磁流變器件研究綜述

1、磁流變器件研究綜述磁流變器件總論11 磁流變液的流變性能及其工程應(yīng)用11 電磁流變研究的起點(diǎn)12 磁流變液各方面的特性13 磁流變液的描述模型21 電/磁流變研究的起點(diǎn)磁流變液的研究是在電流變液(ERF)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,一般認(rèn)為Winslow12在20世紀(jì)40年代末期發(fā)現(xiàn)了電流變現(xiàn)象,并把這種現(xiàn)象解釋為由電場(chǎng)誘發(fā)固體顆粒相互作用所構(gòu)成的鏈狀結(jié)構(gòu)阻礙了剪切流動(dòng)。同時(shí)他也提到了與電流變現(xiàn)象相類(lèi)似的“磁流變液”?，F(xiàn)在普遍公認(rèn)的最早關(guān)于磁流變液的工作始于Rabinow3。參考文獻(xiàn):2 磁流變液各方面的特性磁流變液的剪切屈服應(yīng)力比電流變液大一個(gè)數(shù)量級(jí), 在240kA/m時(shí)可達(dá)100kPa,是電流變液

2、的2050倍。且磁流變液具有良好動(dòng)力學(xué)和溫度穩(wěn)定性,因而磁流變液近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。磁流變液流變特性：磁流變液未加磁場(chǎng)時(shí),磁流變液的流變特性與普通牛頓流體相似,若加一中等強(qiáng)度的磁場(chǎng)作用時(shí),其表觀粘度系數(shù)增加兩數(shù)量級(jí)以上,當(dāng)磁流變液受到一強(qiáng)磁場(chǎng)作用時(shí),就會(huì)變成類(lèi)似“固體”的狀態(tài),流動(dòng)性消失。一旦去掉磁場(chǎng)后,又變成可以流動(dòng)的液體。這種可逆轉(zhuǎn)變可以在毫秒量級(jí)內(nèi)完成。磁流變液組成：磁流變液一般由三部分構(gòu)成:鐵磁性易磁化固體顆粒,載液油和穩(wěn)定劑。磁性固體顆粒一般用球形金屬及鐵氧體磁性材料(顆粒尺寸范圍為550m)。而作為連續(xù)載體的載液油一般是非磁性能良好的油,如礦物油、硅油、合成油等。好的載液具有低的

3、零場(chǎng)粘度,大的溫度穩(wěn)定性,不污染環(huán)境等特性。穩(wěn)定劑是用來(lái)確保顆粒懸浮于液體中。與磁流變液相關(guān)的穩(wěn)定性有團(tuán)聚穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性,前者阻止顆粒粘結(jié)在一起,而后者確保顆粒隨時(shí)間推移不往下沉淀。穩(wěn)定劑必須有特殊的分子結(jié)構(gòu),一端有一個(gè)對(duì)磁性顆粒界面產(chǎn)生高度親和力的釘扎功能團(tuán),另一端還需一個(gè)極易分散于某種基液中去的適當(dāng)長(zhǎng)度的彈性基團(tuán)4。3 磁流變液的描述模型目前描述磁流變液器件的力學(xué)行為的模型：分為參數(shù)模型和非參數(shù)模型兩類(lèi)。參數(shù)模型有賓漢模型、五參數(shù)模型、Bouc-wen模型和改進(jìn)的Bouc-wen模型。其中Bouc-wen模型是針對(duì)磁流變液阻尼器建立的參數(shù)模型,是現(xiàn)今被大量實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的一種較好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4、,對(duì)此做進(jìn)一步的改進(jìn),即得到改進(jìn)的Bouc-wen型模型,其力學(xué)方程為其中參變量的控制方程為通過(guò)理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,Dyke稱(chēng)上式為目前仿真結(jié)果最好的模型。但不難發(fā)現(xiàn),目前所應(yīng)用的各種模型對(duì)力-位移關(guān)系曲線盡管仿真較好,但在力-速度曲線上仍有較大誤差6。4 磁流變液的工程應(yīng)用（1）阻尼器件 Load公司設(shè)計(jì)的減振器簡(jiǎn)圖該減振器總長(zhǎng)(活塞伸出后)21.5cm,缸體直徑3.8cm,用磁流變液共50mL,行程±2.5cm。該裝置中磁場(chǎng)由活塞頭部的電磁線圈產(chǎn)生,在03V的直流電壓下,線圈產(chǎn)生01A的電流,于是在活塞頭部的流孔周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng),使流通該孔的磁流變液逐步變粘直至固化,從而控制磁

5、流變液的流通,也就是改變了阻尼力的大小。該裝置最大功率小于10W,但產(chǎn)生的阻力可以超過(guò)3000N,而且在較大溫度范圍內(nèi)都比較穩(wěn)定,-40150變化小于10%,響應(yīng)時(shí)間為8ms7在缸體的底部有一儲(chǔ)能器,它在該裝置中不僅起到了平衡缸內(nèi)體積作用,而且在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,能充分?jǐn)嚢璐帕髯円?從而起到了減緩磁流變液沉淀的作用。但是,由于活塞桿上下腔的截面積不一樣,而儲(chǔ)能器調(diào)節(jié)范圍有限,這種阻尼器的行程一般都很小。很重要：為了進(jìn)一步增大磁流變阻尼器的阻尼力,使之可以應(yīng)用于橋梁、大型建筑的防振設(shè)計(jì),另一種類(lèi)型的阻尼器已推出,這種阻尼器利用多級(jí)結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生出較大的阻尼力8。8DykeSJ,SpencerJrBF

6、,SainMKetal.Experi-mentalStudyofMRDamperforSeismicProtec-tion.SmartMater.&Struct.,7(5):693703該阻尼器的阻尼力為：F=Nf式中,N為阻尼力控制的級(jí)數(shù);f為每一級(jí)所能產(chǎn)生的阻尼力。該阻尼器左右部分均有活塞桿伸出,因而不存在截面積變化引起的缸容積的變化,因而該阻尼器可以有較大行程,體積和工作阻力也可以設(shè)計(jì)得較大。（2）磁流變液離合器：在單級(jí)同心圓離合器中,磁流變液與周?chē)Y(jié)構(gòu)的作用面積小,因而在零場(chǎng)情況下阻尼力小,從而有較高的機(jī)械效率,但傳動(dòng)力矩也較小,可應(yīng)用于小扭矩及高轉(zhuǎn)速的情況。多級(jí)平行盤(pán)式離合器

7、能產(chǎn)生較大扭矩,可用于大功率的情況。在這種新型離合器中,放棄了傳統(tǒng)的離合傳動(dòng)系統(tǒng),具有控制簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)械沖擊、機(jī)械磨損小和噪聲低的特點(diǎn)。目前,磁流變液的屈服應(yīng)力在240kA/m時(shí)就已達(dá)到100kPa,在低振頻率(1.5Hz)和160kA/m時(shí)剪切模量可達(dá)2500kPa,再進(jìn)一步提高磁場(chǎng)和振蕩頻率可以使剪切模量達(dá)到4200kPa。此數(shù)值已達(dá)到通用粘彈材料的指標(biāo)。另外,磁流變液的屈服應(yīng)力受磁飽和的影響,其極限值在磁流變液內(nèi)部完全達(dá)到飽和后才可以得到。所以,隨著制劑工作的深入研究,磁流變液的性能會(huì)得到改善,屈服應(yīng)力會(huì)得到進(jìn)一步的提高。屈服應(yīng)力的提高會(huì)使傳動(dòng)、制動(dòng)元件的性能會(huì)變得更好,尺寸變得更小。（3

8、）磁流變可控閥門(mén)（4）磁流變拋光（4）磁流變密封此外,磁流變液還可以用于微型機(jī)械裝置：日本的KoichiOzaki與AtsushiKorenaga等人利用磁流變液在交變磁場(chǎng)下誘導(dǎo)流動(dòng)這一現(xiàn)象,制作了長(zhǎng)100mm,直徑15mm的小型磁流變液泵,該泵在高頻交變磁場(chǎng)下產(chǎn)生1000m3/s的流量與10Pa的壓強(qiáng)。另外,日本的JunAkedo認(rèn)為磁流變液可以用于平版印刷技術(shù),可利用磁流變液的可控固化特性來(lái)形成印刷版面。3磁流變液發(fā)展展望磁流變液在未來(lái)工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景。目前,磁流變液也存在一些問(wèn)題,這主要是響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)和易于沉淀。良好的磁流變液必須具備下列性能:1磁流變液所具有的磁流變效應(yīng)是一種可逆變化,它必須具有磁化和退磁兩種過(guò)程。這種流體的磁滯回線必須狹窄,內(nèi)聚力小,而磁導(dǎo)率很大,尤其是磁導(dǎo)率的初始值和極大值必須很大;2這種懸浮液應(yīng)具有較大的磁飽和,以便使得盡可能大的“磁流”通過(guò)懸浮體的橫截面,從而給顆粒相互間提供盡可能大的能量;3這種液體在接上交流電的工作期間內(nèi),全部損耗(磁滯現(xiàn)象、渦流等)都應(yīng)是很小的一個(gè)量;4這種液體中的強(qiáng)磁性粒子的分布必須均勻