磁流变液流变学特性检测仪器研究

摘要

磁流变液的流变学特性测试为高性能磁流变液的研究和开发提供评价手段，而且能为磁流变液器件及装置提供重要技术参数。近年来，磁流变液的流变学特性测试方法成为磁流变学术领域研究的热点之一，并且引起国内外专家学者的广泛关注，不少专家学者提出了很多种测试方法，也设计出很多种测试装置，但目前对磁流变液的许多测量工作仍采用改装的普通粘度计进行，存在着很多不足，特别是不能完成高磁场和高剪切率下的测量，国外现有商品化的测试装置价格昂贵，阻碍了磁流变液性能评价工作的进一步开展。本文以新型磁流变液流变学特性检测仪器为目标，提出了基于同心圆筒双边剪切模式的流变学特性检测方法，研究了磁流变检测装置磁路和结构设计过程中的相关技术问题，完成了磁流变液流变学特性检测装置研制，并利用所设计的仪器对某型号的磁流变液进行了测试。具体研究内容如下： 按照磁流变液检测仪器工作模式，从剪切模式、流动模式两个方面综述了磁流变液流变学性能测试技术的现状和发展趋势，分析了磁流变液检测技术领域存在的主要问题和开展磁流变液流变特性测试方法研究的学术价值，针对高剪切应变率和高饱和磁化强度，提出了一种新型磁流变液流变特性检测方法及本文将要开展的研究工作。 根据磁流变液装置设计和材料性能评价的需要，分析了磁流变液的流变学特性，总结出Bingham模型、Bingham双塑性模型、Herschel-Bulkley模型和Eyring本构模型来描述其流变学特性，并由此得出磁流变液流变学特性就是：在不同温度和磁场下磁流变液的剪切应力与剪切应变率之间的关系。从磁流变液检测装置的工作模式出发，分析了内外剪切通道中微单元的受力状态，建立了平衡微分方程和边界条件，利用牛顿本构模型和宾汉本构模型，分别研究了未加磁场和磁场作用条件下磁流变液在剪切通道中的流动特性，以及剪切应力分布和剪切应变率分布。在此基础上，研究了通道中磁流变液标称剪切应力与传递力矩之间的理论关系，标称剪切应变率与装置角速度之间的理论关系，并给出相应的近似算法，由此提出了同心圆筒双边剪切模式的磁流变液流变学特性检测方法。 根据检测仪器磁路结构和剪切通道中磁感应强度分布的要求，确定了基于双边剪切磁流变液流变学特性检测仪器的磁路结构。基于仪器磁路设计准则，选择合适的磁芯材料，建立直流串联磁路分析方程，分别计算了磁路各部分的磁阻及磁路所需要的磁势，并进行磁饱和分析，在此基础上对磁路结构尺寸进行优化设计，分析得到剪切通道中磁感应强度与励磁电流的关系，利用数字特斯拉计对剪切通道中的磁感应强度进行多次测试，测试结果与理论计算对比说明本磁路设计方法合理。 根据磁流变液剪切机构的力矩传递特性，结合磁流变液流变学特性检测仪器的系统要求，合理选择了用于测量输出力矩的扭矩传感器以及扭矩测量仪、动力提供设备、转速控制设备、转速测量仪、温度测试仪等，组装并成功调试该仪器，证明对于本文提出的双边剪切磁流变液流变学特性检测仪器的实现方法合理；利用该仪器，对某种牌号的磁流变液进行多次测试，测试结果表明：磁流变液的粘度随着磁场的增大而增大；剪切应力随着剪切速率的增加而增加；在磁场较大时，剪切应力随着磁场的增加变化较小，表明趋于磁饱和状态；磁流变液的粘度随着温度的升高而有所下降。这些结果对高性能磁流变液的研究和开发以及磁流变器件的工程应用都具有一定的指导作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1磁流变液及其特征

1.2磁流变液的工程应用

1.2.1磁流变减振器

1.2.2控制元件

1.2.3磁流变液高精度抛光装置

1.2.4磁流变液用于机械密封

1.3磁流变液流变学特性检测方法的研究现状

1.3.1基于剪切模式的测试方法

1.3.2基于流动模式的测试方法

1.3.3现有装置存在的问题

1.4论文的意义及本文主要工作

1.5本章小结

2磁流变液的流变学特性检测方法

2.1引言

2.2磁流变液流变学特性检测仪器总体设计

2.3磁流变液的本构描述模型

2.3.1 Bingham本构模型

2.3.2 Herschel-Bulkley本构模型

2.3.3 Bivisous本构模型

2.3.4 Eyring本构模型

2.4剪切装置的工作原理

2.5磁流变液在剪切通道中的流动特性分析

2.5.1磁流变液在剪切通道中的流动方程

2.5.2零磁场下磁流变液的剪切流动特性

2.5.3磁场作用下磁流变液的剪切流动特性

2.5.4通道中液体屈服点半径ry、Ry的确定

2.6剪切通道中磁流变液剪切应变率分布函数的确定

2.7剪切通道中磁流变液流变学特性检测方法

2.7.1剪切应力与传递力矩的理论关系

2.7.2剪切应变率与转子角速度的理论关系

2.8本章小结

3检测仪器磁路设计与磁场确定方法

3.1磁流变检测装置磁路设计方法

3.1.1检测装置磁路设计准则

3.1.2磁路总体设计及工作原理

3.2磁芯材料选择

3.3磁路磁学参数分析与计算

3.3.1磁路磁阻的计算

3.3.2磁路磁势的计算

3.3.3磁路结构尺寸的确定

3.3.4磁路的磁饱和分析及尺寸优化

3.3.5线圈设计

3.4剪切通道的磁感应强度确定方法

3.4.1磁场检测仪的选择

3.4.2磁感应强度的测试与标定

3.5本章小结

4检测仪器实现技术与磁流变液测试

4.1力矩传递特性与传感器选型

4.1.1扭矩传感器的选择

4.1.2扭矩传感器的安装方法

4.1.3扭矩的计算方法

4.1.4扭矩测量仪

4.2支架及动力提供装置

4.3电机转速控制设备

4.4转子转速测量设备

4.5温度测试仪

4.6仪器的组装与调试

4.7测试试验结果与讨论

4.7.1剪切应力与剪切速率之间的关系

4.7.2剪切应力与磁感应强度之间的关系

4.7.3流体粘度与剪切速率之间的关系

4.7.4磁流变液的温度特性

4.8本章小结

5全文总结

致 谢

参考文献

附录