盤(pán)式磁流變液制動(dòng)特性演示儀的設(shè)計(jì)

李津?qū)?劉鳳祥 李 琪 陳文娟 袁順東

[中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院 山東 青島 266555]

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盤(pán)式磁流變液制動(dòng)特性演示儀的設(shè)計(jì)

李津?qū)?劉鳳祥 李 琪 陳文娟 袁順東

[中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院 山東 青島 266555]

磁流變液是一種在磁場(chǎng)作用下其流變學(xué)性能可作出迅速響應(yīng), 且易于控制的新型智能材料.為了演示磁流變液的制動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了一種盤(pán)式磁流變液制動(dòng)特性演示裝置，介紹了裝置的設(shè)計(jì)原理和工作方法.該裝置通過(guò)演示磁場(chǎng)、扭矩、轉(zhuǎn)速之間的變化關(guān)系，對(duì)磁流變液的制動(dòng)特性做了直觀(guān)形象的展示.

磁流變液 制動(dòng)特性 演示裝置

磁流變液是一種新型智能材料，由美國(guó)人Rabinow[1]在1948年率先發(fā)現(xiàn).它在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí), 流變特性與普通牛頓流體類(lèi)似；但在外加磁場(chǎng)作用下, 其表觀(guān)粘度可在毫秒級(jí)內(nèi)增加幾個(gè)數(shù)量級(jí), 并呈現(xiàn)類(lèi)似固體的力學(xué)性質(zhì)，可近似認(rèn)為是Bingham流體[2～5];一旦去掉磁場(chǎng), 又變成可以流動(dòng)的液體.這種轉(zhuǎn)變過(guò)程具有可逆性、連續(xù)可控性和響應(yīng)快速性等特征，因此磁流變液被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)械、航空等領(lǐng)域.

基于磁流變液這種特性，能用來(lái)制成電流控制制動(dòng)程度的制動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),而且便于用計(jì)算機(jī)加以控制.基于磁流變液設(shè)計(jì)的制動(dòng)器作用平穩(wěn)、均衡，結(jié)構(gòu)緊湊,與目前的渦流和遲滯制動(dòng)器相比,具有所需運(yùn)行功率小,控制容易,作用平穩(wěn),能夠在低速下進(jìn)行高扭矩的制動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[6～9].

1 實(shí)驗(yàn)原理

為了演示磁流變液的制動(dòng)特性，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套磁流變液制動(dòng)特性演示裝置，該裝置的原理圖如圖1所示.

當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)Q以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到固定盤(pán)P通過(guò)磁流變液傳遞給Q的扭矩.建立柱坐標(biāo)系,取固定盤(pán)上表面與轉(zhuǎn)軸交點(diǎn)為原點(diǎn)，z軸沿豎直方向，

當(dāng)磁流變液的厚度H較小時(shí)，可認(rèn)為ω沿z軸線(xiàn)性分布[10]，即

(1)

(2)

圖1 磁流變液制動(dòng)特性演示裝置實(shí)驗(yàn)原理圖

在施加磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液的行為可以用Bingham流體模型近似處理，在(z,r)處的剪切應(yīng)力滿(mǎn)足下列關(guān)系

(3)

其中,τz(B)為與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)的動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)力；η為流體的彈性粘度.由固定盤(pán)P通過(guò)磁流變液傳遞給轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)Q的扭矩可表示為

(4)

將式(2)、(3)代入式(4)積分并整理可得

(5)

當(dāng)磁流變液中磁性顆粒未達(dá)到完全飽和時(shí)，τz(B)可以近似表示為

τz(B)=αBn

(6)

式中α為常量，n的數(shù)值在1到2之間，依賴(lài)于不同的流體材料.將式(6)代入式(5)可得

(7)

式(7)中,T為轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)的阻力矩，右邊第一項(xiàng)為磁場(chǎng)阻力矩，右邊第二項(xiàng)為粘滯阻力矩.由此可知，當(dāng)盤(pán)的半徑R，磁流變液的厚度H一定時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)的阻力矩T與磁場(chǎng)阻力矩及粘滯阻力矩的關(guān)系可寫(xiě)成

T=ABn+C ω

(8)

其中

分別為與裝置及磁流變液有關(guān)的常量.

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)裝置的模型圖如圖2所示，圓柱筒外纏繞線(xiàn)圈與電源連接；線(xiàn)圈上部擋板的另一側(cè)粘合有支架，其上安裝滑輪.在柱筒中部放置制動(dòng)圓盤(pán)，它固定在制動(dòng)軸上，制動(dòng)軸穿過(guò)圓筒的封裝頂蓋及軸承與滑輪固定，制動(dòng)圓盤(pán)與滑輪固定在同一根連接軸上，因此同步轉(zhuǎn)動(dòng)，砝碼用細(xì)線(xiàn)經(jīng)過(guò)滑輪的凹槽連接在滑輪上.在制動(dòng)圓盤(pán)以下處，粘合一底蓋，底蓋與制動(dòng)圓盤(pán)之間灌滿(mǎn)磁流變液.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置模型圖

當(dāng)砝碼開(kāi)始下落時(shí)，細(xì)線(xiàn)會(huì)帶動(dòng)滑輪1以及滑輪2轉(zhuǎn)動(dòng).滑輪2通過(guò)制動(dòng)軸3帶動(dòng)固定在另一端的制動(dòng)圓盤(pán)4開(kāi)始旋轉(zhuǎn).調(diào)節(jié)線(xiàn)圈中的電流可改變作用在磁流變液上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而改變制動(dòng)圓盤(pán)4的阻力扭矩，改變其轉(zhuǎn)速.

3 實(shí)驗(yàn)操作及分析

3.1 扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系實(shí)驗(yàn)

將線(xiàn)圈與直流穩(wěn)壓電源連接，為了使得實(shí)驗(yàn)效果明顯，給線(xiàn)圈提供電壓為15 V的穩(wěn)定電壓，使磁場(chǎng)恒定.調(diào)節(jié)砝碼的重量為10 g，使其由靜止開(kāi)始下落，在下落一定的高度后達(dá)到勻速，使用光電門(mén)測(cè)速裝置測(cè)得砝碼的下落速度v0=5.1 cm/s.保持磁場(chǎng)強(qiáng)度不變，增加砝碼的重量后，采用同樣的方法，測(cè)得砝碼勻速下落時(shí)的速度分別如表1所示.根據(jù)表1數(shù)據(jù)，繪制出砝碼質(zhì)量與砝碼下落速度關(guān)系圖，如圖3所示.

表1 不同質(zhì)量砝碼勻速下降時(shí)的速度

圖3 砝碼質(zhì)量與砝碼下落速度的關(guān)系

由圖3可知，當(dāng)砝碼勻速下落時(shí)

T-ABn-Cω=0

在磁場(chǎng)阻力矩不變的情況下，動(dòng)力矩與粘滯阻力矩成正比，即砝碼的重量越大，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)的動(dòng)力矩越大，轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度越大，液體對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)的粘滯阻力矩也越大.

3.2 磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系實(shí)驗(yàn)

將線(xiàn)圈與直流穩(wěn)壓電源連接，給線(xiàn)圈提供電壓為5 V的穩(wěn)定電壓.為方便測(cè)量調(diào)節(jié)砝碼的重量為10 g，使其下落一段距離后，采用光電門(mén)測(cè)速裝置測(cè)得砝碼勻速下落的速率，隨后保持砝碼重量不變.當(dāng)砝碼勻速下落時(shí)，增大電源的電壓，即提高磁場(chǎng)強(qiáng)度，砝碼下落的速度減慢，繼續(xù)增強(qiáng)磁場(chǎng)，砝碼下落的速度進(jìn)一步降低，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度，可觀(guān)察到砝碼停止下落.改變加載在線(xiàn)圈兩端的電壓，即改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度，可觀(guān)察到砝碼從下降開(kāi)始到停止的時(shí)間不同，如表2所示.根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制出通入電壓與砝碼下落時(shí)間關(guān)系圖，如圖4所示.

表2 不同電壓時(shí)砝碼下落到停止的時(shí)間

圖4 通入電壓與砝碼下落時(shí)間關(guān)系

由圖4可知，當(dāng)砝碼勻速下落時(shí)

T-ABn-Cω=0

在T不變的情況下，磁場(chǎng)阻力矩與粘滯阻力矩成反比，即磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，磁場(chǎng)阻力矩增大，砝碼下落到停止的時(shí)間變長(zhǎng)，即速度減慢，粘滯阻力矩減小,磁場(chǎng)強(qiáng)度與砝碼下落的速度成反比.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)制作的演示裝置，可以形象地演示出磁流變液制動(dòng)性質(zhì)隨外磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)速變化而變化的特點(diǎn)，直觀(guān)演示了磁場(chǎng)、扭矩、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系.本裝置性能穩(wěn)定，便于操作演示，并已經(jīng)應(yīng)用在大學(xué)物理演示教學(xué)中，在使用過(guò)程中大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和興趣，具有很高的推廣價(jià)值.

1 Rabinow J. The magnetic fluid clutch. AIEE Transact-ions, 1948, 67: 1 308～1 315

2 司鵠，彭向和.磁流變液的磁流變效應(yīng).重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,26(5)：72～74

3 張進(jìn)秋，張建，孔亞男，等.磁流變液及其應(yīng)用研究綜述.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010,24(2)：2～5

4 宋宇. 磁流變液制動(dòng)器結(jié)構(gòu)研究與性能仿真：[學(xué)位論文].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2011

5 田祖織.磁流變液及其傳動(dòng)技術(shù)研究：[學(xué)位論文].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2012

6 黎文峰，龔濤，黃宜堅(jiān).磁流變技術(shù)及應(yīng)用.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007,21(3):41～61

7 王鴻云，鄭慧強(qiáng)，李泳鮮.磁流變液的研究及應(yīng)用.機(jī)械設(shè)計(jì)，2008，25(5)：2～4

8 汪建曉，孟光.磁流變液研究進(jìn)展.航空學(xué)報(bào),2002,23(1):6～7

9 魏齊龍，王超，羅清，等.磁場(chǎng)作用下磁流變液的流變行為.磁性材料及器件，2013，44(1)：6～8

10劉成.磁流變液制動(dòng)器的分析與設(shè)計(jì)：[學(xué)位論文].重慶：重慶理工大學(xué)重慶汽車(chē)學(xué)院，2010

Design on the Demonstration Instrument for Braking Characteristic of the Disc Type Magnetorheological Fluid

Li Jinning Liu Fengxiang Li Qi Chen Wenjuan Yuan Shundong

(Department of Physics, China University of Petroleum, Qingdao, ShanDong 266580)

Magnetorheological fluid is an under magnetic field, its rheological properties can be responded rapidly, a new intelligent material and easy to control. In order to demonstrate the braking characteristics of magnetorheological fluid, a disk type magnetorheological fluid brake characteristic demonstration device design, introduces the design principle and working method of the device. The relationship between the device through the demonstration of changes between the magnetic field and torque, speed, braking characteristics of magnetorheological fluid for visual display.

magnetorheological fluid；braking characteristics；demonstration experiment

*山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：ZR2015AM023；中國(guó)石油大學(xué)(華東)校級(jí)重大教學(xué)研究與實(shí)踐項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào)：JY-A201402；中國(guó)石油大學(xué)(華東)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：20151298；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)資金資助.

李津?qū)?1996- ),男，在讀本科生，主要從事磁流變液制動(dòng)特性的研究.

陳文娟(1969- )，女，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事儀器管理與制作研究工作.

2016-06-30)