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浅谈磁流变液及其在机械工程中的应用

来源:论文联盟  作者:刘婷 [字体: ]

浅谈磁流变液及其在机械工程中的应用

引言
  磁流变液(MRF)作为一种新型智能材料,在外加磁场下其流变特性可以发生急剧变化:在没有外加磁场环境下,其是流动性良好的牛顿流体,而一旦受到外加磁场的作用,流体的流变特性将发生极大的变化,其表观粘度可以在10ms内增加数个数量级,并且表现出与固体相类似的力学性质,而且这种粘度的变化是可拟的,在去掉磁场作用后,其又会变成流动性良好的牛顿流体。由于其具有这种特点,因此,其在社会各个领域得到了广泛的应用,尤其是机械工程领域。
  1 磁流变液的构成及其流变特性
  磁流变液主要由三个部分组成,即载液、软磁性颗粒以及稳定剂,其中载液是组成磁流变液的重要成分,具有低凝固点、低粘度、耐腐蚀性以及热稳定性的特点,磁流变液应用的载液具有很多种,比如煤油、硅油等;软磁颗粒作为一种晶体尺寸在0.01-10μm的球形颗粒,种类也有很多种,而羟基铁粉与纯铁粉则是应用最广泛的软磁颗粒;在磁流变液中,稳定剂具有重要的作用,其不仅具有润滑的作用,还能够保证磁流变液的稳定性以及具有一定的抗腐蚀性,同时,其还能够防止磁性颗粒的沉降与聚集。
  磁流变效应是1948年Rabinow发现的,可以采用Bingham本构关系,对流变的特性进行描述,主要内容如下:
  ……(1)
  在上述式子中,指的是磁流变液动态屈服应力,其中B、γ分别指的是磁感应强度、剪切应变率;η为磁流变液的表观粘度。
  在磁性颗粒未饱和前,当磁性强度B增强,也随之增大,可以用下面幂函数来表示:
  ……(2)
  在上述式子中,磁流变液的材料决定系数α的常数,同时幂指数n的常数也是由磁流变液的材料决定的。
  2 磁流变液的工作模式
  2.1 阀式模式
  在阀式模式下,磁流变液通常会在在两个静止的板极之间被限制,在两个板极的垂直作用之下,磁流变液的流动性能会发生一定的变化,从而使本文由论文联盟http://www.LWlM.COm收集整理磁流变液的流动活塞受到的阻力发生变化,进而达到通过控制外加磁场对阻力进行控制的目的。大部分流体的减震阀、控制阀采用的都是这种工作模式,比如四川宜宾普什重机有限公司研制的在工程机械中使用的发动机磁流变悬置系统,该系统就是针对某工程机械用发动机,首先对磁流变悬装置系统的结构尺寸进行确定,然后完成磁路设计。
  2.2 剪切模式
  在剪切模式下,上下两极板是相对运动的,外加磁场通过极板作用于两极板之间的磁流变液,使之在两极板之间产生剪切力,通过改变磁场可连续改变切应力一切应变率的特性。运用这种工作模式的磁流变器件很多,诸如离合器、制动器、旋转式阻尼器等。
  2.3 挤压模式
  挤压模式下,磁极在与磁场几乎平行的方向上移动,磁流变液体处于交替拉伸、压缩的状态,并发生剪切,虽然磁极的位移量很小,但产生的阻力却很大。现今这种挤压模式运用不多,国内有学者对其进行了研究。这种模式主要用于设计开发行程较小的减振器的磁流变器件,可以应用于汽车、机械加工、土木工程、医疗器械、航空航天及军事等领域中。
  3 磁流变液在机械工程中的应用
  3.1 在传动装置中的应用
  磁流变传动装置一种新型的传动技术,将流变效应作为理论基础,将磁流变液作为介质,从而通过合理调节外加磁场强度,使磁流变液的剪切屈服应力改变,实现传递转矩或力的改变。磁流变传动装置具有响应时间短、控制简单、控制能源消耗低的优点,在机械工作中具有较广的应用范围,比如无极调速、转矩调节、制动等。
  3.2 在抛光装置中的应用
  磁流变抛光是一种用磁场辅助的流体动力抛光技术,磁流变抛光具有抛光效率高、受磁场可控、剪切应力大、磨头无磨损、温度适用范围宽等其他传统抛光方法所没有的优点,并且通过计算机的控制可以实現复杂光学表面的加工。杨建国等对磁流变抛光的两种不同结构的装置进行了优缺点比较,给出了抛光装置的关键部件的设计方法;张学成等研究了磁流变液射流在外加轴向磁场作用下的稳定性。
  3.3 在减振装置中的应用
  在震动控制系统中,主要应用的是磁流变阻尼器,其具有能耗低、工作连续可拟以及结构简单的特点,而且其还可以实时的进行主动或半主动控制,因此,磁流变阻尼器可以在各种场合中进行应用,具有较为广泛的应用前景。
  3.4 在机械密封中的应用
  磁流变液密封主要利用磁性液体对磁场的响应特性。把磁性液体注入由高性能的永磁体、导磁性良好的极靴以及轴构成的导磁回路中,形成数个液体“O”形密封圈,当磁性液体受压差作用时,会在非均匀磁场中移动,这时不均匀的磁场就会使磁性液体产生对抗压差的磁力进而达到新的平衡,这样就起到了密封的作用。此外,磁流变液在机械工程中还可以用于特种轴承、机械手、机器人传感器和无级变速器仿人肌肉、人机一体化机构等仿生智能机构上,也可以应用在虚拟现实设备中,如研制基于磁流变液的力反馈数据手套等。
  3.5 在柔性夹具中的应用
  在进行一些形状复杂的工件加工时,可以合理利用磁流变液的流变特性,进行定位与夹紧,从而为机械加工提供便利。目前已经有很多的研究人员对磁流变液在柔性夹具中的应用进行了研究,包括磁流变液手柄、磁流变液顶针结构、柔性夹具装置等,并取得了较好的实际应用效果。
  结束语
  综上所述,磁流变液作为一种便于控制的新型智能材料,在外加磁场的作用下,其可以在极短的时间内由牛顿流体变为屈服应力较高的粘塑胶体,由于磁流变液的这种转变具有可控、可逆以及连续性,因此其具有广阔的应用前景。本文主要对磁流变液在机械工程中的传动装置、抛光装置、减振装置、机械密封以及柔性夹具中的应用进行了分析。

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