一种双拉力源式磁流变液屈服应力测量系统

摘要

本发明涉及一种双拉力源式磁流变液屈服应力测量系统，包括升降装置、磁场发生装置和提拉块，所述的磁场发生装置由径向多级磁环和磁流变液槽组成，所述的磁流变液槽呈圆筒状，位于径向多级磁环内，与径向多级磁环同轴设置；所述的磁场发生装置水平放置，底部设有升降装置，提拉块呈圆柱状，外径小于磁流变液槽的内径，与磁流变液槽同轴设置，通过拉绳牵引沿磁流变液槽的轴所在直线运动，拉绳上设有拉力传感器。与现有技术相比，本发明具有测量结果准确、数据呈现直观等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁流变液性能研究领域，尤其是涉及一种双拉力源式磁流变液 屈服应力测量装置。

背景技术

磁流变液(MRF)是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料，它在 无外加磁场时，表现为流动良好的牛顿流体；但在外加强磁场作用下，其表观粘度 可在毫秒内增加几个数量级，并呈现类似固体的力学性质，且粘度变化是连续可逆 的，即一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体。利用磁流变液的特性，可以通过 调节磁场强度从而达到改变系统动力学特性的目的。

目前国内外研究的磁流变液种类繁多，但是磁流变极化机理至今也没有得到统 一的认识，对磁流变液的结构和力学性能的描述也不能广泛适用于各种磁流变液的 应用场合和条件，磁流变液的数学模型和控制技术也不完善，因此在应用中可能出 现设计指标与实验值差别大，甚至大大偏离预期性能的情况。而磁流变液的屈服应 力是磁流变液的主要性能参数之一，准确测试磁流变液屈服应力在进行磁流变液的 理论研究、性能分析、工程应用及设计磁流变液元器件中有重要的意义。目前出现 了很多种测试磁流变液屈服应力的方法和手段，常用的有平行圆盘法、管流法和平 板提拉法等。这些测试方法都基于不同的理论模型和测试方法，从而导致了采用不 同的测试方法测量同一磁流变液样品得到的数据也不相同。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量结果准 确、数据呈现直观的双拉力源式磁流变液屈服应力测量系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种双拉力源式磁流变液屈服应力测量系统，包括升降装置、磁场发生装置和 提拉块，所述的磁场发生装置由径向多级磁环和磁流变液槽组成，所述的磁流变液 槽呈圆筒状，位于径向多级磁环内，与径向多级磁环同轴设置；所述的磁场发生装 置水平放置，底部设有升降装置，提拉块呈圆柱状，外径小于磁流变液槽的内径， 与磁流变液槽同轴设置，，通过拉绳牵引沿磁流变液槽的轴所在直线运动，拉绳上 设有拉力传感器。

所述的径向多级磁环由多个位于一个平面内同轴设置的径向多级磁环单元构 成，所述的径向多级磁环单元呈圆环状，由多个弧状永磁体围成；所述的弧状永磁 体放置在永磁体栅格槽中，永磁体栅格槽固定在平板上。本发明可以通过增加或减 少径向多级磁环单元的个数来改变磁场强度的大小。

所述的升降装置为液压组件，所述的液压组件包括活塞杆和缸筒，液压组件竖 直放置，顶端与平板的下表面固定，底端固定在底座上。

优选地，所述的提拉块的外径为磁流变液槽内径的1/2～9/10。

所述的提拉块的侧面设有绕其侧面一周的矩形槽或齿形槽。为消除“壁面效 应”，必须保证磁流变液“钉扎”在耦合材料(提拉块)中，不会产生滑动。故在 耦合材料(提拉块)的表面加工了许多沟槽。

所述的矩形槽或齿形槽设有多个，沿提拉块的轴线方向布置。

优选地，所述的矩形槽或齿形槽的深度为提拉块底面半径的1/50～1/5，宽度为 提拉块侧面高度的1/100～1/5。

所述的拉绳一端与提拉块的顶部连接，另一端绕过定滑轮并吊有重物。

所述的重物包括砝码盘及砝码盘中的砝码。

该系统还包括用于固定拉绳的绳夹和用于控制升降机构的升降控制装置。

要提高测量结果的精确度，一是力的加载和测量必须精确，其次是磁场要均匀， 第三是要将力传递过程中的各种阻力降低到最小。力的准确加载和准确测量如果采 用连续加载的方式，测量采用传感器测量一般可以保证精度要求，磁场的不均匀对 测量影响很大，因为我们测量出来的屈服点是在某个强度下的屈服，所以需要在磁 路设计中保证磁场的均匀。

在测量磁流变液屈服应力时，拉力的提供方式有如下两种：

(1)固定住升降装置，使其不发生上下移动；将提拉块插入磁流变液中，拉 力传感器示数为0，砝码盘用绕过定滑轮的拉绳与拉力传感器、提拉块连接，通过 加砝码给提拉块施加向上的拉力；用拉力传感器测量出所用拉力，即可换算出磁流 变液的屈服应力。

(2)将提拉块插入磁流变液中后固定住定滑轮上的拉绳，使其不发生移动， 拉力传感器示数为0，起动升降装置，使其匀速缓慢下降，对提拉块产生相对拉力， 拉力传感器测出拉力大小，即可换算出磁流变液的屈服应力。

(3)拉力换算成磁流变液屈服应力的具体公式如下：

由已知公式：$\Delta F=c\frac{L}{h}{\tau }_y$可得：

${\tau }_y=\frac{1}{c}\frac{h}{L}\Delta F$

其中：ΔF—拉力与提拉块重力的差值；

c—常数，由具体的提拉情况决定，一般在2～3之间；

L—提拉块的侧面高度；

h—磁流变液槽的深度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)测量过程易于观察，操作过程方便，测量所得屈服应力值准确；

(2)该测量装置采用双拉力源，即拉力的产生方式有两种，一个是利用砝码 通过拉绳来对提拉块产生拉力；另一个是固定提拉块的上端，利用升降装置使磁场 发生装置下降，进而对提拉块产生拉力。并且这两种方式产生的拉力均比较稳定， 避免电机提供拉力的波动；

(3)通过该系统，对实验用磁流变液的屈服剪切应力进行定量测试，有利于 磁流变液在应用中充分发挥其性能特征。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的永磁体栅格槽的结构示意图；

图3为本发明的径向多级磁环的磁场分布示意图；

图4为本发明的升降装置结构图；

图5为本发明的带有矩形槽的提拉块的半剖视图；

图6为本发明的带有矩形槽的提拉块的俯视结构示意图；

图7为本发明的带有齿形槽的提拉块的半剖视图；

图8为本发明的带有齿形槽的提拉块的俯视结构示意图；

图中，1为砝码及砝码盘，2为定滑轮，3为拉绳，4为拉力传感器，5为提拉 块，6为磁流变液槽，7为永磁体栅格槽，8为平板，9为活塞杆，10为缸筒，11 为底座，12为弧形永磁体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种双拉力源式磁流变液屈服应力测量系统，如图1所示，包括升降装置、磁 场发生装置和提拉块5。磁场发生装置如图2～3所示，由径向多级磁环和磁流变液 槽6组成，径向多级磁环由多个位于一个平面内同轴设置的径向多级磁环单元构 成，径向多级磁环单元呈圆环状，由多个弧状永磁体12围成，弧状永磁体12放置 在永磁体栅格槽7中，永磁体栅格槽7固定在平板8上，可以通过增加或减少径向 多级磁环单元的个数来改变磁场强度的大小。磁流变液槽6呈圆筒状，位于径向多 级磁环内，与径向多级磁环同轴设置。磁场发生装置水平放置，底部设有升降装置， 升降装置如图4所示，为液压组件，液压组件包括活塞杆9和缸筒10，液压组件 竖直放置，顶端与平板8的下表面固定，底端固定在底座11上。提拉块5呈圆柱 状，外径比磁流变液槽6的内径小8mm，与磁流变液槽6同轴设置，通过拉绳3 牵引沿磁流变液槽6的轴所在直线运动，提拉块5的侧面设有多个沿提拉块5的轴 线方向布置的绕其侧面一周的矩形槽，如图5～6所示，矩形槽的宽度为1mm，深 度为1mm。拉绳3上设有拉力传感器4，拉绳3一端与提拉块5的顶部连接，另 一端绕过两个定滑轮2并吊有砝码及砝码盘1。该系统还设有固定拉绳3的绳夹和 用于控制升降机构的升降控制装置。

在测量磁流变液屈服应力时，固定住升降装置，使其不发生上下移动；将提拉 块5插入磁流变液中，砝码盘用绕过定滑轮2的拉绳3与拉力传感器4及提拉块5 连接，通过加砝码给提拉块5施加向上的拉力；用拉力传感器4测量出所用拉力， 即可换算出磁流变液的屈服应力。

实施例2

本实施例与实施例基本相同，不同之处在于，本实施例中的拉块5的侧面设有 多个沿提拉块5的轴线方向布置的绕其侧面一周的齿形槽，如图7～8所示，齿形槽 的宽度为2mm，深度为1mm。测量在测量磁流变液屈服应力的方法与实施例1类 似。

实施例3

本实施例的一种双拉力源式磁流变液屈服应力测量系统与实施例1基本相同， 不同之处在于，本实施例中测量在测量磁流变液屈服应力的方法为将提拉块5插入 磁流变液中后固定住定滑轮2上的拉绳3，使其不发生移动，起动升降装置，使其 匀速缓慢下降，对提拉块5产生相对拉力，拉力传感器4测出拉力大小，即可换算 出磁流变液的屈服应力。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例中提拉块5的外径为磁 流变液槽6内径的1/2；矩形槽的深度为提拉块5底面半径的1/50，宽度为提拉块 5侧面高度的1/100。

实施例5

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例中提拉块5的外径为磁 流变液槽6内径的9/10；矩形槽的深度为提拉块5底面半径的1/5，宽度为提拉块 5侧面高度的1/5。