磁流變液制動特性測量實驗裝置研制

李津?qū)? 陳文娟

(中國石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院, 山東 青島 266580)

磁流變液制動特性測量實驗裝置研制

李津?qū)? 陳文娟

(中國石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院, 山東 青島 266580)

為研究磁流變液的制動特性設(shè)計了一種測量實驗裝置,該裝置可通過控制外加磁場的大小來改變磁流變液的黏滯程度,從而控制制動過程。利用單片機采集制動過程中轉(zhuǎn)速、制動時間以及線圈中勵磁電流等參量,使用VB上位機對采集的數(shù)據(jù)進行處理并繪制出不同情況下的制動特性曲線。通過對各制動參量的理論分析與實驗測量以探究磁流變液的制動特性。

磁流變液； 制動特性； VB上位機

磁流變液是1948年美國人Rabinow發(fā)現(xiàn)的一種黏度可控的流體,在沒有外加磁場時它表現(xiàn)為流動性良好的牛頓流體,當外加磁場足夠大時,其流動性完全消失并表現(xiàn)出類似固體的力學(xué)性質(zhì)[1-3]。基于這種特性,磁流變液可被用來制作制動裝置,這種制動裝置中磁流變液在發(fā)生流變后可充當“制動蹄”產(chǎn)生制動力矩[4-6]。目前對磁流變液制動特性的研究多處于理論仿真階段[7-10],很少有通過實驗進行的研究,因此對磁流變液制動特性的實驗研究十分必要。

1 磁流變液制動器裝置原理

磁流變液制動器中,磁流變液的制動特性主要表現(xiàn)為制動器產(chǎn)生的制動力矩的大小,故可通過分析制動器所產(chǎn)生的制動力矩研究磁流變液的制動特性。現(xiàn)有磁流變液制動器的設(shè)計方式主要分為圓盤式和圓筒式[11],其中圓盤式應(yīng)用較為廣泛。本裝置采用圓盤式設(shè)計,其原理圖見圖1。

圖1 圓盤式磁流變液制動器原理圖

圖1中相距為H的2個圓盤之間充滿磁流變液,轉(zhuǎn)動圓盤C以角速度ω轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生流變效應(yīng)的那部分磁流變液會形成類似圓盤的形狀[12],設(shè)其半徑為R,此時轉(zhuǎn)動圓盤C會受到固定圓盤F通過磁流變液傳遞給C的力矩。H比較小時可以認為ω是沿x軸線性分布的,沿x軸的角速度ωx可以表示為

(1)

(2)

由固定圓盤F通過磁流變液傳遞給轉(zhuǎn)動盤C的力矩T可表示為

(3)

式中τ是磁流變液產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。

根據(jù)大量實驗表明,磁流變液在施加磁場時的行為可以用Binghan模型近似處理,其本構(gòu)方程為[13]：

(4)

式中τx(B)是磁流變液產(chǎn)生的動態(tài)屈服應(yīng)力,它與磁場強度B的大小有關(guān),η為磁流變液處在沒有磁場的情況下時的黏度。

由式(2)—(4)可得：

(5)

式(5)為磁流變液制動器產(chǎn)生制動力矩的理論公式。可以看出,在制動器的設(shè)計參數(shù)、制動圓盤的角速度以及磁流變液型號確定的情況下,制動力矩僅與磁場強度B有關(guān),因此可以通過控制線圈勵磁電流I來改變磁場強度B從而控制制動力矩。

2 測量實驗裝置設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

測量實驗裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示,裝置使用SG-MRF2035型磁流變液,它的零場表觀黏度為0.24 Pa·s,磁導(dǎo)率為4.05×10-6N/A2。磁流變液制動器的設(shè)計圖見圖3,圖中各參數(shù)值：R1=0.05 m,R2=0.082 m,R3=0.02 m,H=0.02 m,L=0.05 m,勵磁線圈匝數(shù)n=2 725。裝置實物圖見圖4。

圖2 測量實驗裝置結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 磁流變液制動器設(shè)計圖

圖4 磁流變液制動特性測量實驗裝置實物圖

裝置工作時,電機通過主軸帶動模擬制動器負載的慣性飛輪轉(zhuǎn)動,并且?guī)又苿悠鲀?nèi)的制動圓盤一起轉(zhuǎn)動。開始制動時,單片機切斷電機的電源的同時控制直流電源給制動器的勵磁線圈兩端加所需電壓；電流傳感器采集流過線圈的電流大小,并將電流信息傳遞給單片機；霍爾轉(zhuǎn)速傳感器采集制動時慣性飛輪的轉(zhuǎn)速,并將飛輪的轉(zhuǎn)速信息傳給單片機。單片機將采集到的所有信息上傳給計算機,由計算機進行分析和處理。

2.2 軟件的設(shè)計

本系統(tǒng)利用Visual Basic 6.0編寫測控程序,程序主要包括主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、圖像繪制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊。其結(jié)構(gòu)框圖見圖5。

圖5 VB上位機功能結(jié)構(gòu)框圖

主控模塊是整個系統(tǒng)的管理和控制模塊,用于對系統(tǒng)軟件的管理,包括設(shè)置數(shù)據(jù)采集的速率、端口等。主控面板見圖6。

圖6 上位機面板圖

采集速率可以根據(jù)單片機的采樣速率及發(fā)送速率進行設(shè)置,串口的選擇由通信端口進行設(shè)置。數(shù)據(jù)采集模塊接收由單片機采集到的轉(zhuǎn)速、電流等數(shù)據(jù)在對應(yīng)的文本顯示窗口進行顯示,繪圖模塊在圖像顯示窗口中實時繪制轉(zhuǎn)速隨時間變化的曲線,數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計算出制動開始時的速度、整個制動所需要的時間,從而方便對制動性能進行分析。

3 制動特性研究

3.1 制動參量的理論關(guān)系

制動器產(chǎn)生的制動力矩可以通過制動時間和飛輪轉(zhuǎn)速計算得出,在忽略連接件摩擦力的情況下,飛輪所受到的制動力矩與制動器所產(chǎn)生的制動力矩相同,由此可以導(dǎo)出電流、制動時間和飛輪轉(zhuǎn)速三者之間關(guān)系。本裝置通過測量與分析這三者的關(guān)系對磁流變液制動特性進行研究。

將制動器看作長直螺線管,長直螺線管中心磁場B與螺線管所通電流I成線性關(guān)系[14]。經(jīng)過實驗測量,制動器內(nèi)部中心磁感應(yīng)強度B與通過勵磁線圈的電流I的關(guān)系如下：

(6)

本裝置使用的SG-MRF2035型磁流變液動態(tài)剪切屈服應(yīng)力可表示為

(7)

由圖3可以看出，制動圓盤受前后固定盤傳遞的力矩,由(5)式可得制動時制動圓盤所受到的制動力矩Ta大小為

(8)

將H=0.02 m,R=0.04 m,η=0.24Pa·s以及(7)式代入(8)式中可得到：

(9)

由式(9)可以看出,角速度ω對制動力矩影響較小,因此可以忽略不計。所以制動力矩的理論公式可以表示為

(10)

以下對慣性飛輪所受的制動力矩進行分析。設(shè)n為主軸的轉(zhuǎn)速、Tb為慣性飛輪所受到的制動力矩。

剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的微分方程為[15]

(11)

式中,M為剛體所受力矩；Jb為剛體的轉(zhuǎn)動慣量。

(12)

式中,Tb為飛輪所受力矩,N·m；Jb為慣性飛輪的轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2；n為主軸轉(zhuǎn)速,r/min-1；t為時間,s。

當制動時間很短時,制動力矩的方程可以化簡為

(13)

忽略裝置連接部件之間的阻力,制動器產(chǎn)生的制動力矩與慣性飛輪受到的力矩相同,即Ta=Tb。Jb=9×10-4kg·m2,因此有

(14)

3.2 實驗測試結(jié)果及分析

3.2.1 勵磁電流與制動時間的關(guān)系

調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速恒為200 r/min，調(diào)節(jié)勵磁線圈兩端的電壓,得到一組對應(yīng)的電流I與制動時間t的關(guān)系數(shù)據(jù)見表1。由公式(14)得到的勵磁電流與制動時間的理論曲線與由表1實驗數(shù)繪制的實際曲線見圖7。

表1 勵磁電流與制動時間關(guān)系數(shù)據(jù)

圖7 勵磁電流與制動時間關(guān)系曲線

如圖7所示,勵磁電流與制動時間的關(guān)系實際曲線與理論曲線趨勢基本一致,但是在通入相同電流的情況下實際制動時間小于理論制動時間。存在偏差的主要原因有：制動時制動力矩不僅由磁流變液發(fā)生流變產(chǎn)生,裝置上的接觸點以及磁流變液本身的表觀黏度也會產(chǎn)生一定的力矩,這就導(dǎo)致了制動時間小于理論制動時間。從圖7中可以看出，當勵磁電流較小時,實際的制動時間與理論制動時間相差較大,但是隨著勵磁電流的增大,實際制動時間接近理論制動時間,這是因為當勵磁電流增大時,線圈會產(chǎn)生大量的熱,這些熱量會使磁流變液升溫,從而降低磁流變液的表觀黏度,使得由于磁流變液自身黏度產(chǎn)生的力矩減小,使得實際的制動時間接近理論制動時間。

3.2.2 轉(zhuǎn)速與制動時間的關(guān)系

調(diào)節(jié)勵磁線圈兩端的電壓,使制動時流過勵磁線圈的電流恒定,大小為1 A,改變電機的轉(zhuǎn)速,得到一組對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n與制動時間t之間的關(guān)系數(shù)據(jù)見表2。由公式(15)得到轉(zhuǎn)速與制動時間的理論曲線與由表2實驗數(shù)繪制的實際曲線見圖8。

表2 轉(zhuǎn)速與制動時間關(guān)系數(shù)據(jù)

圖8 轉(zhuǎn)速與制動時間關(guān)系曲線

由圖8可知轉(zhuǎn)速與制動時間的關(guān)系的實際曲線與理論曲線趨勢基本一致,但是在轉(zhuǎn)速相同的情況下實際的制動時間小于理論的制動時間。存在誤差的原因也是由于磁流變液自身的表觀黏度以及裝置連結(jié)密封時的接觸點產(chǎn)生的摩擦阻力所致；隨著轉(zhuǎn)速增大,實際制動時間與理論制動時間相差較大,這是由于隨著轉(zhuǎn)速增大,磁流變液的表觀黏度產(chǎn)生的制動力矩越來越大,使得制動時間越來越短。

4 結(jié)語

本裝置通過測量制動過程中的轉(zhuǎn)速、制動時間和線圈勵磁電流3個參量的變化關(guān)系對磁流變液的制動特性進行研究,并利用VB設(shè)計的上位機對采集的數(shù)據(jù)進行處理,繪制出不同情況下的制動特性曲線,直觀地展示了磁流變液的制動特性。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,既可用于演示磁流變液制動特性的實驗教學(xué),也可用于測試不同型號的磁流變液的制動特性,可為今后磁流變液制動器的研制提供數(shù)據(jù)支持,推進磁流變液制動器的實用化進程。

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Development of experimental device for measuring braking characteristics of magnetorheological fluid

Li Jinning, Chen Wenjuan

(College of Science,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

In order to study the braking characteristics of magnetorheological fluid,a measuring device is designed,which can control the braking process by changing the viscosity of the magnetorheological fluid through controlling the magnitude of the external magnetic field. SCM is used to collect the parameters about the speed,the braking time and the exciting current in the coil,and the collected data is processed and the braking characteristic curve under different conditions is drawn by the VB host computer. Through the theoretical analysis and experimental measurement of the braking parameters,the braking characteristics of the magnetorheological fluid are explored.

magnetorheological fluid; braking characteristics; VB host computer

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.020

2017-01-11

2017-03-06

山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2015AM023)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項資金資助(15X02077A)；中國石油大學(xué)(華東)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目 (201610425059)；中國石油大學(xué)(華東)校級重大教學(xué)研究與實踐項目(JY-A202618)

李津?qū)?1996—)，男，內(nèi)蒙古赤峰，本科生，主要從事磁流變液制動特性的研究

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

TB34

A

1002-4956(2017)07-0072-04