磁流變液制動特性演示儀研制

陳文娟， 李津寧， 劉鳳祥， 袁順東， 劉　冰

(中國石油大學(華東) 理學院, 山東 青島　266580)

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磁流變液制動特性演示儀研制

陳文娟， 李津寧， 劉鳳祥， 袁順東， 劉冰

(中國石油大學(華東) 理學院, 山東 青島266580)

介紹了一種磁流變液制動特性演示裝置的設計原理和工作方法,該裝置通過演示磁場、扭矩、轉速之間的變化關系,對磁流變液的制動特性做了直觀形象的展示。該實驗儀性能穩定、操作方便,在實際大學物理教學中取得了良好的效果。

磁流變液； 制動特性； 演示裝置

1948年美國人Rabinow[1]發現磁流變效應。磁流變液既具有液體的流動性又具有固體鐵磁物質的磁性,可由磁場控制將其保持在任意位置。磁流變液是一種智能分散體材料的懸濁液,由三部分組成:鐵磁性懸浮相、有機懸浮介質和添加劑[2-5]。鐵磁性懸浮相一般為鐵粉或鐵合金粉。有機懸浮介質一般為礦物油或硅油。添加劑為表面活性劑、觸變劑、潤滑劑以及抗凍劑、緩蝕劑等。磁流變液將磁性與液體的流動性兩者統一在一起,從而孕育了很多方面如機械、電子、航空航天、化工、能源、冶金、儀表、環保、醫療等領域的應用[6-7]。

磁流變液在無外加磁場作用時表現為流動性良好的液體狀態,但在外加磁場的作用下可短時間(毫秒級)內增加2個數量級以上的表觀黏度,并呈現類似固體的力學性質,且黏度呈連續、無極、可逆變化,即一旦撤掉磁場后,又還原為流動的液體[8-9]。整個轉化過程極快,易于控制,能耗極小,可實現實時主動控制。磁流變液可以被用來制作制動器,離合器及變速器等[10-13]。

1　演示裝置原理

為了更好地演示磁流變液的制動力矩與外加磁場、物體轉動速率的關系。設計了一套磁流變液制動特性演示裝置,其原理圖見圖1。

在圖1中,當轉動圓盤在磁流變液中以角速度ω轉動時,會受到由固定圓筒通過磁流變液傳給的扭矩。在半徑為r處,磁流變液傳遞的扭矩T[14]可表示為

(1)

式中τ為剪切應力。

(2)

在施加磁場時,磁流變液的行為可以用Bingham流體模型近似處理,則其本構方程為

(3)

式中η為流體的零場表觀黏度。

由(2)式和(3)式可得

(4)

在固定圓筒與轉動圓盤之間的間隙內的磁場是均勻的,因此τy(B)與r無關。使ωr從ω到0,r從R1到R2對(4)式積分:

(5)

式中B為磁感應強度。

積分后整理可得:

(6)

2　演示裝置結構與控制方法

本演示儀器的實物圖,裝置裝配圖及其局部放大圖分別見圖2 (a)、(b)、(c)。圓柱筒外纏繞線圈構成螺線管，線圈與電源連接；線圈上部擋板的另一側粘合有支架,其上安裝滑輪。在圓柱筒中部放置制動圓盤,制動圓盤固定在制動軸上,制動軸穿過圓柱筒的封裝頂蓋及軸承，與滑輪固定,制動圓盤與滑輪固定在同一根連接軸上,因此同步轉動。砝碼用細線經過滑輪的凹槽連接在滑輪上。在制動圓盤以下2cm處,粘合一底蓋,磁流變液剛好沒過制動圓盤。

在局部放大圖中標注的各參量取值為:H=0.01 m,R1=0.021 68 m,R2=0.024 68 m；螺線管內徑R=0.298 3m,外徑R′=0.049 38 m,螺線管長L=0.075 m,匝數N=267 4；滑輪1與和滑輪10的半徑r′=0.025 63 m。

圖2　演示裝置實物圖,裝配圖及其局部放大圖

3　演示實驗理論分析

為了產生大小可調的勻強磁場，本演示儀器將使用密繞長直螺線管。設螺線管內半徑為R,外半徑為R′,總長為2L,電流強度為I,匝數為N,其連續電流分布的電流密度j可表示為

(7)

可根據畢奧-薩伐爾定律推導出密繞長直螺線管在軸心線中心點上產生的磁感應強度為

(8)

由于其磁場的均勻性較好,本文在計算時將以螺線管軸線中心點的磁場作為勻強磁場的數值。將螺線管各參數代入公式(7)和式(8)中可得:

j=911850I

(9)

B=157 50.61 μI

(10)

由于螺線管使用的銅導線較粗,且不可能繞制得非常密,故使用(10)式求B會帶來比較大的誤差,需要對(10)式進行修正。通過測量出通電螺線管內部實際磁場強度與電流的關系,對(10)修正如下:

B=5 015.92 μI

(11)

由(11)式可知B與I呈線性關系,因為電流相比于磁場方便測量并且利于控制,因此將通過測量電流與扭矩、速率的關系來反映出磁場與扭矩、速率的關系。本實驗儀器所使用的磁流變液是SG-MRF2035型磁流變液,它的零場表觀黏度η=0.24Pa·s,磁導率μ=4.05×10-6N/A2。SG-MRF2035型磁流變液的動態剪切屈服應力τy(B)可表示為

(12)

將(11)代入(12)并將μ=4.05×10-6N/A2代入可得:

(13)

在圖2中,由于滑輪10的半徑為r′=0.025 63 m,當砝碼以速率v勻速下落時,轉動圓盤的角速度ω可表示為

(14)

圖2中的制動圓盤受到的扭矩T可由公式(6)求出。將h=0.008 34 m,R1=0.021 68m,R2=0.024 68 m,η=0.24 Pa·s以及(13)、(14)式代入(6)式可得:

(15)

在圖2中,制動圓盤也會受到由圓柱筒的封裝底蓋通過磁流變液傳遞的力矩,但此力矩相對于圓柱筒通過磁流變液傳遞給制動圓盤的扭矩小很多,可以忽略。因此將采用(15)式得出扭矩與電流、速率的關系式,得到電流與扭矩、速率的關系等于得出磁場與扭矩、速率的關系。

4　演示實驗操作與結果分析

4.1電流與扭矩的關系

將線圈與直流穩壓電源連接,調節砝碼的質量為30g,使其由靜止開始的下落,為方便測量,控制電流使得砝碼在下落一定的高度后達到都以0.25m/s的速率勻速下落；增加砝碼的質量,改變電流大小,使得砝碼保持速率不變、勻速下落,測得砝碼勻速下落時的電流分別如表1所示。由砝碼重力G與滑輪的半徑r代入扭矩公式T=Gr,可得一組電流I與扭矩T的對應數據,見表1。由公式(15)和實驗數據得到電流與扭矩關系的理論曲線和實驗曲線見圖3，圖中實驗曲線的T值由T=Gr計算，理論曲線的T由式(15)計算。

表1　電流與扭矩的關系

圖3　電流與扭矩的關系曲線

4.2電流與砝碼速率的關系

為了方便計算重力力矩,現采用質量m=60g的砝碼,保持砝碼質量不變,使電流由小到大不斷增加,得到一組電流與砝碼速率的相關數據見表2。由公式(15)和實驗數據分別得到電流與速率關系的理論曲線和實驗曲線見圖4，圖4中理率曲線的T值由(15)式計算。

表2　電流與砝碼速率的關系

圖4　電流與速率的關系曲線

4.3實驗結果分析

由圖3所示,電流與扭矩關系實驗曲線與理論曲線變化趨勢一致,略有偏差。偏差存在原因如下:當電流在0～0.75A范圍內時,由于電流產生的磁場較小,磁流變液的流變程度較小,由此產生的扭矩也較小。因此由演示儀器各接觸點存在的摩擦力所產生的扭矩相對于磁流變液產生的扭矩將不可忽略，故扭矩的實驗值高于理論值。當電流大于0.75A時,由于電流較大,螺線管線圈較厚,線圈將產生一定的熱量,從而使磁流變液升溫。隨著溫度的升高,磁流變液的表觀黏度會減小,使得磁流變液的剪切應力減小,從而減小了磁流變液的扭矩,使得扭矩的實驗值小于理論值。雖然存在上述偏差,但理論曲線與實驗曲線的總體趨勢是一樣的,在砝碼速率一定時磁流變液產生的力矩隨電流增大而增大,因此可以得出結論:當砝碼運動速率一定時,磁流變液產生的力矩隨磁場強度增大而增大。

如圖4所示,電流與速率關系實驗曲線與理論曲線變化趨勢一致,但也存在偏差。偏差原因分析如下:當電流小于0.8A時,由于摩擦扭矩相對較大,實驗中砝碼的速率達不到理論預測值,而且電流越小,摩擦力越不可忽略,誤差就越大。當電流大于0.8A時,雖然摩擦扭矩相對變小,但由于溫度的影響,磁流變液的剪切應力將減小。為了維持扭矩的平衡,只有增加砝碼下落的速率,從而使得砝碼的真實速率大于理論預測值。總體而言,電流與速率的實際曲線和理論曲線的趨勢基本一致,可以得出結論:當磁流變液產生的力矩一定時,砝碼下落速率隨磁場強度增大而減小。

5　結語

本演示儀器是專門為演示磁流變液的流變特性而研制的,它可以形象地演示出磁流變液流變制動性質隨外加條件變化而變化的特點,直觀展示了磁場、扭矩、轉速之間的關系。本裝置性能穩定,體積小,操作簡單,現象明顯,并已經應用在大學物理課程教學中,在使用過程中很好地提高了學生學習的積極性和興趣,具有很高的推廣價值。

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Developmentofdemonstrationinstrumentforbrakecharacteristicsofmagnetorheologicalfluid

ChenWenjuan,LiJinning,LiuFengxiang,YuanShundong,LiuBing

(DepartmentofPhysics,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Abstract:Inordertodemonstratethebrakecharacteristicsofthemagnetorheologicalfluid,thispaperintroducesadesignprincipleandworkmethodofthemagnetorheologicalfluidbrakecharacteristicsdemonstrationdevice,whichshowsthebrakecapacityofmagnetorheologicalfluiddirectly,bydemonstratingtherelationbetweenthemagneticfield,torsionandrotatingspeed.Thedevicehasmadegoodinfluenceinthecollegephysicsteachingforitsstableperformanceandeasyoperation.

magnetorheologicalfluid；brakecharacteristics；demonstrationdevice

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.022

2016-01-17

山東省自然科學基金項目(ZR2015AM023)；中國石油大學(華東)校級重大教學研究與實踐項目(JY-A201402)；中國石油大學(華東)大學生創新創業訓練項目 (20151298)

陳文娟(1969—)，女，山東昌邑，碩士，高級實驗師，主要從事儀器管理與制作研究工作.

E-mail：Lijinningupc@163.com

TB381；G484

A

1002-4956(2016)7-0092-04