4 測(cè)試系統(tǒng)傳感器選擇
本次設(shè)計(jì)選用的傳感器為 ZH08-H 扭矩傳感器，量程為 30 ，該傳感器通過彈性體以電阻應(yīng)變計(jì)為轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行扭矩測(cè)量。傳感器由彈性體、電阻應(yīng)變計(jì)、測(cè)量電橋等組成。組成測(cè)量電橋后，當(dāng)彈性體受到扭力產(chǎn)生微小變形后，粘貼在彈性體上的應(yīng)變計(jì)阻值發(fā)生相應(yīng)變化，使測(cè)量電橋輸出與扭矩成線性關(guān)系的電壓信號(hào)。傳感器參數(shù)如表 1所示。
5 測(cè)試系統(tǒng)仿真分析
5． 1 數(shù)學(xué)模型
測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定的磁流變液的流變學(xué)力矩由兩個(gè)力矩形式組成: 一是由磁流變液黏附度所影響的傳動(dòng)力矩，二是由磁流變液自身的磁流變效應(yīng)所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力所形成的傳動(dòng)力矩。傳動(dòng)力矩隨測(cè)試圓筒直徑的大小和圓筒間隙間距的增大而增大。測(cè)試系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)確定后，動(dòng)力矩主要由磁流變液的最大剪切應(yīng)力決定。本設(shè)計(jì)中選用哈爾濱泰達(dá)爾公司 MＲF270 /50 型磁流變液產(chǎn)品，根據(jù)式（5）建立剪切應(yīng)力仿真模型，如圖 2 所示。測(cè)試系統(tǒng)中磁流變液內(nèi)剪切應(yīng)力仿真模型如圖 3 所示。根據(jù)分析過程和測(cè)試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)傳動(dòng)力矩的仿真模型如圖 4 所示。
5． 2 仿真結(jié)果分析
磁流變液的流變學(xué)特性受到多方面因素的影響，如黏度、轉(zhuǎn)速、溫度、電流、磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁芯線圈匝數(shù)。本設(shè)計(jì)所研制的測(cè)試系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)尺寸均已確定，故只對(duì)電流、磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化對(duì)磁流變液流變學(xué)特性的影響進(jìn)行了仿真分析。
根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)仿真得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度與傳動(dòng)力矩的關(guān)系曲線如圖 5 所示。從曲線變化趨勢(shì)可以看出，傳動(dòng)力矩總體變化是隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)而增大，但當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到 1． 5T 時(shí)，傳動(dòng)力矩的增強(qiáng)逐漸趨于平緩，說明磁流變液傳遞力矩與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系受到磁流變液磁飽和現(xiàn)象的影響。為進(jìn)一步增大傳動(dòng)力矩，必須采用性能優(yōu)越的磁流變液材料，或者提高磁流變液內(nèi)磁性材料的導(dǎo)磁性能。
對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析時(shí)，考慮測(cè)試腔體的間隙、磁流變液的加入量、繞磁芯線圈電流方向及磁場(chǎng)方向等因素的影響，內(nèi)部磁場(chǎng)方向 N 極和 S 極同向設(shè)置的具體形式，確定在磁流變液周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，故仿真分析是根據(jù)這種接法進(jìn)行的。測(cè)試系統(tǒng)輸入電流與傳動(dòng)力矩關(guān)系仿真曲線如圖 6 所示。由變化曲線可知，隨著電流的增加，傳遞力矩也隨之增加，基本呈現(xiàn)出先快速增加，而后逐漸趨于平緩增加的形式。當(dāng)輸入電流達(dá)到 15A時(shí)，傳動(dòng)力矩趨于平穩(wěn)，不再繼續(xù)增加。反映出輸入電流影響磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，當(dāng)增加到一定值時(shí)，根據(jù)線圈的結(jié)構(gòu)達(dá)到了磁場(chǎng)強(qiáng)度飽和狀態(tài)，致使磁流變液傳動(dòng)力矩不再增加，與磁場(chǎng)強(qiáng)度與傳動(dòng)力矩的關(guān)系變化一致。
6 結(jié) 論
本設(shè)計(jì)研究分析了磁流變液的流變學(xué)特性，構(gòu)建流變學(xué)特性的本構(gòu)關(guān)系，推導(dǎo)出了磁流變液流變學(xué)特性測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了 Simulink 環(huán)境下的仿真分析，從仿真分析結(jié)果可得出以下結(jié)論:
( 1) 磁流變液流變學(xué)特性測(cè)試系統(tǒng)的研制要著重考慮磁路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，充分考慮磁芯所使用的磁性材料的磁飽和、最大磁通量及磁場(chǎng)強(qiáng)度等問題，選擇磁性優(yōu)良的材料作為磁芯材料。
( 2) 磁流變液流變學(xué)特性傳動(dòng)力矩與磁路的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比變化，但是會(huì)受到磁路磁飽和的影響，致使其傳動(dòng)力矩增大幅度受到一定的制約。在選擇不同磁流變液研制相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，一定要明確其磁飽和界限值，以免影響產(chǎn)品工作性能。
( 3) 磁流變液流變學(xué)特性傳動(dòng)力矩與磁路線圈輸入電流成正比變化，隨著輸入電流的增大，產(chǎn)生的傳動(dòng)力矩也隨之增大，但當(dāng)輸入電流增大到一定值時(shí)，傳動(dòng)力矩呈現(xiàn)增加緩慢直至不增加的趨勢(shì)，說明一定材質(zhì)的磁流變液傳遞力矩與輸入電流關(guān)系變化存在極值點(diǎn)。
本論文對(duì)磁流變液的流變學(xué)特性進(jìn)行了仿真研究，對(duì)于開發(fā)新型磁流變液及其產(chǎn)品提供了性能檢測(cè)方面的探索，對(duì)研制磁流變液新型裝置具有一定的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
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