李名杰,呂 勇,李友榮,魯光濤,宋鋼兵,2

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點實驗室,中國武漢,430081; 2.休斯頓大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)實驗室,美國休斯頓,77004)

筒式磁流變液聯(lián)軸器設(shè)計與實驗研究

李名杰1,呂 勇1,李友榮1,魯光濤1,宋鋼兵1,2

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點實驗室,中國武漢,430081; 2.休斯頓大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)實驗室,美國休斯頓,77004)

討論結(jié)構(gòu)設(shè)計、外加磁場、輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對MRF聯(lián)軸器傳動扭矩的影響。在Bingham模型基礎(chǔ)上,通過理論計算,得出筒式結(jié)構(gòu)扭矩傳遞值在工作間隙減小過程中趨于某一極限值結(jié)論,按此結(jié)論設(shè)計出傳動實驗裝置,通過實驗對筒式磁流變液連軸器的輸出性能進行驗證,所得實驗結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)果相吻合。

磁流變液;聯(lián)軸器;筒式結(jié)構(gòu)

磁流變液(MRF)是一類新型智能材料,它是由飽和磁感應(yīng)強度高矯頑力小的軟磁微粒分散于不導(dǎo)磁油液中所形成的一種懸濁液。在外加磁場下,該懸濁液的結(jié)構(gòu)和性能會發(fā)生瞬間改變,其粘滯系數(shù)因大數(shù)量級的增加而表現(xiàn)出類固體性能,該類固體的屈服強度隨外加磁場變化而變化。MRF用于扭矩的研制目前有:Bansbach[1]設(shè)計的多片式和雙盤式磁流變轉(zhuǎn)矩傳遞裝置;Gopalswamy[2]等關(guān)于降低風(fēng)扇離合器磁阻的MRF離合器設(shè)想;Hamp ton[3]設(shè)計的小間隙和高磁通量密度的M RF聯(lián)軸器;Carlson[4]關(guān)于與飛輪做成一體的M RF制動器設(shè)想;Kavlicoglu[5]關(guān)于雙圓盤式大轉(zhuǎn)矩磁流變離合器的實驗(轉(zhuǎn)矩為7.9 N·m);中國科技大學(xué)試制的帶加壓裝置的M RF離合器(實驗轉(zhuǎn)矩為7 N·m)。然而,上述諸研制的不足是裝置傳遞的扭矩值較低。

本文就MRF聯(lián)軸器用于重載傳動輥道沖擊減震和離合控制問題,討論結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素對MRF傳動扭矩的影響,并制作相應(yīng)實驗平臺,驗證磁流變液聯(lián)軸器(MRC)的輸出性能。

1 M RC設(shè)計理論

1.1 本構(gòu)模型

M RC利用磁流變液智能材料在剪切模式下的工作性能,利用MRF聯(lián)軸器傳動、減震、緩沖、離合等的“智能”特性在兩傳動軸之間進行能量傳遞。MRC中的磁流變液在無外加磁場作用時表現(xiàn)為牛頓流體,當(dāng)施加外加磁場后,在極短時間內(nèi)(數(shù)毫秒)表現(xiàn)為賓漢姆(Bingham)流體。而Bingham流體模型[6]描述的是低剪切速率下的磁流變液宏觀力學(xué)行為,其本構(gòu)模型為

式中:τ為磁流變液剪切應(yīng)力;τB為磁流變液磁性顆粒在磁場作用下產(chǎn)生的剪切屈服應(yīng)力;η為磁流變液動力黏度系數(shù);γ·為磁流變液的剪應(yīng)變率。

1.2 筒式MRC理論設(shè)計公式

筒式M RC結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。按照磁流變液在筒形區(qū)域流動特性,依據(jù)本構(gòu)模型進行計算,得出在屈服區(qū)域磁流變液傳遞轉(zhuǎn)矩為[7]服應(yīng)力傳遞轉(zhuǎn)矩 TMa和黏性力傳遞轉(zhuǎn)矩 Tηa兩部分組成,分別為

圖1 筒式M RC結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cylindrical M RC structure

1.3 扭矩理論分析

很少有研究者在依據(jù)上述扭矩傳遞公式進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時對其作進一步的討論,為此,本文對式(2)作進一步推導(dǎo)。聯(lián)軸器所傳遞的扭矩由磁場引起屈服應(yīng)力所產(chǎn)生的扭矩 TMb和磁流變液黏性力所產(chǎn)生的扭矩 Tηb兩部分組成,其中黏性力所產(chǎn)生的扭矩不受磁場的影響,磁場引起屈服應(yīng)力所產(chǎn)生的扭矩起決定作用,磁流變液聯(lián)軸器所能傳遞的最大負載扭矩由磁場強度決定。磁場引起的剪切應(yīng)力扭矩可由式(3)計算,令 x=R1/R2,則式(3)簡化為

上述分析結(jié)果基于如下假定:結(jié)構(gòu)上兩筒之間的距離無限縮小,磁場引起的屈服應(yīng)力扭矩趨近于極限值2πτBLR21。本研究所討論的MRC兩筒間距為0.6 mm,R1為50.6 mm,R2為50 mm,從而滿足 R1≈R2這一條件 。

2 M RC樣機與實驗裝置設(shè)計

2.1 MRC樣機設(shè)計

筒式磁流變液聯(lián)軸器主機由轉(zhuǎn)動、磁流變液、線圈部分、潤滑密封和支承結(jié)構(gòu)5部分組成,其縱切面示意圖如圖2所示。

2.2 實驗裝置設(shè)計

MRC的主動軸、從動軸分別與變頻電機和負載(磁粉制動器)聯(lián)結(jié),通過工業(yè)控制機調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速、負載大小以控制MRC的工作負載,并通過兩個ZJ扭矩傳感器測量M RC主從動軸的轉(zhuǎn)速和扭矩,所測得的數(shù)據(jù)通過扭矩測量卡存入工業(yè)控制機。MRC實驗框圖、M RC實驗裝置圖分別如圖3、圖4所示。

2.3 M RC實驗裝置主要部分

圖2 M RC縱切面示意圖Fig.2 M RC sectional drawing

圖3 M RC實驗框圖Fig.3 M RC test diagram

圖4 M RC實驗裝置圖Fig.4 M RC experimental equipment

MRC實驗裝置主要組成部分為:①磁流變液聯(lián)軸器樣機(見圖4);②動力輸入部分:三相感應(yīng)變頻電機(額定功率0.55 kW,輸入電壓380 V,同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min);變頻器(輸入規(guī)格AC 3PH380～460 V、50/60 Hz,輸出規(guī)格AC 0～240 V、1.7 kVA、4.5 A,變頻范圍2～200 Hz);③數(shù)據(jù)采集部分:ZJ10型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器(額定轉(zhuǎn)矩10 N·m,轉(zhuǎn)速 0～6 000 r/min);ZJ50型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器(額定轉(zhuǎn)矩50 N·m,轉(zhuǎn)速0～5 000 r/min);TC-1轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試卡(扭矩測試精度+0.2%FS);PC-400數(shù)據(jù)采集控制卡;④數(shù)據(jù)顯示部分:為本實驗臺專門開發(fā)的數(shù)據(jù)采集程序及界面顯示程序,可直接在W INDOWS環(huán)境下進行數(shù)據(jù)結(jié)果顯示。⑤負載裝置部分:FZ-5型磁粉制動(加載)器,其額定轉(zhuǎn)矩為50 N·m,激磁電流為0～2 A,允許滑差功率為1.1 kW。

3 實驗驗證

3.1 實驗內(nèi)容

負載特性曲線:研究在一定的輸入轉(zhuǎn)速和輸入電流條件下,輸出扭矩與輸出速度間的關(guān)系,當(dāng)調(diào)解負載端制動力矩使其增大時,輸出轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化,其中,固定電流為2A,輸入轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。

臨界制動扭矩輸出特性曲線:研究不同輸入速度下臨界扭矩與輸入電流間的關(guān)系,其中臨界扭矩是評判MRC性能的主要參數(shù)。

3.2 實驗結(jié)果與討論

MRC負載特性曲線和臨界制動扭矩輸出特性曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 M RC負載特性曲線Fig.5 Loading characteristic curve of M RC

圖6 M RC臨界制動扭矩輸出特性曲線Fig.6 Critical braking torque output characteristic curve of M RC

從圖5中可看出,MRC在低速區(qū)(40～120 r/min)扭矩提升較快,在高速區(qū)(140 r/min以上)扭矩變化不大。因此,要想獲得良好的扭矩提升性能,應(yīng)使MRC盡量工作在低速區(qū)。這是因為,當(dāng)M RC輸入端轉(zhuǎn)速過高時,液體的剪切速率很大,而輸出端負載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化較小,也就是說M RC在低速區(qū)的制動效果要好于高速區(qū)的制動效果。這種變化規(guī)律與M RF液體本身的剪切應(yīng)力特性是對應(yīng)的。從圖6中可以看出,輸入電流是影響臨界制動扭矩大小的主要因素,這與MRF特性相對應(yīng)。當(dāng)電流超過一定值后,磁流變液聯(lián)軸器工作磁場出現(xiàn)飽和狀態(tài),實測扭矩值開始趨于某一確定值。此外,最大傳遞扭矩值也與輸入端的傳遞速度有關(guān),180 r/min時所傳遞的扭矩值明顯高于120 r/min所傳遞的扭矩值,這是因為磁流變液材料具有黏性。式(2)中聯(lián)軸器傳遞的扭矩黏性力部分包含了轉(zhuǎn)速差分量,并在實驗中驗證了利用Bingham模型推導(dǎo)出的理論公式的正確性。

4 結(jié)論

(1)筒式M RC動態(tài)屈服應(yīng)力扭矩在理論上趨于某一確定的極限值,即稱為臨界扭矩值, MRC聯(lián)軸器有效工作條件是,其負載扭矩值不得大于M RC固有的臨界扭矩值。

(2)筒式M RC輸出扭矩與輸入電流呈非線性變化關(guān)系,MRF聯(lián)軸器在低速區(qū)扭矩提升幅度較大,在高速區(qū)扭矩提升幅度較小。為獲得良好的扭矩提升性能,應(yīng)盡量使MRC工作在低速區(qū)。

[1] Bansbach E E.Torque transfer apparatus using magnetorheological fluids:US,5,779,013[P]. 1998-1 2-08.

[2] Gopalswamy S,Linzell S M,Jones G L.Magnetorheological fluid clutch w ith minimized reluctance: US,5,845,752[P].1998-12-08.

[3] Hamp ton K.Magnetorheological fluid coup ling:US, 5,967,273[P].1999-10-19.

[4] Carlson J D.Magneto rheological brake w ith integrated flyw heel:US,6,186,290B1[P].2001-02-13.

[5] Kavlicoglu B,Go rdaninejad M F,Evrensel C A,et al.A high-torque magneto-rheological fluid clutch [C]∥Proceedings of SPIE Conference on Smart Materials and Structures.San Diego,2002.

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[7] Huang J,Zhang JQ,Yang Y,et al.Analysis and design of a cylindrical magneto-rheological fluid brake [J].Journal of Materials Processing Technology, 2002,129:559-562.

Design and experimen tal study of cylindrical M RF coupling

L i M ingjie1,L u Yong1,L i Yourong1,Lu Guangtao1,Song Gangbing1,2
(1.Key Labo rato ry fo r Metallurgical Equipment and Control of M inistry of Education, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China;2.Smart Materials and Structures Labo ratory,Department of Mechanical Engineering,University of Houston,Houston,USA)

This paper discusses the influence of structural design,externalmagnetic field,input speed and torque on the driving torque of M RF coup ling.On the basis of Bingham model and theoretical computation,it concludes that the torque transmitting value of the cylindrical structure decreases tow ards a certain limit value in the intervals of its operation.Transm ission experiment equipment w as designed based on the deduced conclusion,and the evaluation of the output perfo rmance of cylindrical MRF coup ling confirm s that theoretical findings are consistent w ith the experimental results.

MRF;coup ling;cylinder structure

U 463.211+.1

A

1674-3644(2010)06-0624-04

[責(zé)任編輯 彭金旺]

2010-05-04

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃重大項目(Z20091101).

李名杰(1985-),男,武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail:limingjie8576@163.com

李友榮(1946-),男,武漢科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.E-mail:liyourong@wust.edu.cn