRF液體容腔中，旋轉(zhuǎn)圓盤的尺寸放大時(shí)必須同時(shí)加大容腔，因此加大其結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)會(huì)導(dǎo)致制作的困難。該德產(chǎn)設(shè)備MR-100-450選用的比值為9，使其靈敏度偏低；另一方面，該設(shè)備的扭矩測(cè)量部位只能布置在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，受到不平衡磁場(chǎng)力的影響和支承摩擦力矩Mf(H)的影響，限制了測(cè)量精度；而且該設(shè)備的兩個(gè)磁極(即旋轉(zhuǎn)盤和容腔下表面)的尺寸不一致，很容易造成磁場(chǎng)不均勻和漏磁現(xiàn)象，從而影響測(cè)量精度；此外，該設(shè)備的測(cè)試圓盤等主要部件無法拆卸，也無法調(diào)整間隙，既不方便測(cè)量使用，也不便于維修保養(yǎng)。
本發(fā)明的目的在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有雙圓盤旋轉(zhuǎn)剪切式結(jié)構(gòu)的磁流變液流變性能的測(cè)試系統(tǒng)。
本發(fā)明的磁流變液流變特性測(cè)試系統(tǒng)，包括有磁性材料構(gòu)成的導(dǎo)磁回路和盛放磁流變液的容腔及其支承機(jī)構(gòu)，在構(gòu)件上設(shè)有用于測(cè)量扭矩的應(yīng)變片和測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的霍爾片，其特征在于，所述盛放磁流變液的容腔這樣構(gòu)成兩塊由導(dǎo)磁材料構(gòu)成的上、下等徑圓盤分別固定安裝在兩根由非導(dǎo)磁材料構(gòu)成的軸上，上圓盤軸通過連接件與一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的主軸相連接，下圓盤軸下端連接有能用以調(diào)節(jié)其軸線方向位置的升降機(jī)構(gòu)，例如，螺母絲桿機(jī)構(gòu)。兩軸的軸線在同一直線上，上下圓盤盤面相對(duì)，且兩者間設(shè)有間隙，一般在1-6mm之間。在下圓盤的周邊固連有一個(gè)由非導(dǎo)磁材料構(gòu)成的套環(huán)，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(huán)的內(nèi)環(huán)面之間為間隙配合，使上圓盤能相對(duì)套環(huán)的內(nèi)環(huán)面轉(zhuǎn)動(dòng)；在桶狀容器近處設(shè)置有勵(lì)磁線圈，其鐵芯軸線與上下圓盤軸線平行；所述勵(lì)磁線圈是兩個(gè)或兩個(gè)以上，且以上下圓盤軸心線對(duì)稱分布；所述用以測(cè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度的霍爾片及測(cè)量扭矩大小的應(yīng)變片分別設(shè)置在下圓盤的盤面下方和下圓盤軸表面上。
本發(fā)明的磁流變液流變特性測(cè)試系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)該設(shè)備的扭矩測(cè)量部位設(shè)置在由非導(dǎo)磁材料構(gòu)成的靜止軸上，不會(huì)受到磁場(chǎng)力的影響及支承摩擦力矩的影響，能夠較方便準(zhǔn)確地測(cè)定其扭矩大小，提高了測(cè)量精度；(2)由于勵(lì)磁線圈以上下圓盤軸對(duì)稱分布，因此其磁場(chǎng)分布均勻，使偏心力矩最小，保證了測(cè)量精度；(3)加大旋轉(zhuǎn)圓盤的半徑與MRF厚度的比值(R/h)，有助于提高系統(tǒng)分辨率。本發(fā)明旋轉(zhuǎn)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(guó)產(chǎn)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(shí)施例及其附圖作進(jìn)一步描述。


圖1是本發(fā)明的一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，(1)為帶有變頻控制器的步進(jìn)電機(jī)，它通過螺釘固定在支承架的頂板(2)上。(4)為與步進(jìn)電機(jī)主軸連接的上轉(zhuǎn)動(dòng)軸。(3)為支承上轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)軸的下端，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，上轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)上圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)。(8)為下圓盤，它固定安裝在下靜止軸(9)的上端。上轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的干擾，上轉(zhuǎn)動(dòng)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(huán)，環(huán)高超過上圓盤，構(gòu)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(huán)的材質(zhì)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(gòu)成一個(gè)整體。其中上座板、下座板均由非導(dǎo)磁材料構(gòu)成，以防止磁泄漏。(19)為通電線圈，其芯軸上端設(shè)有螺紋，由螺母將其固定在上座板上。兩個(gè)相同的通電線圈的芯軸均與上轉(zhuǎn)動(dòng)軸(或下靜止軸)的軸線平行，并以其對(duì)稱分布。兩線圈靠近開口容器的側(cè)面、但不接觸。在線圈的上下兩端還設(shè)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(diào)直流電源上，能夠?qū)Υ艌?chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行控制。(16)為貼在下圓盤軸表面上的應(yīng)變片，用以測(cè)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(cè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度。所述下靜止軸(9)的下端為螺桿，它和軸套(15)內(nèi)孔壁上螺紋相配合，構(gòu)成螺母絲桿機(jī)構(gòu)。軸套的外圓面上固安有一個(gè)傘齒輪(14)，與其嚙合的傘齒輪軸(13)的外端裝有轉(zhuǎn)動(dòng)手輪(12)，或直接與步進(jìn)電機(jī)連接。當(dāng)該軸(13)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傘齒輪組的嚙合帶動(dòng)軸套(15)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于其設(shè)有螺母絲桿機(jī)構(gòu)，使下靜止軸(9)能產(chǎn)生上、下位移，從而達(dá)到調(diào)節(jié)上、下圓盤之間間隙大小的目的。
本實(shí)施例用于實(shí)際測(cè)試時(shí)的操作過程是將步進(jìn)電機(jī)輸入端連接到端頻率信號(hào)發(fā)生器上，選擇不同的信號(hào)頻率來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而提供不同大小的旋轉(zhuǎn)剪切力；將線圈輸入端連接到標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)直流電源上，選擇合適的電源電壓和電流強(qiáng)度來調(diào)節(jié)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度；將用于測(cè)量實(shí)際的磁場(chǎng)強(qiáng)度的霍爾片的輸出端連接到特斯拉計(jì)上；將用于測(cè)量靜止軸變形大小的應(yīng)變片的輸出端連接到連有半橋式電路的應(yīng)變放大器上。然后在容腔內(nèi)注入待測(cè)的磁流變液，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)手柄，調(diào)節(jié)好剪切盤之間的間隙(即磁流變液的厚度)后即可啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。通常根據(jù)應(yīng)變放大器的初始數(shù)值、運(yùn)行后數(shù)值以及步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、從特斯拉計(jì)上讀出實(shí)際的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析，可得到磁流變液剪切屈服應(yīng)力和剪切率的關(guān)系曲線、磁流變液剪切屈服應(yīng)力和磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，從而得到待測(cè)磁流變液的流變特性參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種磁流變液的流變特性測(cè)試系統(tǒng)，包括有磁性材料構(gòu)成的導(dǎo)磁回路和盛放磁流變液的容腔及其支承機(jī)構(gòu)，在構(gòu)件上設(shè)有用于測(cè)量扭矩的應(yīng)變片和測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的霍爾片，其特征在于，所述盛放磁流變液的容腔這樣構(gòu)成兩塊由導(dǎo)磁材料構(gòu)成的上、下等徑圓盤分別固定安裝在兩根由非導(dǎo)磁材料軸上，上圓盤軸通過連接件與一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的主軸相接，兩軸的軸線在同一直線上，上下圓盤盤面相對(duì)，且兩者間設(shè)有間隙，在下圓盤的周邊固連有一個(gè)由非導(dǎo)磁材料構(gòu)成的套環(huán)，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(huán)的內(nèi)環(huán)面之間有間隙；在桶狀容器近處設(shè)置有勵(lì)磁線圈，其鐵芯軸線與上下圓盤軸線平行；所述勵(lì)磁線圈是兩個(gè)或兩個(gè)以上，以上下圓盤軸心線對(duì)稱分布；所述用以測(cè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度的霍爾片及測(cè)量扭矩大小的應(yīng)變片分別設(shè)置在下圓盤的盤面下方和下圓盤軸表面上。
2.如權(quán)利要求1所述磁流變液的流變特性測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述下圓盤軸上連接有能用以調(diào)節(jié)其軸線方向位置的升降機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁流變液流變特性的測(cè)量設(shè)備。它包括導(dǎo)磁回路和盛放磁流變液的容腔及用于測(cè)量扭矩的應(yīng)變片和測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的霍爾片。其容腔是由兩塊導(dǎo)磁材料構(gòu)成的上、下等徑圓盤、下圓盤周邊固連的由非導(dǎo)磁材料構(gòu)成的套環(huán)組合構(gòu)成的桶狀密封容器,上圓盤軸與步進(jìn)電機(jī)主軸相接,下圓盤軸上連接有升降機(jī)構(gòu)。在桶狀容器近處設(shè)置有兩個(gè)或兩個(gè)以上、以上下圓盤軸心線對(duì)稱分布的勵(lì)磁線圈,霍爾片及應(yīng)變片分別設(shè)置在下圓盤盤面下方和下圓盤軸表面上。本裝置磁場(chǎng)分布均勻,R/h比值高,其扭矩測(cè)量部位設(shè)置在由非導(dǎo)磁材料構(gòu)成的靜止軸上,不會(huì)受到磁場(chǎng)力的影響及支承摩擦力矩的影響,提高了測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01N27/72GK1388366SQ01113648
公開日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2001年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月25日
發(fā)明者周剛毅, 唐新魯, 張培強(qiáng), 張先舟 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)