李津?qū)? 陳文娟

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

磁流變液制動(dòng)特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置研制

李津?qū)? 陳文娟

(中國(guó)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(dòng)特性設(shè)計(jì)了一種測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置,該裝置可通過控制外加磁場(chǎng)的大小來改變磁流變液的黏滯程度,從而控制制動(dòng)過程。利用單片機(jī)采集制動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速、制動(dòng)時(shí)間以及線圈中勵(lì)磁電流等參量,使用VB上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪制出不同情況下的制動(dòng)特性曲線。通過對(duì)各制動(dòng)參量的理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)量以探究磁流變液的制動(dòng)特性。

磁流變液； 制動(dòng)特性； VB上位機(jī)

磁流變液是1948年美國(guó)人Rabinow發(fā)現(xiàn)的一種黏度可控的流體,在沒有外加磁場(chǎng)時(shí)它表現(xiàn)為流動(dòng)性良好的牛頓流體,當(dāng)外加磁場(chǎng)足夠大時(shí),其流動(dòng)性完全消失并表現(xiàn)出類似固體的力學(xué)性質(zhì)[1-3]?；谶@種特性,磁流變液可被用來制作制動(dòng)裝置,這種制動(dòng)裝置中磁流變液在發(fā)生流變后可充當(dāng)“制動(dòng)蹄”產(chǎn)生制動(dòng)力矩[4-6]。目前對(duì)磁流變液制動(dòng)特性的研究多處于理論仿真階段[7-10],很少有通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的研究,因此對(duì)磁流變液制動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究十分必要。

1 磁流變液制動(dòng)器裝置原理

磁流變液制動(dòng)器中,磁流變液的制動(dòng)特性主要表現(xiàn)為制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩的大小,故可通過分析制動(dòng)器所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩研究磁流變液的制動(dòng)特性。現(xiàn)有磁流變液制動(dòng)器的設(shè)計(jì)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(jì),其原理圖見圖1。

圖1 圓盤式磁流變液制動(dòng)器原理圖

圖1中相距為H的2個(gè)圓盤之間充滿磁流變液,轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤C以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生流變效應(yīng)的那部分磁流變液會(huì)形成類似圓盤的形狀[12],設(shè)其半徑為R,此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤C會(huì)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(shí)可以認(rèn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)表明,磁流變液在施加磁場(chǎng)時(shí)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(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力,它與磁場(chǎng)強(qiáng)度B的大小有關(guān),η為磁流變液處在沒有磁場(chǎng)的情況下時(shí)的黏度。

由式(2)—(4)可得：

(5)

式(5)為磁流變液制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)力矩的理論公式?？梢钥闯?在制動(dòng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)、制動(dòng)圓盤的角速度以及磁流變液型號(hào)確定的情況下,制動(dòng)力矩僅與磁場(chǎng)強(qiáng)度B有關(guān),因此可以通過控制線圈勵(lì)磁電流I來改變磁場(chǎng)強(qiáng)度B從而控制制動(dòng)力矩。

2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示,裝置使用SG-MRF2035型磁流變液,它的零場(chǎng)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(dòng)器的設(shè)計(jì)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(lì)磁線圈匝數(shù)n=2 725。裝置實(shí)物圖見圖4。

圖2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 磁流變液制動(dòng)器設(shè)計(jì)圖

圖4 磁流變液制動(dòng)特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

裝置工作時(shí),電機(jī)通過主軸帶動(dòng)模擬制動(dòng)器負(fù)載的慣性飛輪轉(zhuǎn)動(dòng),并且?guī)?dòng)制動(dòng)器內(nèi)的制動(dòng)圓盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)。開始制動(dòng)時(shí),單片機(jī)切斷電機(jī)的電源的同時(shí)控制直流電源給制動(dòng)器的勵(lì)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(jī)；霍爾轉(zhuǎn)速傳感器采集制動(dòng)時(shí)慣性飛輪的轉(zhuǎn)速,并將飛輪的轉(zhuǎn)速信息傳給單片機(jī)。單片機(jī)將采集到的所有信息上傳給計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和處理。

2.2 軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用Visual Basic 6.0編寫測(cè)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(jī)功能結(jié)構(gòu)框圖

主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的管理和控制模塊,用于對(duì)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(jī)面板圖

采集速率可以根據(jù)單片機(jī)的采樣速率及發(fā)送速率進(jìn)行設(shè)置,串口的選擇由通信端口進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)采集模塊接收由單片機(jī)采集到的轉(zhuǎn)速、電流等數(shù)據(jù)在對(duì)應(yīng)的文本顯示窗口進(jìn)行顯示,繪圖模塊在圖像顯示窗口中實(shí)時(shí)繪制轉(zhuǎn)速隨時(shí)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(jì)算出制動(dòng)開始時(shí)的速度、整個(gè)制動(dòng)所需要的時(shí)間,從而方便對(duì)制動(dòng)性能進(jìn)行分析。

3 制動(dòng)特性研究

3.1 制動(dòng)參量的理論關(guān)系

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

將制動(dòng)器看作長(zhǎng)直螺線管,長(zhǎng)直螺線管中心磁場(chǎng)B與螺線管所通電流I成線性關(guān)系[14]。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量,制動(dòng)器內(nèi)部中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B與通過勵(lì)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(dòng)態(tài)剪切屈服應(yīng)力可表示為

(7)

由圖3可以看出，制動(dòng)圓盤受前后固定盤傳遞的力矩,由(5)式可得制動(dòng)時(shí)制動(dòng)圓盤所受到的制動(dòng)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(duì)制動(dòng)力矩影響較小,因此可以忽略不計(jì)。所以制動(dòng)力矩的理論公式可以表示為

(10)

以下對(duì)慣性飛輪所受的制動(dòng)力矩進(jìn)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(dòng)力矩。

剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)慣量,kg·m2；n為主軸轉(zhuǎn)速,r/min-1；t為時(shí)間,s。

當(dāng)制動(dòng)時(shí)間很短時(shí),制動(dòng)力矩的方程可以化簡(jiǎn)為

(13)

忽略裝置連接部件之間的阻力,制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)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(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

3.2.1 勵(lì)磁電流與制動(dòng)時(shí)間的關(guān)系

調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒為200 r/min，調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈兩端的電壓,得到一組對(duì)應(yīng)的電流I與制動(dòng)時(shí)間t的關(guān)系數(shù)據(jù)見表1。由公式(14)得到的勵(lì)磁電流與制動(dòng)時(shí)間的理論曲線與由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)繪制的實(shí)際曲線見圖7。

表1 勵(lì)磁電流與制動(dòng)時(shí)間關(guān)系數(shù)據(jù)

圖7 勵(lì)磁電流與制動(dòng)時(shí)間關(guān)系曲線

如圖7所示,勵(lì)磁電流與制動(dòng)時(shí)間的關(guān)系實(shí)際曲線與理論曲線趨勢(shì)基本一致,但是在通入相同電流的情況下實(shí)際制動(dòng)時(shí)間小于理論制動(dòng)時(shí)間。存在偏差的主要原因有：制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力矩不僅由磁流變液發(fā)生流變產(chǎn)生,裝置上的接觸點(diǎn)以及磁流變液本身的表觀黏度也會(huì)產(chǎn)生一定的力矩,這就導(dǎo)致了制動(dòng)時(shí)間小于理論制動(dòng)時(shí)間。從圖7中可以看出，當(dāng)勵(lì)磁電流較小時(shí),實(shí)際的制動(dòng)時(shí)間與理論制動(dòng)時(shí)間相差較大,但是隨著勵(lì)磁電流的增大,實(shí)際制動(dòng)時(shí)間接近理論制動(dòng)時(shí)間,這是因?yàn)楫?dāng)勵(lì)磁電流增大時(shí),線圈會(huì)產(chǎn)生大量的熱,這些熱量會(huì)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(shí)際的制動(dòng)時(shí)間接近理論制動(dòng)時(shí)間。

3.2.2 轉(zhuǎn)速與制動(dòng)時(shí)間的關(guān)系

調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈兩端的電壓,使制動(dòng)時(shí)流過勵(lì)磁線圈的電流恒定,大小為1 A,改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,得到一組對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n與制動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)間的理論曲線與由表2實(shí)驗(yàn)數(shù)繪制的實(shí)際曲線見圖8。

表2 轉(zhuǎn)速與制動(dòng)時(shí)間關(guān)系數(shù)據(jù)

圖8 轉(zhuǎn)速與制動(dòng)時(shí)間關(guān)系曲線

由圖8可知轉(zhuǎn)速與制動(dòng)時(shí)間的關(guān)系的實(shí)際曲線與理論曲線趨勢(shì)基本一致,但是在轉(zhuǎn)速相同的情況下實(shí)際的制動(dòng)時(shí)間小于理論的制動(dòng)時(shí)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(shí)的接觸點(diǎn)產(chǎn)生的摩擦阻力所致；隨著轉(zhuǎn)速增大,實(shí)際制動(dòng)時(shí)間與理論制動(dòng)時(shí)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(dòng)力矩越來越大,使得制動(dòng)時(shí)間越來越短。

4 結(jié)語(yǔ)

本裝置通過測(cè)量制動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速、制動(dòng)時(shí)間和線圈勵(lì)磁電流3個(gè)參量的變化關(guān)系對(duì)磁流變液的制動(dòng)特性進(jìn)行研究,并利用VB設(shè)計(jì)的上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,繪制出不同情況下的制動(dòng)特性曲線,直觀地展示了磁流變液的制動(dòng)特性。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便,既可用于演示磁流變液制動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)教學(xué),也可用于測(cè)試不同型號(hào)的磁流變液的制動(dòng)特性,可為今后磁流變液制動(dòng)器的研制提供數(shù)據(jù)支持,推進(jìn)磁流變液制動(dòng)器的實(shí)用化進(jìn)程。

References)

[1] Rabinow. The magnetic fluid clutch[J].AIEE Transactions,1948,67: 1308-1315.

[2] 韓易言,何國(guó)田,林遠(yuǎn)長(zhǎng),等. 磁流變液磁性顆粒的研究進(jìn)展[J]. 功能材料,2013,44(24):3513-3519.

[3] 魏齊龍,王超,羅清,等. 磁場(chǎng)作用下磁流變液的流變行為[J]. 磁性材料及器件,2013,44(1):6-9,43.

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

[5] 陳文娟,李津?qū)?劉鳳祥,等. 磁流變液制動(dòng)特性演示儀研制[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2016,33(7):92-95.

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

[7] 劉旭輝. 車用自增力式磁流變液制動(dòng)器研究[D]北京：清華大學(xué),2014.

[8] 吳杰,蔣學(xué)爭(zhēng),姚進(jìn),等. 新型雙層多線圈磁流變制動(dòng)器研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2016(5):201-209.

[9] 趙春偉,彭向和. 基于有限元計(jì)算的磁流變液特性分析及其與基于磁偶極子模型結(jié)果的比較[J]. 功能材料,2012,43(15):2098-2101.

[10] 華文林. 磁流變液制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué),2002.

[11] 劉成. 磁流變液制動(dòng)器的分析與設(shè)計(jì)[D].重慶：重慶理工大學(xué),2010.

[12] 張秋香,任衍坤,王利鋒,等. 圓盤式磁流變液傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)與仿真[J]. 機(jī)械傳動(dòng),2016(7):76-78,151.

[13] Carlson J D,Jolly M R. MR fluid,foam and elastomer devices. Mechatronics,2000,10(4/5): 555-569.

[14] 馮濤. 有限長(zhǎng)螺線管場(chǎng)分布特性分析[D]. 西安:西安電子科技大學(xué),2013.

[15] 王先鋒. 慣性制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理與分析[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2006.

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(xiàng)目(ZR2015AM023)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助(15X02077A)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目 (201610425059)；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(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(dòng)特性的研究

陳文娟(1969—)，女，山東昌邑.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.

E-mail：Lijinningupc@163.com

TB34

A

1002-4956(2017)07-0072-04