高速流动情况下磁流变液流变特性测量装置

摘要

本发明涉及一种高速流动情况下磁流变液流变特性测量装置，由油缸、平行板流口装置、支架、励磁装置和回收油桶组成，所述的平行板流口装置插入在油缸底部的沟槽内，两者共同被支架所固定，励磁装置放置在支架的下支板上用于产生比较均匀的磁场，并使磁场穿透平行板流槽，回收油桶放在平行板流槽的下面，用于回收从平行板流槽流出的磁流变液。本发明利用文氏管的工作原理，让磁流变液从一个粗油缸内流入一个窄缝型平行板流口，可实现磁流变液的超高速流动；利用流体的直线流动(平行板流口)进行测量，可以用于研究磁流变液在超高速流动情况下的流变特性；结构简单，容易实施。

说明书

技术领域

本发明属于磁流变液的流变特性的测量技术，特别是一种高速流动情况下磁流变液流变特性测量装置。

背景技术

磁流变液是一种智能材料，磁流变液能够在外加磁场作用下在毫秒量级的时间内迅速改变其粘度，并且这种变化是可逆的。利用磁流变液作为工作介质而研发的磁流变半主动可控阻尼装置，由于阻尼力的实时可调节、响应时间短、工作温度大、消耗的电能小等特点，在车辆减振、结构抗震、及机械制造等领域得到了越来越广泛的应用。

磁流变液的流变特性，包括粘度随剪切率的变化关系、屈服应力与剪切率的关系、屈服应力与磁场强度的关系等，是磁流变液最基本也是最关键的特性。对磁流变液流变特性认识的准确性程度，极大地影响着磁流变阻尼装置的正确设计和在工作过程中的精确控制的实现。

存在多种测量低速流动情况下磁流变液流变特性的测量装置，其中最基本的方法是在已有的用于普通流体流变特性测量的流变仪上进行改造和升级，或者利用普通流变仪的基本原理进行重新设计。

专利“磁流变液流变特性的测试系统”(申请号01113648.0)描述了一种利用上、下两等径圆盘发生相对旋转运动、通过测量扭矩来测量液流变液流变特性的测量装置。

专利“磁流变液流变特性测量系统”(申请号200510029654.8)以英国MALVERN公司生产的普通流体流变仪为基础，提出了一种新的磁流变液流变特性测量装置，但同样利用旋转运动来测量磁流变液的特性参数。

美国专利“Electrorheological and magnetorheological fluid scanning rheometer”(6564618)建议了一种类似于毛细管结构的磁流变液粘度和屈服应力的测量装置(流变仪)，在毛细管外施加磁场，通过测量液柱高度并利用磁流变液的粘塑性模型来计算磁流变液的流变特性。这种测量方法获得的磁流变液流速极底、剪切率非常小。

这些存在的装置和方法不能解决高速流动情况下磁流变液流变特性的测量问题，例如在无励磁情况下最大剪切率可达到10⁵s^-1以上量级左右水平的场合。

近年来，磁流变技术在强冲击环境下的运用也使研究者产生了浓厚的兴趣，例如将磁流变装置用于车辆撞击安全防护系统，以减小车辆撞击时的受力，降低车辆的撞击损伤；磁流变阻尼器还可以用于飞行器的起落装置，以降低飞行器着陆时的冲击载荷和振动水平；在火炮武器后坐过程控制中的应用，以减小作用在武器炮架上的力。这些磁流变技术的应用场合，都是在强冲击情况下进行的，磁流变液发生了非常高速的流动。理解磁流变液在高速流动和高剪切率情况下的流变特性，对于将磁流变技术扩展到强冲击领域具有重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使磁流变液发生高速流动的装置，用于测量磁流变液在高速流动和高剪切率情况下的流变特性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高速流动情况下磁流变液流变特性测量装置，由油缸、平行板流口装置、支架、励磁装置和回收油桶组成，所述的平行板流口装置插入在油缸底部的沟槽内，两者共同被支架所固定，励磁装置放置在支架的下支板上用于产生比较均匀的磁场，并使磁场穿透平行板流槽，回收油桶放在平行板流槽的下面，用于回收从平行板流槽流出的磁流变液。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)利用文氏管的工作原理，让磁流变液从一个粗油缸内流入一个窄缝型平行板流口，可实现磁流变液的超高速流动，例如达到50m/s左右；实现磁流变液的超高剪切率，例如达到10⁵s^-1以上量级。(2)利用流体的直线流动(平行板流口)进行测量，可以用于研究磁流变液在超高速流动情况下的流变特性。(3)结构简单，容易实施。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明高速流动情况下磁流变液流变特性测量装置结构示意图。

图2是本发明油缸与平行板流口装置结构示意图。

图3是本发明平行板流口装置结构示意图。

图4是本发明平行板流口的形成结构示意图。

图5是本发明油缸剖视图结构示意图。

图6是本发明支架结构示意图。

图7是本发明高速流动情况下磁流变液流变特性测量装置的剖视图。

图8是本发明励磁装置结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明高速流动情况下磁流变液流变特性测量装置利用了文氏管的工作原理：磁流变液从一个比较粗的油缸内流经一个窄缝型平行板流口后流出，磁流变液在平行板流口内获得了非常高的流速，包括油缸100、平行板流口装置200、支架300、励磁装置400以及回收油桶500组成。其中，平行板流口装置200插入在油缸100底部的沟槽内(图2)，两者共同被支架300所固定。励磁装置放置在支架300的下支板305上(图6)用于产生比较均匀的磁场，并使磁场穿透平行板流槽205(图3、图4)。回收油桶500放在平行板流槽205的下面(图7)，用于回收从平行板流槽205流出的磁流变液。

结合图3和图4，本发明的平行板流口装置200包括后板201、前板202，它们经螺栓203和204固定后，并在后板201上开设矩形平行板流槽205。两块板201、202经螺栓203、204固定后，再加工出一圆形沉孔206，用于和油缸100的出油套109(图5)相配合，即油缸100的出油套109插入该沉孔206，避免磁流变的溢出。其中，油缸100的直径远大于平行板流槽205的尺寸，油缸100的直径为150～200mm，平行板流槽205的尺寸(1～2)×(10～20)mm。

结合图5，本发明的油缸100主要包括活塞杆101、活塞103、上缸体106、下缸体107、以及出油套109等。其中，上缸体106与下缸体107通过螺纹连接在一起。在上缸体106的凸缘上还装有垫圈108，该垫圈将来和支架300的上支板304的底面相接触，促进支架300对油缸100和平行板流口装置200的可靠固定。和普通液压缸相类似，活塞杆101和活塞103安装在上缸体106内，在活塞103上还有密封圈104，起到活塞103在向下运动过程中的密封作用。在活塞103上还带有注油螺105，把注油螺105打开，可以经注油孔向上缸体106和下缸体107之间所形成的空腔内注入磁流变液。在下缸体107上安装有出油套109，磁流变液经出油套109流入平行板流槽205。出油套109通过螺栓111和下缸体107的底板连接在一起，为了保证密封，出油套109下还压有密封圈110。出油套109在下缸体107上安装好后，有部分圆管状突出于下缸体107的底部，目的是与平行板流口装置的圆形沉孔206相配合(图7)。油缸100带有端盖102，起到对活塞杆101的导向作用，在端盖102开有透气孔。

结合图6，本发明的支架300用于支撑油缸100与平行板流口装置200。支架300包括支柱301、螺母302、螺母303、上支板304、下支板305、底座306等。带孔的上支板304被螺母302压紧在支柱301的上端，下支板305放置在螺母303上，螺母303和支柱301上的螺纹相连接，通过调整四个螺母303，可以调整下支板305的高低。底座306用于固定支柱301。

图7更加清晰地表示了各个部件的连接关系。从该图可以看出，油缸100和平行板流口装置200被夹持在上支板304和下支板305之间，其中垫圈108和上支板304的下底面相接触，平行板流口装置200的下底面与下支板305的上表面相接触。通过拧紧四个螺母303，可以把油缸100和平行板流口装置200可靠地夹持在支架300上。

图8表示了励磁装置400，包括线圈401和回形导磁材料402。励磁装置400可以产生比较均匀的磁场，作用在流经平行板流槽205的磁流变液上。

在下支板305的下方，放置有回收油桶500，用于盛放从平行板流槽205流出的磁流变液。

油缸100用于盛放磁流变液并将磁流变液压向平行板流口装置200，磁流变液流经平行板流口装置200时，励磁装置400对平行板流口施加磁场，磁流变液从流口出来后流入回收油桶500。在进行实验时，超高速磁流变仪安装在材料试验机上，在油缸活塞被下压的过程中测量超高速磁流变仪的阻力～时间、阻力～速度和阻力～位移曲线在进行测试时，将高速磁流变仪放置在材料试验机上，将活塞杆101夹持在材料试验机的夹头上。在不同速度下向下压活塞杆101，使活塞103向下运动，记录下整个装置产生的阻力～时间、阻力～速度和阻力～位移曲线。

通过对整个超高速磁流变仪试验系统建立基于Navier-Stokes方程的粘塑性流动数学模型，根据对阻力的理论预测结果和试验结果的比较，可以建立磁流变液在有、无励磁情况下剪切应力与剪切率的关系以及表观粘度与剪切率的关系，辨识出磁流变液的屈服应力，并建立在高速流动情况下磁流变液的屈服应力与磁场强度的数学关系。