1 引 言
磁流變液屬于可控流體，是由高磁導率、低磁滯性的細小軟磁性粒子和不能導磁的液體按比例配制而成的懸浮混合物，其在零磁力環(huán)境下呈現(xiàn)出低黏附度的牛頓流體特性，而在強磁力的環(huán)境下，則出現(xiàn)了高黏度、低流動性的特征，且其黏度高低隨著磁場強度強弱而變化，磁流變液的這種流變學特性具有磁流變響應快、操控方便等優(yōu)點。近年來，以磁流變液為工作介質(zhì)的多種裝置逐漸地應用到工業(yè)工程中，如橋梁拉索阻尼器、車輛減振器、機械傳動用離合器、工藝裝配等。隨著磁流變液應用越來越廣，對不同種類的磁流變液流變學特性檢測，也逐漸得到人們的重視。本文在分析研究磁流變液的流變學特性基礎上，構(gòu)建了磁流變液的本構(gòu)模型來描述其流變學特性，設計了磁流變液特性測試系統(tǒng)，并在 simulink 的環(huán)境下對測試系統(tǒng)進行了仿真研究。仿真結(jié)果驗證了測試系統(tǒng)設計的正確性，并為開發(fā)研制磁流變液流變學特性測試系統(tǒng)提供了理論基礎。
2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計
2． 1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
測試系統(tǒng)主要由底座、扭矩傳感器、定子下蓋、摩擦套筒、動子轉(zhuǎn)盤、上端蓋、輸入軸、磁芯、導磁內(nèi)套、輸出軸等組成，如圖 1 所示。
輸入軸驅(qū)動動子轉(zhuǎn)盤在由摩擦套筒和定子下蓋所圍成的空腔內(nèi)的磁流變液中轉(zhuǎn)動，磁流變液在磁芯的磁場作用下，產(chǎn)生阻尼力矩，阻尼力矩通過殼體傳遞給下端的輸出軸。輸出軸連接在扭矩傳感器上，可測出阻尼力矩值。此測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，反應快速，能快速準確地測量出不同磁場強度下的阻尼力矩，能較為方便地測定不同性質(zhì)的磁流變液的流變學特性，為開發(fā)新型磁流變液及其應用裝置提供測試依據(jù)。
2． 2 電機的選擇
根據(jù) 所 測 定 的 磁 流 變 液 實 現(xiàn) 阻 尼 力 矩( 30N·m) 的需求，選用的電機型號為 5IK60ＲGN-CF 調(diào)速電機，減速器型號為 5GN-7． 5K，電機采用220V 直流電源，功率為 60W，調(diào)速范圍為 90-1350r /min，其輸出扭矩為:
式中，T 為步進電機輸出的轉(zhuǎn)矩( N·m ) ; n 為步進電機輸出的轉(zhuǎn)速( r/s) ; P 為步進電機的功率( W) 。由電機 轉(zhuǎn) 速 90-1350r/min，可 得 最 低 轉(zhuǎn) 速 為1. 5r / s。由公式( 1) 可得，T = 40N·m，大于阻尼力矩 30N·m，滿足被測試磁流變液轉(zhuǎn)矩要求。
2． 3 驅(qū)動圓筒的設計
由于驅(qū)動盤需要接收輸入軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，并且傳遞給磁流變液，再將轉(zhuǎn)矩傳遞給定子轉(zhuǎn)盤，所設計的驅(qū)動圓筒內(nèi)外均可傳遞動力，圓筒厚度為2mm。圓筒與輸入軸由 4 個螺栓連接，同時圓筒下部的兩側(cè)與磁流變液接觸，下部安裝有 O 型密封圈，密封圈套在圓筒下部，與定子下蓋內(nèi)側(cè)上端凸起配合，密封外層磁流變液。另一 O 型密封圈套在內(nèi)部圓筒上方，與圓筒下端接觸，密封內(nèi)層磁流變液。
磁流變液的屈服應力受黏度和磁流變液本身的屈服應力的影響，計算公式如下:
通常條件下，當 B = 1. 5T 時，磁流變液的收益最大，達到理想的動態(tài)屈服應力。當電流再增加時，磁流變液性能的增量隨著磁場強度的增加而減小。
本測試結(jié)構(gòu)中的磁流變液的測試扭矩為:
式中，L 為磁流變液工作區(qū)高度( m) ; D 為磁流變液工作直徑( m) 。
2． 4 軸承的選擇
本裝置用到軸承的部位有 3 個，分別為與動子連接的輸入軸轉(zhuǎn)動的深溝球軸承、供扭矩傳感器測試并連接在底座與定子下蓋部分的推力軸承、與輸入軸和輸出軸相配合的滾針軸承。所用軸承型號為深溝球軸承 16002、推力軸承 51115、滾針軸承 K× 12 × 15 × 17 。
2． 5 機械從動部分
測試系統(tǒng)機械從動部分主要由內(nèi)層和外層兩部分組成。外層為定子圓筒，通過平鍵與輸出軸相連，輸出軸即為扭矩傳感器輸入軸。內(nèi)層為摩擦圓筒，圓筒內(nèi)部通過過盈配合套在圓柱形磁芯上，圓柱形磁芯通過平鍵連接在輸出軸上。這樣，機械從動部分就與輸出軸通過平鍵連接成為一體結(jié)構(gòu)。內(nèi)層與外層之間的空隙形成了磁流變液工作腔，動子轉(zhuǎn)盤浸泡在磁流變液工作腔中的磁流變液中。當磁流變液在磁場作用下工作時，產(chǎn)生的阻尼力矩通過機械從動部分傳遞給扭矩傳感器，從而測出阻尼力矩的數(shù)值。
3 測試系統(tǒng)磁路線圈設計
測試系統(tǒng)測試磁流變液流變學特性需要通過改變磁場的強度來實現(xiàn)，磁路設計關(guān)乎整個測試裝置的準確性。本設計從磁力線的方向、磁芯的材料、漏磁控制、磁飽和的影響等方面綜合考慮，設計了具體的磁路結(jié)構(gòu)，確定了磁路線圈的基本參數(shù)。電感磁芯常用的磁芯材質(zhì)有磁粉芯、鐵硅鋁磁芯、鐵氧體磁芯、錳-鋅鐵氧體磁芯、鎳-鋅鐵氧體磁芯等，本設計中選擇錳-鋅鐵氧體磁芯實現(xiàn) 1. 5T 高磁通，這種材料的磁導率相對較高，磁通密度相對較大。線圈在通入電流后的磁場應該足夠大。線圈的匝數(shù)和線圈所通入的電流大小、線圈截面積都有一定的關(guān)系。圓筒工作面磁通量計算為：
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