盤式磁流變液制動特性演示儀的設計

李津寧 劉鳳祥 李 琪 陳文娟 袁順東

[中國石油大學(華東)理學院 山東 青島 266555]

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盤式磁流變液制動特性演示儀的設計

李津寧 劉鳳祥 李 琪 陳文娟 袁順東

[中國石油大學(華東)理學院 山東 青島 266555]

磁流變液是一種在磁場作用下其流變學性能可作出迅速響應, 且易于控制的新型智能材料.為了演示磁流變液的制動特性，設計了一種盤式磁流變液制動特性演示裝置，介紹了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.

磁流變液 制動特性 演示裝置

磁流變液是一種新型智能材料，由美國人Rabinow[1]在1948年率先發現.它在無外加磁場時, 流變特性與普通牛頓流體類似；但在外加磁場作用下, 其表觀粘度可在毫秒級內增加幾個數量級, 并呈現類似固體的力學性質，可近似認為是Bingham流體[2～5];一旦去掉磁場, 又變成可以流動的液體.這種轉變過程具有可逆性、連續可控性和響應快速性等特征，因此磁流變液被廣泛應用于汽車、機械、航空等領域.

基于磁流變液這種特性，能用來制成電流控制制動程度的制動器，可以實現無級調節,而且便于用計算機加以控制.基于磁流變液設計的制動器作用平穩、均衡，結構緊湊,與目前的渦流和遲滯制動器相比,具有所需運行功率小,控制容易,作用平穩,能夠在低速下進行高扭矩的制動等優點[6～9].

1 實驗原理

為了演示磁流變液的制動特性，本實驗設計了一套磁流變液制動特性演示裝置，該裝置的原理圖如圖1所示.

當轉動盤Q以角速度ω轉動時，會受到固定盤P通過磁流變液傳遞給Q的扭矩.建立柱坐標系,取固定盤上表面與轉軸交點為原點，z軸沿豎直方向，

當磁流變液的厚度H較小時，可認為ω沿z軸線性分布[10]，即

(1)

(2)

圖1 磁流變液制動特性演示裝置實驗原理圖

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，在(z,r)處的剪切應力滿足下列關系

(3)

其中,τz(B)為與磁感應強度B有關的動態剪切應力；η為流體的彈性粘度.由固定盤P通過磁流變液傳遞給轉動盤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)

當磁流變液中磁性顆粒未達到完全飽和時，τz(B)可以近似表示為

τz(B)=αBn

(6)

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

(7)

式(7)中,T為轉動圓盤的阻力矩，右邊第一項為磁場阻力矩，右邊第二項為粘滯阻力矩.由此可知，當盤的半徑R，磁流變液的厚度H一定時，轉動圓盤的阻力矩T與磁場阻力矩及粘滯阻力矩的關系可寫成

T=ABn+C ω

(8)

其中

分別為與裝置及磁流變液有關的常量.

2 實驗裝置設計

本實驗裝置的模型圖如圖2所示，圓柱筒外纏繞線圈與電源連接；線圈上部擋板的另一側粘合有支架，其上安裝滑輪.在柱筒中部放置制動圓盤，它固定在制動軸上，制動軸穿過圓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.在制動圓盤以下處，粘合一底蓋，底蓋與制動圓盤之間灌滿磁流變液.

圖2 實驗裝置模型圖

當砝碼開始下落時，細線會帶動滑輪1以及滑輪2轉動.滑輪2通過制動軸3帶動固定在另一端的制動圓盤4開始旋轉.調節線圈中的電流可改變作用在磁流變液上的磁場強度，從而改變制動圓盤4的阻力扭矩，改變其轉速.

3 實驗操作及分析

3.1 扭矩與轉速的關系實驗

將線圈與直流穩壓電源連接，為了使得實驗效果明顯，給線圈提供電壓為15 V的穩定電壓，使磁場恒定.調節砝碼的重量為10 g，使其由靜止開始下落，在下落一定的高度后達到勻速，使用光電門測速裝置測得砝碼的下落速度v0=5.1 cm/s.保持磁場強度不變，增加砝碼的重量后，采用同樣的方法，測得砝碼勻速下落時的速度分別如表1所示.根據表1數據，繪制出砝碼質量與砝碼下落速度關系圖，如圖3所示.

表1 不同質量砝碼勻速下降時的速度

圖3 砝碼質量與砝碼下落速度的關系

由圖3可知，當砝碼勻速下落時

T-ABn-Cω=0

在磁場阻力矩不變的情況下，動力矩與粘滯阻力矩成正比，即砝碼的重量越大，轉動圓盤的動力矩越大，轉動的角速度越大，液體對轉動圓盤的粘滯阻力矩也越大.

3.2 磁場與轉速的關系實驗

將線圈與直流穩壓電源連接，給線圈提供電壓為5 V的穩定電壓.為方便測量調節砝碼的重量為10 g，使其下落一段距離后，采用光電門測速裝置測得砝碼勻速下落的速率，隨后保持砝碼重量不變.當砝碼勻速下落時，增大電源的電壓，即提高磁場強度，砝碼下落的速度減慢，繼續增強磁場，砝碼下落的速度進一步降低，當磁場強度達到一定程度，可觀察到砝碼停止下落.改變加載在線圈兩端的電壓，即改變磁場的強度，可觀察到砝碼從下降開始到停止的時間不同，如表2所示.根據表2數據，繪制出通入電壓與砝碼下落時間關系圖，如圖4所示.

表2 不同電壓時砝碼下落到停止的時間

圖4 通入電壓與砝碼下落時間關系

由圖4可知，當砝碼勻速下落時

T-ABn-Cω=0

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

4 結束語

通過設計制作的演示裝置，可以形象地演示出磁流變液制動性質隨外磁場、轉速變化而變化的特點，直觀演示了磁場、扭矩、轉速之間的關系.本裝置性能穩定，便于操作演示，并已經應用在大學物理演示教學中，在使用過程中大大提高了學生學習的積極性和興趣，具有很高的推廣價值.

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.重慶大學學報，2003,26(5)：72～74

3 張進秋，張建，孔亞男，等.磁流變液及其應用研究綜述.裝甲兵工程學院學報，2010,24(2)：2～5

4 宋宇. 磁流變液制動器結構研究與性能仿真：[學位論文].哈爾濱：東北林業大學，2011

5 田祖織.磁流變液及其傳動技術研究：[學位論文].徐州：中國礦業大學，2012

6 黎文峰，龔濤，黃宜堅.磁流變技術及應用.黑龍江工程學院學報(自然科學版)，2007,21(3):41～61

7 王鴻云，鄭慧強，李泳鮮.磁流變液的研究及應用.機械設計，2008，25(5)：2～4

8 汪建曉，孟光.磁流變液研究進展.航空學報,2002,23(1):6～7

9 魏齊龍，王超，羅清，等.磁場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.磁流變液制動器的分析與設計：[學位論文].重慶：重慶理工大學重慶汽車學院，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

*山東省自然科學基金項目，項目編號：ZR2015AM023；中國石油大學(華東)校級重大教學研究與實踐項目,項目編號：JY-A201402；中國石油大學(華東)大學生創新創業訓練項目，項目編號：20151298；中央高?；究蒲袠I務專項資金資助.

李津寧(1996- ),男，在讀本科生，主要從事磁流變液制動特性的研究.

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

2016-06-30)