一种基于可控流变特性的非牛顿流体阻尼装置

本发明涉及一种基于可控流变特性的非牛顿流体阻尼装置，属于液力变速器领域。

背景技术：

1、流体在受到外部剪切力作用时发生变形，流体内部产生对变形的抵抗，并以内摩擦的形式表现出来，这种内摩擦力的大小被称为流体的粘性，是流体固有物理属性，在温度不变时为常数，而当温度改变时，粘性也随之改变。非牛顿流体是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。例如淋巴液、淀粉液，高分子聚合物的浓溶液，如聚氯乙烯(-(ch2-chcl)n-)的乙二醇(ch2oh)2浓溶液等。

2、非牛顿流体的粘性与受到的剪切力和剪切速率有关，即流体的流动情况会改变其内摩擦特性。对于具有剪切增稠特性的非牛顿流体，当引起流体流动的冲击运动始终与流体本身接触时，会在初始阶段使非牛顿流体产生较大的剪切力和剪切速率。因此，受到较大阻力作用的外部运动具有减速的趋势，而速度减小的快慢取决于外部运动的初始运动状态和非牛顿流体提供的阻力大小。非牛顿流体对外部运动的阻尼作用与其本身的粘性属性有关，又受到流体温度影响，调节非牛顿流体的温度，则可以对外部运动提供不同的阻力作用。

3、已报道的专利多是利用非牛顿流体本身的剪切增稠特性提供阻尼、缓解冲击作用，但无法保证非牛顿流体充分参与做功，即大部分非牛顿流体工作时未达到其充分发挥阻尼性能所需的高速剪切条件，非牛顿流体利用率低，且因为无法估计非牛顿流体参与做功的程度，其计算模型十分粗糙，与实际情况出入极大。已知的这些专利中，非牛顿流体均是用来提供高速震动情况下的阻尼阻力，其应用范围受限于所选非牛顿流体本身剪切增稠特性。同时，同类专利中尚未有利用温度来保持或改变非牛顿流体阻尼装置阻尼性能的先例，均忽视了该类阻尼装置在持续受迫振动情况下，非牛顿流体自身温度变化会改变其阻尼性能。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：针对以上所述的现有非牛顿流体阻尼装置存在的不足，提出一种设计思路简明，扩大非牛顿流体阻尼器适用范围，又可以通过温度控制，保持或者改变阻尼性能的阻尼装置。

2、与已报道的相关专利相比，本发明引入阻力通道的设计，使所有非牛顿流体都同步参与做功，均一性较好，建立的理论计算模型更合理。阻力通道有将非牛顿流体剪切速率放大的作用，极大提高了剪切增稠特性的非牛顿流体的利用效率，可将一些不适用非牛顿流体作为阻尼材料的低速、中速工况转变为适用非牛顿流体的工况。

3、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

4、本发明包括阻尼装置及其温度控制系统两个主要部分(图1)。所述阻尼装置(图2至图6)，由活塞柱体101和活塞头102组成双向活塞部件，活塞室外壳103，联轴器104，接头部件105，阻力通道106，冷板107，冷管108，内部填充的非牛顿流体109组成；联轴器104固定在活塞柱体101上，活塞部件外由活塞室外壳103包裹并在两端形成两个腔室，阻力通道106通过接头部件105连通这两个腔室，两个腔室和阻力通道106共同形成非牛顿流体109的工作空间；当联轴器104受迫振动，活塞部件将外部能量传递给非牛顿流体109，非牛顿流体109从一侧腔室经阻力通道106向另一侧腔室流动，完成阻尼耗能，此过程中，非牛顿流体109内能升高，温度上升。所述温度控制系统，主要由冷板107和冷管108组成的变温设备，及提供传热工质的冷/热源设备及其控制器构成，变温设备安装在阻力通道106上，冷/热源设备根据控制器发出的指令调整冷管108中传热工质温度，通过冷板107控制阻力通道106中非牛顿流体109的温度；限位开关110传递联轴器104的位置信号，确保故障时能向控制器发出信号。

5、优选的，所述阻尼装置，阻力通道106内截面积s1远小于活塞室外壳103内截面面积s0，当联轴器104受迫振动瞬时速度v0，装置内填充非牛顿流体的容积不变，所以阻力通道内非牛顿流体109某截面上的的平均瞬时速度可见，当s0＞＞s1有v1＞＞v0，在管状流道中，流速越大，同一截面上不同区域的微元流速差越大，根据剪切增稠非牛顿流体的阻尼特性，阻尼效果得到了极大地增强。通过合理设计s0与s1比值，调整阻力通道106的空间形状、总长度等参数，设计出特定温度下所需的阻尼能力的阻尼装置；

6、优选的，所述阻尼装置中阻力通道106形式可有多种，如蛇形、盘管式、折线式等；所述阻尼装置至少包括一组阻力通道106和一对腔室；同时，阻力通道106是细长的管道，热交换面积大，传热响应快，为快速改变非牛顿流体温度提供了有利条件。

7、优选的，所述温度控制系统，主要由温度控制设备和变温设备构成。同样的冲击或运动，作用在不同的温度下非牛顿流体上时，非牛顿流体内部产生的抗力显著不同，通过主动改变并保持非牛顿流体的温度，达到调节阻尼能力的目的；由于高速振动情况下，阻尼材料本身会发热，为了保证非牛顿流体的力学性能，变温设备也是用来保持恒定温度的手段，解决长期受迫震动条件下，非牛顿流体阻尼性能会发生显著改变的缺陷。

8、优选的，所述阻尼装置，在使用工况发生改变时，可通过改变使用温度调节阻尼装置的最佳阻尼区间，如果通过温度调节无法满足要求，可以拆卸掉接头部件105从而更换不同参数的阻力通道来满足使用需求，此时无需拆除其他设备。

9、本发明的有益效果是：所有非牛顿流体参与工作并且发挥全部功效，非牛顿流体中不存在静止区和惰性区，提升了材料利用率，通过阻力通道放大受迫振动时非牛顿流体的剪切速率，提升了非牛顿流体的阻尼效力；通过温度控制系统保持工作介质的温度恒定，确保长期工作条件下阻尼装置的性能不发生改变；通过温度控制系统改变工作介质的恒定温度，或者更换阻力通道106，实现在停机但不拆除外部设备的情况下，改变阻尼装置的阻尼性能，极大减少了实际生产、科研实验中的非必要劳动。通过引入阻力通道，促使非牛顿流体工作时保持高度一致性，提升了计算模型的精确程度。

技术特征：

1.一种非牛顿流体阻尼装置，其特征在于：包括由活塞柱体(101)和活塞头(102)组成双向活塞部件，活塞室外壳(103)，联轴器(104)，接头部件(105)，阻力通道(106)，冷板(107)，冷管(108)，内部填充的非牛顿流体(109)，检测安全的限位开关(110)；联轴器(104)固定在活塞柱体(101)上，联轴器(104)连接外部振动物体，通过活塞部件将外部能量传递给非牛顿流体(109)；活塞部件安装在活塞室外壳(103)内，在活塞室外壳(103)两端形成两个腔室，阻力通道(106)通过接头部件(105)连通这两个腔室，两个腔室和阻力通道共同形成非牛顿流体(109)的工作空间；冷板(107)和冷管(108)构成一组变温设备，安装在阻力通道(106)上，冷板(107)用于传热，冷管(108)内部是传热工质。

2.根据权利要求1所述的非牛顿流体阻尼装置，其特征在于：阻力通道(106)是该装置的突出特征，阻力通道是长度长，与长度相比截面当量直径很小的管状设备，空间形式可以是蛇形，也可以是其他形式，截面形状一般是圆形，也可以是其他形状，其内部充满非牛顿流体(109)；活塞柱体(101)和活塞头(102)组成双向活塞部件，与活塞室外壳(103)形成两个腔室，由阻力通道(106)将这两个腔室连通，所形成的的密闭空间内充满非牛顿流体(109)。

3.根据权利要求1所述的非牛顿流体阻尼装置，其特征在于：该装置典型特征是，活塞室外壳(103)的内截面面积大于阻力通道(106)的内截面面积，这样可以确保工作时阻力通道(106)中的非牛顿流体的平均流速远大于联轴器(104)的速度。

4.根据权利要求1所述的非牛顿流体阻尼装置，其特征在于：该装置的另一突出特征是安装有变温设备，可通过温度控制系统改变控制冷管(108)中工质温度，通过冷板(107)提升或者降低阻力通道(106)中非牛顿流体(109)的工作温度，冷板(107)和冷管(108)组成的变温设备一般安装在阻力通道上。

5.根据权利要求1所述的非牛顿流体阻尼装置，其特征在于：通过对接头部件(105)的设计，阻尼通道(106)可以重复拆卸和安装，可以更换成不同的型号。

6.根据权利要求4所述的非牛顿流体阻尼装置，其特征在于：变温设备可以是用冷板(107)和冷管(108)组成，从外部包裹阻力通道，也可以采用其他设计将变温设备安装在阻力通道(106)外部或者内部。

技术总结
本发明揭示了一种非牛顿流体阻尼装置，属于液力变速器领域。该发明包括阻尼装置和控制系统两个主要部分。所述阻尼装置，以两端连通的壳体中和阻力通道中非牛顿流体为工作介质提供所需的摩擦阻力；通过调整非牛顿流体的灌装量和阻力通道的设计，设计出特定温度下所需的阻尼能力的阻尼装置；阻力通道的引入提升了非牛顿流体作为阻尼材料的使用效率和适用范围，确保了工作时内部各区域非牛顿流体工况的一致性；所述控制系统，主要由变温设备及其控制装置构成；当高速振动持续发生，非牛顿流体会发热，其阻尼性能会发生改变，不同的温度下，非牛顿流体内部产生的抗力显著不同；通过主动控制非牛顿流体的温度，达到保持阻尼能力或调节阻尼能力的目的。

技术研发人员：毛东,卢传民,何津
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12