齊曉杰，安永東，鮑 宇，呂德剛

（黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050）

0 引言

磁流變液屬可控流體，是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體。這種懸浮體在零磁場(chǎng)條件下呈現(xiàn)出低粘度的牛頓流體特性；而在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，則呈現(xiàn)出高粘度、低流動(dòng)性的特性。由于磁流變液具有的磁流變響應(yīng)迅速和易于控制等特點(diǎn)，磁流變液裝置已逐漸地應(yīng)用到汽車振動(dòng)控制、機(jī)械動(dòng)力傳遞、工件精密加工等工業(yè)領(lǐng)域中。隨著磁流變液裝置的應(yīng)用，測(cè)試不同成分的磁流變液在不同條件下的流變學(xué)特性就顯得尤為重要了，測(cè)試不同的磁流變液在不同的條件下所表現(xiàn)出的磁流變學(xué)特性，可為開發(fā)和研制新型的磁流變液裝置提供有力的技術(shù)支持[1～3]。

1 緩速器磁流變液性能檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)組成和工作原理

1.1 檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的基本組成

磁流變液檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)是用于測(cè)試磁流變液的試驗(yàn)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，通過發(fā)生裝置產(chǎn)生不同的磁場(chǎng)作用到工作腔中的磁流變液，磁流變液在磁場(chǎng)的作用下表現(xiàn)出不同的磁流變學(xué)特性、不同的阻尼扭矩，由驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力在磁阻力作用下會(huì)減小，通過扭矩測(cè)量器測(cè)量，即可確定磁流變液所產(chǎn)生的扭矩，試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

磁流變液檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置、發(fā)生裝置組成。其中驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)軸外接轉(zhuǎn)速可控的電機(jī)而構(gòu)成；檢測(cè)裝置由傳感器支座、傳感器間隔套、單項(xiàng)推力軸承、傳感器上蓋而組成；發(fā)生裝置由測(cè)試罐下蓋、測(cè)試罐間隔套、旋轉(zhuǎn)盤測(cè)試罐上蓋、尼龍內(nèi)套圓形磁軛、繞線鐵心組成。如圖2 所示。

圖1 磁流變液試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 MRF test bench

圖2 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of the detection device

1.2 檢測(cè)裝置的工作原理

檢測(cè)裝置中的旋轉(zhuǎn)盤的端面與繞線鐵芯端面的間隙為測(cè)試磁流變液流變特性的工作腔，工作腔的大小可以通過測(cè)試罐上蓋和測(cè)試罐間隔套之間的墊片來調(diào)整，以便測(cè)試出磁流變液在不同間隙下的流變學(xué)特性。磁場(chǎng)由六個(gè)線圈產(chǎn)生，六個(gè)線圈周向排列，相鄰線圈繞向相反，任一線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)經(jīng)過相鄰兩個(gè)線圈形成回路，磁流變液受到磁場(chǎng)作用其方向一部分是正向磁場(chǎng)，另一部分是逆向磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)消失時(shí)，在旋轉(zhuǎn)盤的慣性作用下，受到正反兩向磁場(chǎng)的磁流變液體迅速流動(dòng)融合，中和了剩磁，有利于磁流變液迅速恢復(fù)原始狀態(tài)，消除了矯頑力對(duì)多次測(cè)試結(jié)果的影響?？朔艘酝帕髯円簻y(cè)試儀器，經(jīng)過一次測(cè)試后，磁流變液在剩磁的作用下，傳遞力矩不能迅速減小，改變磁場(chǎng)的作用方向，矯頑力的存在會(huì)影響下次測(cè)試結(jié)果的弊端。

勵(lì)磁方式采用三個(gè)正向勵(lì)磁線圈同時(shí)供電，也可以反向勵(lì)磁線圈供電，由于線圈匝數(shù)、線徑大小、材質(zhì)完全相同，可以把磁感應(yīng)強(qiáng)度減少一半，無論正向還是反向線圈，還可以通過直流供電儀器控制電流大小，操作簡(jiǎn)單快捷精確。勵(lì)磁線圈裝在尼龍內(nèi)套內(nèi)部，線圈繞在鐵芯上，下部裝有專門用于導(dǎo)磁的磁軛，鐵芯和磁軛都由高磁導(dǎo)率磁鋼制成，可以有效降低鐵耗。磁軛下部安裝尼龍襯套，可以阻止磁力線外泄，保證勵(lì)磁磁場(chǎng)都作用在磁流變液內(nèi)部，測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確，能耗也較低。

輸入軸轉(zhuǎn)速可調(diào)，驅(qū)動(dòng)軸為中空，在旋轉(zhuǎn)盤上貼有熱電偶，通過滑環(huán)，可測(cè)得磁流變液溫度?？梢赃M(jìn)一步得出在不同溫度、不同輸入軸轉(zhuǎn)速、不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁流變液性能。

2 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)過程

通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)接旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)盤放入磁流變液中，旋轉(zhuǎn)盤與繞線鐵芯端面間的磁流變液在磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生磁阻力矩，磁阻力矩通過繞線鐵芯，圓形磁軛以及尼龍內(nèi)套傳遞給測(cè)試罐間隔套，測(cè)試罐間隔套再將磁阻力矩傳遞給傳感器上蓋，傳感器上蓋通過平鍵與傳感器相連，傳感器即能測(cè)出磁阻力矩。試驗(yàn)過程如圖3 所示。

此裝置中的旋轉(zhuǎn)盤的端面與繞線鐵芯端面的間隙為測(cè)試磁流變液流變特性的工作腔，工作腔的大小可以通過測(cè)試罐蓋和測(cè)試罐間隔套之間的墊片來調(diào)整，以便測(cè)試出磁流變液在不同間隙下的流變學(xué)特性。

圖3 試驗(yàn)過程Fig.3 Experimental process

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)分別對(duì)不同輸入電流、不同工作溫度、不同工作轉(zhuǎn)速對(duì)磁流變液的磁流變學(xué)特性的影響進(jìn)行了研究分析。在試驗(yàn)過程中，主要用到的試驗(yàn)儀器有磁流變液檢測(cè)裝置、直流穩(wěn)壓電源、奧斯特磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x及轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x。

（1）電流的影響。對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行調(diào)試，包括測(cè)試腔間隙、磁流變液的加入量、繞磁線圈電流方向及磁場(chǎng)方向等分析確定。內(nèi)部磁場(chǎng)方向采用N 極和S 極交替設(shè)置的形式，在磁流變液周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，故測(cè)試數(shù)據(jù)都采用這種接法進(jìn)行測(cè)試。通過直流穩(wěn)壓電源控制輸入電流，從小到大逐漸增加，在磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x和扭矩測(cè)量?jī)x上讀出數(shù)據(jù)并記錄，電流對(duì)磁場(chǎng)的變化關(guān)系如圖4所示，電流變化對(duì)磁阻力矩的影響見圖5。由變化曲線可知，隨著電流的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增加，基本呈現(xiàn)出線性變化關(guān)系，而電流對(duì)磁流變液的磁阻力矩的影響表現(xiàn)出先緩慢增加，然后較快增加，最后快速增加的趨勢(shì)。

圖4 電流與磁場(chǎng)變化關(guān)系Fig.4 Relationship between current and magnetic field

圖5 電流對(duì)磁阻力矩的影響Fig.5 Effect of current on reluctance torque

（2）溫度的影響。通過試驗(yàn)研究磁流變液所處溫度對(duì)磁流變液輸出扭矩的影響，此試驗(yàn)中運(yùn)用到的儀器有磁流變液檢測(cè)裝置，直流穩(wěn)壓電源，溫度測(cè)量?jī)x和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x。先在室溫下進(jìn)行測(cè)試，改變通入的電流測(cè)量輸出的扭矩值并記錄，然后運(yùn)行達(dá)到測(cè)試溫度后，再次改變電流，測(cè)量扭矩值并記錄。用同樣方法多次改變溫度區(qū)間測(cè)量扭矩的輸出值并作比較，得到圖6、圖7、圖8 曲線所示變化關(guān)系。

圖6 溫度為22～26℃的變化曲線Fig.6 Change curve at the temperature of 22-26℃

圖7 溫度為47～50℃的變化曲線Fig.7 Change curve at the temperature of 47-50℃

圖8 溫度為64～67℃的變化曲線Fig.8 Change curve at the temperature of 64-67℃

試驗(yàn)測(cè)試了磁流變液在低中高三個(gè)不同的溫度情況下的三組不同的扭矩變化，由曲線變化趨勢(shì)可以看出，在不同的溫度范圍內(nèi)，磁流變液磁阻力矩隨電流的變化趨勢(shì)是一致的，都隨著電流的增加而變大。而隨著溫度的增高其扭矩表現(xiàn)出略有下降的趨勢(shì)，但不明顯。

（3）轉(zhuǎn)速的影響。試驗(yàn)通過改變驅(qū)動(dòng)裝置不同的轉(zhuǎn)速來檢測(cè)磁流變液在不同轉(zhuǎn)速下的扭矩變化，研究不同轉(zhuǎn)速下輸出扭矩的變化，用到的儀器有磁流變液檢測(cè)裝置、直流穩(wěn)壓電源、轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x。將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在500r/min 和1500r/min 兩個(gè)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)，通過直流穩(wěn)壓電源依次增大電流的值，在轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x上分別讀出輸出數(shù)據(jù)并記錄，得到的關(guān)系曲線如圖9、圖10 所示。

圖9 轉(zhuǎn)速為500r/min 變化曲線Fig.9 Change curve at the speed of 500r/min

圖10 轉(zhuǎn)速為1500r/min 變化曲線Fig.10 Change curve at the speed of 1500r/min

由曲線變化可以看出，磁流變液在高轉(zhuǎn)速時(shí)，在電流增加的初期，磁阻扭矩增加的較為的緩慢，隨著電流的進(jìn)一步增大磁阻力矩才增加迅速。在高速運(yùn)行情況下，如要獲得較為安全的緩速效果，必須在制動(dòng)初期就增大電流輸入，才能得到可靠的制動(dòng)效果。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)所研制的磁流變檢測(cè)裝置試驗(yàn)研究，獲得了在不同電流、不同磁場(chǎng)強(qiáng)度、不同工作溫度及不同運(yùn)轉(zhuǎn)速度下，磁流變液磁阻力矩的變化關(guān)系，由變化關(guān)系分析可出如下結(jié)論：①磁流變液隨著電流的增強(qiáng)，磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增強(qiáng)，磁場(chǎng)越強(qiáng)產(chǎn)生的磁阻扭轉(zhuǎn)力矩越大，磁流變液緩速器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩就越大；②在輸入電流不變的情況下，磁流變液所表現(xiàn)出的磁阻力矩隨溫度的升高而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，下降趨勢(shì)在輸入電流較小的時(shí)期不明顯，但隨著輸入電流的增大，下降趨勢(shì)相比電流較小時(shí)較為明顯；③在相同的輸入電流下，磁流變液磁阻力矩隨轉(zhuǎn)速的增高而增大，但在高轉(zhuǎn)速時(shí)，輸入電流較小時(shí)，磁阻力矩增大的趨勢(shì)比低轉(zhuǎn)速時(shí)慢，當(dāng)輸入電流達(dá)到一定數(shù)值后，磁阻力矩增大的趨勢(shì)加快。為保證磁流變液緩速器在高速下具有可靠的制動(dòng)效果，在制動(dòng)初期必須輸入較大電流，這也為進(jìn)一步研制磁流變液緩速器提供了理論基礎(chǔ)。

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