专利名称：磁流变液高剪切率流变特性测试装置与测试方法
技术领域：
本发明属于磁流变液流变特性测试技术领域，特别是一种磁流变液高剪切率流变特性测试装置与测试方法。
背景技术：
磁流变液是当前研究最集中、进展最快的智能材料之一，它涉及到车辆悬架、制动器、武器系统、土木工程结构等多个领域。对于不同领域中的应用，磁流变液工作时的流速及剪切率有很大的区别。例如，坦克、重型越野车辆悬挂系统、火炮炮筒的后坐力减振系统，在冲击性载荷下，磁流变液的流速高，剪切率可以超过IO5S'在这种极端条件下，磁流变液可能会表现出与低流速、低剪切率条件下不同的特性。一些实验结果表明，磁流变阻尼器工作于高频时，流过缝隙的磁流变液速度很高，磁流变效应随之弱化，可控阻尼力下降。目前已有的磁流变液检测仪器大都基于剪切工作模式，例如同心圆筒旋转式和平行碟片旋转式。专利号为200810069966的中国专利提供了一种磁流变液流变学特性检测方法与装置，它利用转子圆筒与环形剪切通道相对转动实现对磁流变液的双边剪切作用，通过可控施加径向磁场使磁流变液产生磁流变效应，在此过程中间接检测磁流变液的剪切应力、剪切率和外加磁感应强度，间接检测得到的参数通过R S 232接口送入计算机，进行数据处理，绘制在规定磁感应强度和工作温度条件下剪切应力与剪切应变的关系曲线，输出磁流变液的流变学参数。交流电机通过传动带和从动轴驱动转子，利用交流变频器对电机角速度进行控制，实现转子角速度无级可调，以便实现磁流变液的剪切率无级可调。通道中的磁感应强度由励磁电流控制，通过调节励磁电流的大小，实现对剪切通道磁场的无级调节。然而，基于剪切工作模式的磁流变液检测装置存在如下问题:1)由于端面效应、壁面滑移效应等问题，致使这类流变测试装置的最高剪切率都小于IO3s-1,无法用于高剪切率下流变性能的测试；2)阻尼缝隙中磁流变液的剪切率在速度剖面上是非线性的，而且这种非线性随着流速增大而增大，然而已有的检测方法为了简化计算过程往往将其线性化处理，致使测试结果与实际相差很大，因此针对磁流变液在高剪切率极端条件下的流变特性研究非常少，其中很重要的一个原因就是相应的流变特性测试实验设备的缺乏；3)难以排除摩擦力对结果的影响；4)难以测定温度对磁流变液性能的影响。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种磁流变液高剪切率流变特性测试装置，其在测试时，排除了摩擦力对测试结果的影响，并充分考虑到温度因素的影响，因而使结果更加准确。本发明的另一个目的是提供一种磁流变液高剪切率流变特性测试方法，以指导磁流变液在高剪切率场合的实际工程应用，其具有剪切率高、结果准确的优点。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:
一种磁流变液高剪切率流变特性测试装置，它包括一圆柱形壳体，该壳体上下两端分别设有上端盖和下端盖；该壳体内设有活塞，将该壳体内部分为上腔和下腔两部分，该活塞呈倒置桶状，底面开口，顶面上设有常通孔；该活塞穿设一活塞杆，该活塞杆穿过该上端盖至该壳体外部；该活塞杆位于该活塞内的部分绕设一磁芯，该磁芯上部绕设有线圈，该线圈与外部通过导线电性连接；该磁芯下部截面直径略小于该活塞下部内径而形成一环形的阻尼缝隙；该上腔上部设有上油压传感器，该下腔下部设有下油压传感器；该壳体内设有温度传感器。所述磁芯上部截面直径小于下部截面直径。所述壳体内部与一用于系统保压的蓄能器连接。所述导线从所述活塞杆内部导出。所述活塞杆末端和所述下端盖上设有拉环。一种利用权利所述的测试装置进行磁流变液高剪切率流变特性测试方法，它包括以下步骤:将待测磁流变液灌注到壳体内密封好；将整个测试装置放入恒温箱中，恒温一段设定时间；线圈通电后，通过活塞杆使活塞匀速移动，使磁流变液以层流的流动状态从活塞一侧经常通孔、线圈外侧通道和阻尼缝隙组成的通道，到达活塞另一侧，在此过程中，同时通过温度传感器监测温度值，使其在恒定温度下进行，并通过上、下油压传感器直接测得压强差，作为阻尼缝隙两端的压强差；利用测试装置的结构参数、单位时间流过阻尼缝隙的磁流变液的液体流量、阻尼缝隙两端的压强差、磁流变液的温度计算得出磁流变液零场粘度；利用测试装置的结构参数、单位时间流过阻尼缝隙的磁流变液的液体流量、阻尼缝隙两端的压强差、磁流变液的温度、阻尼缝隙内的磁感应强度计算得出磁流变液剪切屈服强度。所述测试装置的结构参数为:活塞杆半径Rs，活塞半径Rp，阻尼缝隙高度h，阻尼缝隙中径r，阻尼缝隙长度L ;阻尼缝隙的高度h远小于其中径r ；活塞运动的速度为V，所述单位时间流过阻尼缝隙的磁流变液的液体流量Q为:Q = K{R；-R；)v 5所述磁感应强度的测试方法如下:将所述测试装置倒置，拧开下端盖，灌注磁流变液至活塞被完全浸没；给励磁线圈加载不同电流，利用特斯拉计伸入阻尼缝隙测量磁感应强度；经多次测量取磁感应强度的平均值，再对平均值进行多项式拟合得到阻尼缝隙内的磁感应强度与电流强度的关系曲线；根据得到的磁感应强度与电流强度的关系曲线，以及测试时所加电流强度计算得出测试磁流变液剪切屈服强度时阻尼缝隙内的磁感应强度。所述磁流变液零场粘度的测试方法如下:将环形阻尼缝隙近似为平行平板模型，以环形阻尼缝隙的中径r来计算缝隙的周长作为平行平板的宽度，阻尼缝隙长度L为平行平板的长度；用Bingham模型来描述磁流变液的流动特性:
权利要求
1.一种磁流变液高剪切率流变特性测试装置，其特征在于，它包括一圆柱形壳体，该壳体上下两端分别设 有上端盖和下端盖； 该壳体内设有活塞，将该壳体内部分为上腔和下腔两部分，该活塞呈倒置桶状，底面开口，顶面上设有常通孔； 该活塞穿设一活塞杆，该活塞杆穿过该上端盖至该壳体外部；该活塞杆位于该活塞内的部分绕设一磁芯，该磁芯上部绕设有线圈，该线圈与外部通过导线电性连接；该磁芯下部截面直径略小于该活塞下部内径而形成一环形的阻尼缝隙； 该上腔上部设有上油压传感器，该下腔下部设有下油压传感器；该壳体内设有温度传感器。
2.根据权利要求1所述的磁流变液高剪切率流变特性测试装置，其特征在于，所述磁芯上部截面直径小于下部截面直径。
3.根据权利要求1或2所述的磁流变液高剪切率流变特性测试装置，其特征在于:所述壳体内部与一用于系统保压的蓄能器连接。
4.根据权利要求3所述的磁流变液高剪切率流变特性测试装置，其特征在于:所述导线从所述活塞杆内部导出。
5.根据权利要求4所述的磁流变液高剪切率流变特性测试装置，其特征在于:所述活塞杆末端和所述下端盖上设有拉环。
6.一种利用权利要求1至5中任一项所述的测试装置进行磁流变液高剪切率流变特性测试方法，其特征在于，它包括以下步骤: 将待测磁流变液灌注到壳体内密封好； 将整个测试装置放入恒温箱中，恒温一段设定时间； 线圈通电后，通过活塞杆使活塞匀速移动，使磁流变液以层流的流动状态从活塞一侧经常通孔、线圈外侧通道和阻尼缝隙组成的通道，到达活塞另一侧，在此过程中，同时通过温度传感器监测温度值，使其在恒定温度下进行，并通过上、下油压传感器直接测得压强差，作为阻尼缝隙两端的压强差； 利用测试装置的结构参数、单位时间流过阻尼缝隙的磁流变液的液体流量、阻尼缝隙两端的压强差、磁流变液的温度计算得出磁流变液零场粘度； 利用测试装置的结构参数、单位时间流过阻尼缝隙的磁流变液的液体流量、阻尼缝隙两端的压强差、磁流变液的温度、阻尼缝隙内的磁感应强度计算得出磁流变液剪切屈服强度。
7.根据权利要求6所述的磁流变液高剪切率流变特性测试方法，其特征在于: 所述测试装置的结构参数为:活塞杆半径Rs，活塞半径Rp，阻尼缝隙高度h，阻尼缝隙中径r，阻尼缝隙长度L ;阻尼缝隙的高度h远小于其中径r ； 活塞运动的速度为V，所述单位时间流过阻尼缝隙的磁流变液的液体流量Q为: Qi(R1-R)v
8.根据权利要求7所述的磁流变液高剪切率流变特性测试方法，其特征在于:所述磁感应强度的测试方法如下: 将所述测试装置倒置，拧开下端盖，灌注磁流变液至活塞被完全浸没；给励磁线圈加载不同电流，利用特斯拉计伸入阻尼缝隙测量磁感应强度； 经多次测量取磁感应强度的平均值，再对平均值进行多项式拟合得到阻尼缝隙内的磁感应强度与电流强度的关系曲线； 根据得到的磁感应强度与电流强度的关系曲线，以及测试时所加电流强度计算得出测试磁流变液剪切屈服强度时阻尼缝隙内的磁感应强度。
9.根据权利要求8所述的磁流变液高剪切率流变特性测试方法，其特征在于:所述磁流变液零场粘度的测试方法如下: 将环形阻尼缝隙近似为平行平板模型，以环形阻尼缝隙的中径r来计算缝隙的周长作为平行平板的宽度，阻尼缝隙长度L为平行平板的长度； 用Bingham模型来描述磁流变液的流动特性:
10.根据权利要求9所述的磁流变液高剪切率流变特性测试方法，其特征在于:所述磁流变液剪切屈服强度τ ^的测试方法如下: 将式(4)无量纲化:
全文摘要
一种磁流变液高剪切率流变特性测试装置及测试方法，该测试装置包括一圆柱形壳体，该壳体上下两端分别设有上端盖和下端盖；该壳体内设有活塞，将该壳体内部分为上腔和下腔两部分，该活塞呈倒置的桶状，底面开口，顶面上设有常通孔；该活塞穿设一活塞杆，该活塞杆穿过该上端盖至该壳体外部；该活塞杆位于该活塞内的部分绕设一磁芯，该磁芯上部绕设有线圈，该线圈与外部通过导线电性连接；该磁芯下部截面直径略小于该活塞下部内径而形成一环形的阻尼缝隙；该上腔上部设有上油压传感器，该下腔下部设有下油压传感器；该壳体内设有温度传感器。本发明排除了摩擦力对测试结果的影响，并充分考虑到温度因素的影响，具有剪切率高、结果准确的优点。
文档编号G01N11/08GK103196795SQ20131008512
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月18日 优先权日2013年3月18日
发明者张进秋, 彭志召, 刘义乐, 岳杰, 张雨, 石志涛 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院