磁流变弹性体

2024-07-16

磁流变弹性体（通用7篇）

磁流变弹性体篇1

0 引言

磁流变弹性体 (Magnetorheological elastomer, MRE) 是一种由高分子聚合物和磁性颗粒构成的新型智能材料, 它的力学、电学、磁学等诸性能可以由外加磁场来控制, 具有无需密封、性能稳定、控制简便、响应迅速等特点, 因此其在航空航天、舰船、振动控制等领域具有广阔的应用前景[1,2,3,4]。磁流变弹性体作为一种新兴的智能材料, 现在还没有统一的制备方法, 而使用不同工艺制成的材料在磁流变效应上的差距会很大, 一般其制备方式可简单分为有场制备与无场制备, 与无场制备下的磁流变弹性体相比, 呈链状结构的磁流变弹性体一般具有更高的磁流变效应和磁致模量变化[5,6,7,8]。

评价磁流变弹性体性能的重要指标是其磁控性能, 因此针对不同工作模式下磁流变弹性体的性能研究是一个不可忽略的问题, 只有搭建相应的性能测试系统才能做出正确的评价。

笔者首先研究和设计了制备磁流变弹性体的不同加磁方式, 通过理论分析及软件仿真比较了不同制备磁路的优劣, 最终采用有导磁结构的永磁铁加磁方式制备了磁流变弹性体材料。根据单自由度原理设计和搭建了磁流变弹性体力学性能的测试系统, 对实验原理进行了理论分析, 推导了磁流变弹性体在不同磁感应强度下的刚度与损耗因子等力学性能参数的计算方法, 为高性能磁流变弹性体的制备及准确的力学性能测试提供了技术参考。

1 磁流变弹性体的制备

1.1 制备材料的选择

磁流变弹性体主要由铁磁性颗粒、弹性基体及添加剂组成。铁磁性颗粒的尺寸及种类对磁流变弹性体的性能都有着较大的影响, 一般选择髙磁导率、髙磁饱和强度、低剩磁的软磁性颗粒;基体材料自身不具有磁性, 只是作为填充颗粒的载体, 其选择原则为低粘度、低磁导率, 弹性基体可分为软基体和硬基体, 硬基体材料固化后硬度大但是弹性模量变化范围小, 而软基体材料力学性能较差但是其磁流变效应高;添加剂在磁流变弹性体的制备中有着重要的影响, 可用于调节基体粘度, 提高基体柔韧性以及降低颗粒在基体中的运动阻力, 按照作用可以分为表面改性剂、增塑剂、交联补强剂和防老化剂等。目前许多学者对材料的选择做了不同的研究[9,10,11,12]。

本实验选择直径为5~10μm级别的球形羰基铁粉作为材料的填充颗粒, 其具有矫顽力低、磁化率高、饱和磁感应强度高、稳定性好、磁损耗低等特点, 基体材料为室温可固化硅橡胶, 添加剂为硅油。

1.2 制备磁路的设计

磁流变弹性体在制备方式上可以分为有场制备和无场制备, 有场制备下的磁流变弹性体可称为各向异性磁流变弹性体, 而无场制备下的磁流变弹性体称为各向同性磁流变弹性体。无场制备下的磁性颗粒随机分布于基体材料中, 而有场制备条件下的磁性颗粒在磁场作用下排成链状, 固化结束后, 链状结构保留在橡胶基体中;有场制备下的磁流变弹性体一般具有更高的磁流变效应和磁致模量变化。设计最优的材料固化磁路对材料的性能有着重要的影响[13,14,15]。

1.2.1 线圈加磁

本研究设计了一种简单的线圈加磁结构, 其磁路主要由铁芯、导磁装置及磁流变弹性体组成, 对应的结构简图及等效磁路如图1、图2所示, 其中等效磁路图中F为总磁势, N为线圈匝数, I为励磁电流, Rm1~Rm8为对应材料的磁阻。根据磁阻计算[16]及磁饱和分析最终确定所使用线圈的匝数为1250匝, 对应磁流变弹性体处的磁场取值为0.653~0.698T, 而磁流变弹性体的磁饱和强度一般为0.7T左右, 因此该结构符合设计要求。

1.2.2 永磁铁加磁

根据模具的大小及所需磁场值设计了用磁铁提供磁场的结构, 并对直接用永磁铁加磁及使用附加导磁回路加磁进行了仿真比较, 其对应的等效结构、磁感应强度及磁力线分布如图3及图4所示。从仿真结果可以看出, 使用永磁铁加磁的结构相对简单, 且消耗小。采用合适的附加导磁回路可大大提高磁流变弹性体处的磁场强度, 且磁力线基本在整个导磁回路中, 磁力线分布更加均匀, 充分运用了磁能量, 磁流变弹性体在制备时受到更加均匀的磁场, 磁流变弹性体整体性能也更加均和, 并且当磁场不足以达到需求值时, 该结构还可以通过在回路的铁架上缠绕线圈来调节磁场的大小。

使用电磁线圈提供磁场的主要优势是磁场大小可调且磁场比较稳定, 但是硅橡胶软基体的固化时间较长, 一般室温固化需24h左右, 使用线圈加磁结构, 线圈长时间通电产生大量热量, 因此需附加必要的冷却装置, 并且需要专门人员看护以防止出现断电等意外现象, 而使用有导磁结构的磁铁加磁方式明显优于直接用永磁铁进行加磁, 故最终选择附加导磁回路的永磁铁加磁方式为磁流变弹性体固化提供磁场, 其制备实物如图5所示。对磁流变弹性体性能进行测试时, 该结构也可以作为提供变化磁场的供磁装置。

1.3 制备过程

为了研究不同磁性颗粒含量对磁流变弹性体材料的性能影响, 制备了不同混合比例 (质量分数, %) 的磁流变弹性体材料, 如表1所示。磁流变弹性体的制备过程如下:将硅油与硅橡胶按照对应比例混合搅拌约10min后, 加入铁粉混合搅拌约20min, 使3种材料充分均匀混合。然后将混合材料放入真空桶中除气泡, 除气泡时遵循多次抽气的原则, 除完气泡后将材料倒入成型模具中, 封闭模具时需给材料施加适当的预紧力, 使材料在模具中均匀散开。然后将模具置于如图5所示的制备磁场中固化1~2天, 最终制备出的材料实物如图6所示。

2 磁流变弹性体的力学性能研究

目前磁流变弹性体的力学性能测试方法可大致分为以下5种: (1) 基于动态测量仪及流变仪等测量仪器进行直接测量; (2) 分析对磁流变弹性体瞬态激励后自由衰减特性得到剪切储能模量和阻尼比; (3) 利用万能测试机建立动态压缩测试系统, 得到磁流变弹性体的刚度与损耗因子值; (4) 得到磁流变弹性体器件的传递函数来衡量磁控性能; (5) 制作三明治式梁, 在外磁场作用下分析悬臂梁的频率特性得到磁流变弹性体的储能模量与损耗因子值[17,18,19]。

本实验利用磁流变弹性体和一个集中质量块组成一个单自由度系统, 搭建了如图7所示的力学性能测试系统, 导磁装置上可缠绕线圈用以提供可变化的磁场。计算机安装的LabVIEW软件自身可产生正弦信号, 该信号通过功率放大器放大后传输到激振器, 激振器给磁流变弹性体质量块单元提供激励信号, 最终使用LabVIEW软件对采集到的经电荷放大器放大后的初始激励信号及最终响应信号进行频谱分析, 得到系统对应的传递函数, 而传递函数可反映磁流变弹性体的动态力学性能。接下来根据分析传递函数的相频特性和幅频特性, 可以计算得到反映磁流变弹性体力学性能的一些参数。

磁流变弹性体动力学模型如图8所示, 其中k1代表零场下的刚度, k2代表随着磁场变化的刚度, c代表材料的阻尼。

设初始激励信号为正弦信号, 表示为:

系统运动方程为:

而阻尼比刚度k=mwn2, 则系统运动方程可转化为:

对应的传递函数为:

转换为频率域下的传递函数为:

然后根据得到的传递函数的幅频特性及相频特性可计算得到不同频率域下的刚度K与损耗因子η。而刚度K与剪切模量G存在如下关系:

因此可得到不同频率下材料的剪切模量G (其中A为接触面积, h为样品厚度) 。根据刚度相对变化量可衡量样品的磁流变效应, 刚度变化量可由式 (7) 表示:

3 结论

(1) 设计了不同的加磁结构, 并对其进行了理论计算和软件仿真, 结果表明, 对于使用线圈加磁装置当使用合适的线圈匝数时可以给材料提供所需的磁场值, 而使用永磁铁加磁时有导磁装置产生的磁场大小明显大于直接用永磁铁加磁, 并且磁力线几乎无扩散地均匀通过磁流变弹性体材料, 这样不仅很好地运用了磁能量, 而且磁流变弹性体的性能也更加均和。

(2) 利用单自由度测试原理设计了测试磁流变弹性体力学性能的测试系统, 通过理论分析可获得磁流变弹性体在不同磁感应强度下的刚度与损耗因子等力学性能参数, 为高性能磁流变弹性体的制备及准确的力学性能测试提供了技术参考。

摘要：研究和设计了不同的制备磁路用于制备磁流变弹性体材料, 结果表明使用线圈加磁装置可产生可调的磁场, 而使用永磁铁加磁时, 有导磁装置产生的磁场明显大于直接用永磁铁加磁, 并且磁力线几乎无扩散, 很好地运用了磁能量。并根据单自由度原理搭建了磁流变弹性体的力学性能测试平台, 通过理论分析和推导, 得到了磁流变弹性体在不同磁感应强度下的刚度与损耗因子等力学性能参数的计算方法, 为高性能磁流变弹性体的制备及准确的力学性能测试提供了技术参考。

关键词：磁流变弹性体,制备磁路,刚度,损耗因子

磁流变弹性体篇2

磁流变弹性体(magnetorheological elastomers, MRE)是由未交联的液态聚合物与软磁性微颗粒均匀混合,在磁场环境中固化而形成的一类聚合物基复合材料。MRE由磁流变液(magnetorheological suspensions, MRS)发展而来,是MRS的固体模拟。在固化过程中,软磁性颗粒在外加磁场作用下被极化为磁偶极子,磁偶极子间的相互作用使颗粒沿磁场方向有序排列,形成颗粒链结构,当悬浮颗粒所用的高分子材料被聚合时,颗粒链结构就被固定下来。这样,MRE结合了MRS场致微结构的特点和聚合物基体的弹性性能,并克服了MRS易于沉降的缺点,具有良好的环境适应性和工作稳定性。在外磁场作用下,MRE的力学和电学性能可以随磁场强度变化而发生改变,而且具有响应速度快、变化可逆等优点[1,2]。颗粒结构化的MRE的力学和电磁学等性能具有各向异性[3],可以广泛应用于智能执行机构[4]、减振吸振[5]以及传感器领域[6,7]。

常见的MRE的工作状态包括剪切状态和压缩状态两种。剪切状态下的MRE的力学性能变化机理已经得到广泛研究[8,9],而对MRE在压缩状态下的性能研究较少,也缺乏相应的模型。压缩状态下的MRE的变形复杂,增加了磁场力分析的难度。在磁场作用下,MRE中的相邻颗粒之间的作用力主要为引力,而压缩状态的MRE的压缩力却会增大[10],对于这种现象值得深入探究其机理。本文使用偶极模型讨论了压缩状态下的MRE的磁致弹性模量变化机理,以期对MRE的抗压性能的设计及相关应用提供指导。

1 颗粒相互作用的偶极模型

在偶极模型中,颗粒被视为磁偶极子,并且忽略外加磁场和颗粒磁化磁场的相互作用。这些简化条件虽然会造成一定的计算偏差,但预测趋势是正确的[11]。而且偶极模型具有推导方便、容易得到解析解的优点,因此在磁流变效应的结构分析以及性能的初步判定上,通常采用偶极模型来计算相邻颗粒间的相互作用。

在偶极模型中,颗粒在外加均匀磁场的磁化作用下形成的磁偶极矩与外加磁场的方向相同,以两个颗粒相距无穷远时的状态为参考点,则其相互作用能为[12]

$E_{12} = - 4 π μ_{0} μ_{1} (\frac{μ_{p} - μ_{1}}{μ_{p} + 2 μ_{1}})^{2} a_{1}^{3} a_{2}^{3} \frac{3 \cos^{2} θ - 1}{s^{3}} Η^{2} (1)$

式中,μ0为真空磁导率;μ1为聚合物基体材料的相对磁导率;μp为软磁性微颗粒的相对磁导率;a1、a2分别为两个颗粒的半径;s为颗粒间的中心距;θ为颗粒连心线与磁场方向的夹角;H为外加磁场强度。

式(1)分别对s和θ求导,可分别得到颗粒相互作用的磁场力沿其连心线方向er的分量和沿垂直于连心线方向eθ的分量。磁场力的综合表达式为[13]

$\begin{array}{l} F_{12} = 12 π μ_{0} μ_{1} (\frac{μ_{p} - μ_{1}}{μ_{p} + 2 μ_{1}})^{2} \frac{a_{1}^{3} a_{2}^{3}}{s^{4}} Η^{2} \cdot \\ [(3 \cos^{2} θ - 1) e_{r} + \sin 2 θ e_{θ}] (2) \end{array}$

一般情况下将MRE中的颗粒结构简化为由相同半径的颗粒组成的单链结构,即可认为颗粒半径a1=a2=a,而且认为软磁性颗粒的相对磁导率很大,即μp≫μ1。在这种情况下式(2)可简化为

$F_{12} = 12 π μ_{0} μ_{1} \frac{a^{6}}{s^{4}} Η^{2} [(3 \cos^{2} θ - 1) e_{r} + \sin 2 θ e_{θ}] (3)$

2 磁致压缩弹性模量的机理分析

MRE处于压缩状态时其内部的应力应变状态与位置有关,这使得压缩状态下MRE的应力分析比剪切状态时复杂。颗粒链固定在MRE之中,其形状必然随着MRE的变形而发生变化。基于MRE的体积不可压缩性,就颗粒链来讲,MRE的受压变形可以使相邻颗粒产生压力,也可以使相邻颗粒产生拉力。在MRE的中心部位附近的颗粒链会被压缩,由于颗粒链中的颗粒排列比较紧密,颗粒的弹性模量远大于基体材料的弹性模量,颗粒链在受压时难以被压缩变短,而是会产生弯曲变形。而在边缘部位的颗粒链,由于中心部位的体积挤出,将会在弯曲的同时被拉长。因此颗粒链的变形主要有两种形式:纯弯曲和拉长弯曲。下面分别就这两种情况讨论颗粒链的磁致压缩力的变化。

2.1 纯弯曲颗粒链的磁致压缩力变化

取发生纯弯曲的颗粒链中两个相邻的颗粒进行分析(图1a)。由于颗粒相互紧密排列,故可以将颗粒间距近似为s=2a。颗粒链的弯曲造成颗粒连心线与磁场存在一定夹角,根据式(3),可以得到图1a中各个磁场力分量的表达式。将这两个颗粒视为一个整体,这个整体在图1a所示状态下是不平衡的。连心线方向的力分量Fm12r和Fm21r可以通过颗粒接触力平衡,而切向力Fm12t和Fm21t将会形成一个力矩,其大小为

$Μ_{m} = \frac{3}{2} π μ_{0} μ_{1} a^{3} Η^{2} \sin 2 θ (4)$

这个力矩可被理解为外加磁场对两个颗粒形成的磁偶极子形成的磁偶极矩,它使得颗粒链有向夹角θ减小的方向旋转的趋势。设有一段圆弧状的颗粒链(图1b),链中每两个相邻颗粒均会产生一个磁偶极矩。由于颗粒半径远小于颗粒长度,颗粒链上的力矩可以看作是连续分布的。根据式(4),在2a长度的颗粒链上,力矩之和为Mm,则力矩在颗粒链上的分布密度为

$Μ_{m ρ} = \frac{3}{4} π μ_{0} μ_{1} a^{2} Η^{2} \sin 2 θ (5)$

(a)相邻颗粒受力分析 (b)颗粒链的力矩

颗粒链弯曲成弧状后,根据圆弧的曲率半径R和其包角2φ,由力矩的可移动性,可得图1b中平衡力矩Mms的大小为

$Μ_{m s} = R \int_{0}^{φ} m_{m ρ} d θ = \frac{3}{4} π μ_{0} μ_{1} a^{2} Η^{2} R (1 - \cos^{2} φ) (6)$

力矩Mms使颗粒链有伸展变直的趋势,在压缩变形不变的情况下,将由磁致压缩力Fms与之相平衡。对颗粒链进行受力分析,可得到Fms的表达式为

$F_{m s} = \frac{3}{4} π μ_{0} μ_{1} a^{2} Η^{2} (1 + \cos φ) (7)$

保持颗粒链的长度不变,其形成的圆弧的包角φ与颗粒链长度方向的压缩应变ε的关系为

2φR(1-ε)=2Rsinφ (8)

将正弦函数进行泰勒展开可以解此方程。由于压缩应变一般比较小,高次项可以忽略,因此有

$φ \approx \sqrt{6 ε} (9)$

代入式(6)得到磁场引起的力的变化与压缩应变的关系为

$F_{m s} = \frac{3}{4} π μ_{0} μ_{1} a^{2} Η^{2} (1 + \cos \sqrt{6 ε}) (10)$

2.2 弯曲拉长颗粒链的磁致压缩力变化

当颗粒链在弯曲的同时被拉长时,颗粒之间的间距增大,在外加磁场的作用下,相邻颗粒之间的引力会对MRE内部进行径向挤压,造成MRE的压缩力增大。受力分析见图2。图2a表示弯曲并被拉长颗粒链中相邻的三个半径相同的颗粒,根据式(1),这三个颗粒在磁场中的相互作用能之和为

$E_{c i} = 4 π μ_{0} μ_{1} \frac{a^{6}}{s^{3}} Η^{2} (1 - 3 \cos 2 θ \cos 2 γ) (11)$

(a)相邻颗粒受力分析 (b)颗粒链对基体材料的作用力

可以看出,这个能量随θ和γ的减小而减小。根据最小能量原理,这三个颗粒的整体运动趋势是使θ和γ趋于0的方向。中间的第i个颗粒有向上下两个颗粒中点运动的趋势。设第i个颗粒的中心到第i-1和第i+1的两个颗粒连心线的中心的距离为d,将θ和γ表示为d的函数,并在保持s不变的条件下对d求导,得到第i个颗粒在这个方向上的力为

$F_{c i} = 48 π μ_{0} μ_{1} \frac{a^{6}}{s^{4}} Η^{2} \sin γ (12)$

γ代表了颗粒链的弯曲程度。由此可见,基于偶极模型计算的颗粒链对基体材料的压力与颗粒链的弯曲程度有关,弯曲程度大的颗粒链会对基体材料产生更大压力。颗粒链对基体材料的作用力示意图见图2b,图中,fci代表颗粒链上的分布力。颗粒链的形状仍如图1b所示时,fci的表达式为

$f_{c i} = \frac{F_{c i}}{s} = 48 π μ_{0} μ_{1} \frac{a^{6}}{s^{5}} Η^{2} \sin \frac{s}{R} (13)$

由于颗粒间距与颗粒链的弯曲半径相比非常小,即R≫s,可近似认为sin(s/R)= s/R。对式(13)进行简化并在颗粒链上积分求和,得到挤压力的在z方向和r方向上的分量分别为

$F_{c r} = 48 π μ_{0} μ_{1} \frac{a^{6}}{s^{4}} Η^{2} \sin φ (14)$

$F_{c z} = 48 π μ_{0} μ_{1} \frac{a^{6}}{s^{4}} Η^{2} (1 - \cos φ) (15)$

Fcr和Fcz对基体材料的挤压产生的效果是不同的。Fcr使得压缩力增大而Fcz使压缩力减小。从式(14)和式(15)可以判断,当φ∈[0, π/2]时,Fcr≥Fcz,且Fcr-Fcz的值在φ=π/4时最大。因此Fcr的作用要大于Fcz的作用,综合作用会使压缩力增大。另外,聚合物的体积压缩率是很小的,在变形受限的情形下其弹性模量会有很大提高。Fcr的作用使得MRE在受压时在r方向的变形受限,结果将必然造成压缩力的增大。

由以上颗粒链的两种弯曲情况的分析可以看出,当MRE受压变形时,无论颗粒链发生纯弯曲变形还是发生拉长弯曲变形,在磁场的作用下均会引起压缩力的增大。压缩力增大使得MRE的压缩弹性模量增大,增加的部分即为磁致弹性模量。不同的长径比的MRE以及压缩变形比的变化,会引起发生纯弯曲和拉长弯曲的颗粒链分布范围的变化。由此可以推断,除磁场强度外,MRE的长径比和压缩变形比也是影响MRE磁致弹性模量的重要参数。

3 实验及讨论

以羰基铁粉MPS-MRF-35(江苏天一超细金属粉末有限公司生产)为颗粒材料,以道康宁184硅橡胶(美国Dow Corning公司生产)为基体材料,制备颗粒材料体积比为30%的MRE样品。样品的外形尺寸为ϕ16mm×16mm,在制备中磁场强度矢量沿样品的厚度方向,制备磁场的磁感应强度为250mT。

将样品在压力机上沿厚度方向进行压缩实验,在实验中用螺线管产生磁场,通过调节螺线管的电流控制外加磁场强度。磁场的方向同样沿样品的厚度方向。先对MRE施加一个小的压应变,然后变化外加磁场强度,测量磁场施加前后压力的变化值,得到磁致输出力。当压缩应变为5%时,在100mT的磁场变化范围内,磁致输出力与磁感应强度的关系如图3所示,

图中数据散点表示实验测量值,可以看出磁致压缩力随磁感应强度的增大而增大。当磁感应强度较小(B≤50mT)时,磁致压缩力与磁感应强度之间为二次多项式函数关系(如图3中虚线所示),与前述的理论推导符合较好。而当磁感应强度逐步增大到较大值(B>50mT)时,磁致压缩力的增大速度变慢,这是由于颗粒磁化强度开始出现饱和的缘故。

由实验结果分析可以看到:基于偶极模型的MRE磁致弹性模量的机理可以较为准确地预测MRE在外加磁场较弱时的弹性模量的变化,此时MRE的磁致弹性模量与外加磁场的磁感应强度将会基本为平方关系。较高的外加磁场会导致颗粒出现磁化饱和。磁性材料的磁化饱和规律比较复杂,在计算磁场力时考虑磁化饱和因素的影响一般不能得到解析结果。磁化饱和会造成颗粒间磁场力和磁场强度在一定范围内为线性关系[14]。在这种情况下,MRE的磁致弹性模量会随外加磁场的磁感应强度的增大而线性增大。

4 结语

当MRE受到压缩变形时,其内部的颗粒链发生弯曲变形或在弯曲的同时被拉长。弯曲的颗粒链由于磁场产生的力矩作用使得压缩力增大。弯曲的同时被拉长的颗粒链,在磁场的作用下会对基体材料产生挤压作用,在垂直于压缩方向限制了MRE的变形,使得压缩力增大。MRE的压缩弹性模量由于压缩力的增大而增大。

本文关于场致力矩和横向挤压的分析是基于偶极模型推导的。偶极模型表达式简单,易于理解,但其对于磁场力的计算没有考虑颗粒磁化后产生的磁场的影响以及颗粒材料的磁化饱和。因此本文的分析可以作为对MRE磁致压缩弹性模量提高的机理性理解,更深入的量化分析还应该考虑到局部磁场变化以及MRE内部各点的应力应变状态与位置的关系。

磁流变液径向挤压实验机构设计篇3

磁流变液 (MRF) 这种智能材料最早是由Rabinow和Winslow于1948 年发明的, 但在20 世纪80 年代末期才逐渐引起人们的重视, 当时被广泛研究的电流变液 (ERF) 在剪切屈服强度提高幅度以及高压安全等因素研究方面进入了“瓶颈”, 而磁流变液却具有体积小、阻尼力大、动态范围广、功耗少、适用面大、响应迅速等一系列优点, 并且它还能根据系统的振动特性产生最佳阻尼力, 表现尤为出色, 因此磁流变液智能结构研究领域开始进入新的阶段[1]。

1 磁流变液力学性能实验机构

邢志等人在研究磁流变液特性时, 自制了磁流变液剪切屈服强度测试仪, 该测试仪主要是测试磁流变液在外加磁场作用下的剪切屈服性能[2]。王鸿云等人专门研究磁流变液在挤压模式下的力学性能时, 运用了磁流变液的挤压试验测试装置[3]。王鸿云等人在压缩和剪切实验时, 磁流变液实验样品被装入一个铜制容器内, 磁流变液的压缩和剪切作用是在两个平行器皿中分别进行。王鸿云等人还将测量磁流变液的挤压和剪切试验装置一体化[4]。以上几个装置分别针对磁流变液的轴向挤压、拉伸和剪切应力等方面对磁流变液进行了力学行为的研究实验。但是目前针对磁流变液径向挤压的实验甚少, 因此从磁流变液径向挤压方面入手, 进行磁流变液力学行为的研究, 设计一种实验机构。

2 磁流变液径向挤压实验

磁流变液的径向挤压, 主要特征是将磁流变液试验样品装入一个圆柱状空腔内, 对圆柱内试验样品进行切面径向收缩或者扩张式挤压[5]。由于目前对磁流变液径向挤压方面研究较少, 可参考的实验机构不足, 因此只能针对磁流变液轴向挤压实验机构进行对比性研究与参考。具体设计方案如下:

2.1 锥形式扩张型实验装置

将磁流变液实验试剂放入高透管中, 通过对中间的一个圆锥形拉杆加以水平方向拉动力, 从而达到对装置内实验试剂进行径向压缩的效果。该装置主要采用装置中间径向扩张的方式进行实验, 但实验过程中还涉及到实验试剂的流动性、剪切应力等其他因素, 实验中可能受到其他因素干扰较大, 因此该装置实验效果有待测查, 所以该装置暂未采纳。

2.2 抱箍式收紧型实验装置

此装置将磁流变液实验试样放入一高透软管中, 利用环形抱箍收紧原理进行实验加载, 加载力较为均匀, 装置更加稳定。但此装置的环形收紧装置无法保证完全的径向收缩, 在一定程度的收缩情况下, 圆柱试管可能发生椭圆形变形, 导致实验测量不精确, 原本的径向挤压变成普通轴向挤压, 因此该装置也不满足要求。

2.3 皮带式收紧型实验装置

主要利用日常生活中皮带收紧原理, 此装置磁流变液实验试剂与A型放置原理、外加磁场方式基本相同, 差异之处是加载装置, 外围加以皮带实验加载装置, 在皮带上连接环形磁场进行实验。该原理基本满足测试要求, 实际采用该方案。

基于皮带式收紧型实验装置构想的雏形, 考虑到磁流变液试样在实验中需要装入容器, 因此容器应该保持以下特点:密封性较好, 利于保存实验中的磁流变液, 并保证在磁流变相互转换的实验过程中不发生泄漏;实验中要观察磁流变液中链状结构受到径向挤压力时的力学特征和一些实验现象, 所以盛放磁流变液的容器也要尽量提高透明度, 实验过程中全系显微镜能正常观测。综合上述多个实验条件要求, 最后选定了以高透型塑胶软管为主体的容器盛装件, 最终结合实际情况, 试制出一种测量磁流变液径向挤压的简单实验装置, 如图1 所示。

3结语

本文提出磁流变液径向挤压实验机构构想, 希望通过该机构实验研究观测出磁流变液径向挤压状态下的力学情况。该装置主要是利用径向皮带环形收缩对试验磁流变液样品进行径向挤压加载, 成型装置能较好完成对磁流变液的径向挤压要求。在加载外磁场的情况下, 也能通过全系显微镜对实验中磁流变液中的磁性粒子链进行很好的观察研究。

摘要：通过对磁流变液的特性、力学性能等进行已有文献分析研究, 在现有的磁流变液实验机构的学习研究基础上, 设计了一种磁流变液径向挤压实验所专用的实验机构。

关键词：磁流变液,径向挤压,挤压机构

参考文献

[1]张进秋, 张建, 孔亚男.磁流变液及其应用研究综述[J].装甲兵工程学院学报, 2010 (4) :24-25.

[2]邢志, 吕建刚, 李猛.磁流变液特性分析及实验研究[J].机械工程学院, 2005 (3) :21-23.

[3]王鸿云, 郑惠强, 李泳鲜.基于挤压模式下磁流变液力学行为的实验研究[J].仪器仪表学报, 2009, 4 (30) :4.

[4]王鸿云, 高春甫, 阚君武.磁场作用下磁流变液的挤压与拉伸特性[J].光学精密工程, 2011 (4) :85-91.

磁流变限力安全带的设计原理篇4

汽车安全带是汽车乘员约束系统中最重要的保护装置。目前汽车上普遍装备的是三点式安全带,此种安全带能为乘员提供比较好的保护。由于安全带织带是一条比较窄(约46mm)的尼龙编织带,主要作用部位为胸部和腹部,为了减少其自身的延伸量,织带刚度被设计得比较大,因此在较大的碰撞加速度下会对乘员造成一定程度的勒伤,有时甚至会威胁到乘员的生命[1]。为了克服这些缺点,人们发明了限力式安全带,以防止过大的约束力对人体造成伤害。目前应用最多、技术最成熟的是限力杆式限力器安全带。当安全带上的拉力过大时,金属限力杆发生形变,释放一定长度的安全带,以此来达到限力的目的[2]。但是此种安全带限力器只能一次性使用,使用之后需要更换整个安全带总成,维修成本较高。并且限力杆的限力值是固定的,不能调节。针对这些问题,笔者利用磁流变液在磁场的作用下具有响应迅速、磁流变效应可逆的特性[3],设计了一种新型安全带磁流变限力器,使之与现有的复合敏感式安全带锁止器配合使用,可实现安全带约束力连续可控,并且该安全带具有反复使用的性能。

1 磁流变限力器的结构原理

安全带磁流变限力器结构如图1所示,主要由活塞、活塞杆、电磁线圈、线圈保护套、隔磁环、制动环、回位弹簧、活塞杆导向座、缸体、附加腔体等结构组成。磁流变限力器的活塞安装在活塞杆下端,并且活塞上开有凹槽,电磁线圈缠绕在凹槽中。整个活塞外部套有一层金属保护套,用来保护线圈,金属保护套上镶嵌有一圈不锈钢隔磁环,用来隔断磁路。装配好后的活塞总成安装在限力器缸体内,活塞杆导向座为活塞杆提供径向支撑。活塞杆上部一端装有回位弹簧,用来使拉出的活塞迅速回位。在缸体与活塞之间充满磁流变液,油封用来密封限力器内部的磁流变液。限力器缸体尾端有一附加腔体用于保护活塞杆。

2 磁流变限力器的控制原理

锁止器和限力器的连接方式如图2所示。磁流变限力器上部安装孔与安全带锁止器总成通过螺栓固定在一起,锁止器可以在连接板内滑槽中滑动,连接板固定在车身上;限力器缸体通过固定套连接在车身上。

2.1 正常行驶状态

车辆正常行驶时,由于控制电路并未启动,所以安装在活塞杆上的电磁制动环在径向制动弹簧的作用下会使活塞杆与缸体之间制动,活塞杆并不移动,复合敏感式安全带锁止器也不锁止,可根据佩戴者的需要调整织带的长度正常使用。

2.2 紧急锁止状态

汽车行驶状态突然发生改变,人体在惯性力作用下有可能发生二次碰撞,当达到国家标准所要求的锁止指标时,需要对人体约束锁止,因此复合敏感锁止器首先锁止安全带,对人体进行约束[4]。这时通过安装在织带锁扣内的织带测力传感器测得织带对人体的约束力,如果约束力超过人体安全承力上限,电子控制单元(ECU)发出控制指令,启动控制电路,使电磁制动环回缩吸附在活塞杆上,同时通过控制磁流变限力器中线圈的电流来控制磁流变阻尼力,使阻尼力变小,使安全带对人体的约束力维持在人体可承受范围内,阻尼力的变化会使活塞杆与缸体有相对移动。限力器的控制原理见图3。

2.3 断电保护

为了防止由于撞车等突发情况造成电路断路,在限力器中设置了电磁制动环,断电时,活塞失去对制动环的吸附作用,制动环在制动弹簧的作用下,使活塞杆与缸体之间停止相对运动,仅由复合敏感式锁止器单独工作。这样仍保证了安全带对人体的约束。

3 磁路设计和磁饱和分析

限力器活塞处的简化磁路结构如图4所示。磁路为串联磁路,所以在磁路中磁通量处处相等。运用磁饱和分析法,以磁流变通道处的磁感应强度达到磁饱和工作值(约为0.7B)和磁轭达到磁饱和工作值(约为1.4B)为限力器磁路工作条件。

由图4可以看出,线圈保护套的安装位置接近于磁流变通道,并且磁导率远大于磁流变液磁导率。建立磁路磁通关系,设Φ为磁轭的磁通,ΦMRF为磁流变通道磁通,则磁通表达式为

式中,B为通过面积S的磁感应强度。

由于是串联磁路,通过计算可得到各处的磁通量,图4中各磁通量的关系如下:

活塞半径R可由以下刚强度校核公式得到:

式中,F为活塞杆拉力;σ为抗拉强度,其值依活塞杆材料而定。

由于磁力线基本在磁轭中,磁轭为铁磁体,磁导率远远大于非铁磁体磁导率,基本无磁漏。根据磁路欧姆定律,磁流变阻尼器磁路计算公式为

式中,N为励磁线圈匝数;I为线圈额定电流;Rm为磁轭总磁阻;RMFR为磁流变通道磁阻。

两种磁阻分别由以下公式求得:

式中,l′为磁轭磁路的平均长度;h′为磁流变液通道厚度;μ为磁轭磁导率;μ0为磁流变液磁导率;S0为磁流变通道平均截面积。

通过将结构参数代入式(5)、式(6)可以得到总的磁阻;通过计算式(4)可以确定线圈匝数。

4 确定限力器的阻尼力与限力极值

4.1 磁流变限力器的阻尼力

设计的磁流变限力器的阻尼力是基于Bing-ham流体的平行平板流动模型来进行计算的[5,6]。Philips[7]和Makris等[8]的推导表明,当活塞向外运动时,单杆双出间隙式结构活塞所承受的阻尼力可按下式计算:

式中,Ap为活塞的有效面积;v为活塞相对于缸体的运动速度;τy(H)为磁流变液剪切屈服强度;η为磁流变液的零场黏度;h为活塞与缸体的间隙;L为活塞有效长度。

由式(7)可知,磁流变液的剪切屈服应力τy(H)的大小和活塞相对运动速度v直接影响限力器阻尼力的大小。活塞运动速度与织带速度一致,数值很小,所以只能通过调节磁流变液剪切屈服应力τy(H)的大小来控制阻尼力F的输出。由磁流变液的基本磁化曲线可知,磁流变液的剪切屈服应力τy(H)是磁场强度H的函数[9],而H =B/μ0,所以磁流变液的剪切屈服应力又是磁感应强度B的函数。

由式(4)可得磁感应强度与线圈电流的关系:

由式(8)可知,只要控制电流I的大小,就可得到不同的磁感应强度值,进而得到一个可控大小的阻尼力F。

4.2 磁流变限力器限力极值的确定

根据Foret-Bruno等[10]对89起均配置了预定程序约束系统PRS(programmed restraint sys-tem)车辆的交通事故案例和在此基础上将限力器等效替换后扩充为256例事故案例的分析研究得出以下结论:

(1)不区分性别差异,对于所有年龄阶段,肩带力6.9kN导致胸部损伤等级为AIS评价3级以上的风险为50%。

(2)随着车体结构刚度越来越大,肩带力的大小需要适当地进行控制,否则会伤害人体。安全带力限制为4kN和相匹配的安全气囊使95%的乘员受到保护成为可能。

据此磁流变限力器的正常工作限力值为4kN,峰值时的限力值为6kN。

5 限力器设计实例

为了验证磁流变限力器提供的阻尼力是否能达到要求,需进行校验。为了防止磁路被短路和浪费,这里选择304(0Cr19Ni9)不锈钢为限力器活塞杆和隔磁环材料,选择20钢为磁轭材料[11]。磁流变液的型号选择重庆仪表研究所研制的MRF-J01型[12]。MRF-J01磁流变液的剪切屈服应力随磁感应强度变化曲线如图5所示。由图5可知,随着磁感应强度的变化,剪切屈服应力不断增大,最大值约为70kPa,性能优良,稳定性很好。选择的结构材料性能参数如表1所示。经过计算,磁流变限力器的结构参数如表2所示,磁通Φ=16.9×10-4Wb。

由式(5)、式(6) 可求得总磁阻Rm=75547.3H-1,最大电流取1.5 A,求得NI=ΦRm=127.86Wb/H,则有线圈匝数N =85。由于限力器的参数已经确定,代入式(7)可得阻尼力的表达式:

可以看出阻尼力分配比较好,可调节范围比较大。

所以由式(8)可知,只要控制电流的大小,就可得到不同的磁感应强度值,进而得到一个可控大小的阻尼力F。根据表1所提供的数据以及磁流变液、20钢的磁特性参数,得到电流I和剪切屈服应力τy(H)关系如图6所示。

图6中拟合曲线的表达式为

将此表达式代入到限力器阻尼力表达式中,可得到阻尼力F关于电流I和相对速度v的表达式:

代入不同的电流与速度值,可得到限力器阻尼力如图7所示。根据文献[13]所做的正面100%重叠碰撞(50km/h)实验,人体相对车体的最大相对速度约为9m/s,则人体拉动磁流变限力器而产生的限力器的最大阻尼为F=6017.19N,如图7所示。

由图7可知,织带拉出的速度对阻尼力的影响并不明显,而电流的影响则很明显,为了简化结构,可以在由电流控制的剪切阻力基础上叠加上织带拉出速度取平均值时产生的黏滞阻力。通过控制电流的大小,即可得到不同的阻尼力,来满足不同工况下人体约束力的限力需求。

6 结语

根据车辆行驶的路面和最高车速,针对不同车型的室内空间大小,安全气囊与安全带配合使用时可利用的安全距离,选取合理的磁流变限力器结构参数和磁流变液材料,可以得到所需的人体约束力。优化结构参数,不仅节约了制作材料,提高了资源利用效率,也使得机构更加紧凑,性能更好。为了提高限力器的精确约束力,可以通过织带的速度传感器测得织带的速度,与控制电流进行匹配,通过电子控制单元进行阻尼力的控制。

利用磁流变液这一智能材料,可以实现安全带约束力根据人体承受压力的安全极限进行实时、连续、可逆的控制,既防止了二次碰撞,又可以实现对乘员的更加周到、智能的保护。

摘要：为了避免车用安全带在紧急锁止时对人体造成伤害,研究了一种可主动控制安全带约束力的磁流变限力器。介绍了限力器的控制原理和结构;运用磁饱和分析法探索了限力器阻尼力与外控电流的对应关系;根据人体胸部的安全承载能力,确立了限力器的限力极值,通过一算例验证了其可行性。该磁流变限力器与复合敏感式安全带锁止器配合,可实现智能控制且可以反复使用。

磁流变弹性体篇5

关键词：磁流变抛光,Bingham流体,磁流变液,材料去除三维模型

0 引言

磁流变抛光是由前苏联研究人员首创、由美国QED公司完成产品化的新一代光学零件高精度抛光加工方法[1]。

材料去除模型的建立是磁流变抛光工艺的前提和基础。目前获取材料去除模型的方法主要是实验法,如Shorey[1]利用压力传感器测量得到整个抛光区的压力分布,建立了磁流变抛光的材料去除模型;DeGroote[2]通过大量的工艺试验建立了针对特定材料的实验去除函数模型。而数学建模的方法由于误差较大而应用较少,如张峰等[3]、彭小强等[4]将磁流变抛光的材料去除模型简化为一维情况,忽略磁性力、黏滞力和重力,获得了一维的材料去除模型,但获得的模型的误差均较大。数学建模方法的主要难点包括:①磁流变抛光区域物理场复杂,磁场、流场、力场相互耦合;②磁流变液可近似为Bingham流体,属于非牛顿流体,计算困难;③磁流变抛光区域无固定刚性边界,属于自由边界问题。采用实验法确定材料去除函数模型,会由于制作工艺、制作时间、制作样片的材料一致性、模型的时效性等因素的限制而存在很大的应用局限性,而数学建模的方法在理论分析、实际应用方面都具有良好的前景,在提高模型准确性后完全可以替代实验法。

1 抛光区域成核状态理论分析

如图1所示,磁流变液在蠕动泵的作用下从喷嘴喷出,由处于旋转状态的抛光轮带入抛光区域,在抛光区域梯度磁场的作用下,形成可控柔性抛光模以完成材料去除,而后进入回收装置连续循环。

梯度磁场中的磁流变液采用简化的Bingham流体模型来描述[5,6],其本构方程可简化为

$τ = η \dot{γ} + τ_{0} (1)$

式中,τ为磁流变液的剪切应力;τ0为磁流变液在磁场H下的屈服应力; $\dot{γ}$ 为磁流变液的剪切应变;η为磁流变液的初始黏度。

由Bingham流体的流变学特性可知:当剪切应力小于屈服应力时,磁流变液将保持刚性,形成固态核;当剪切应力大于屈服应力时,磁流变液将开始流动。

根据磁流变液各组成成分的物理、化学特性,处于稳定状态的磁流变液的剪切屈服应力、初始黏度的大小与外加磁场的大小及方向、磁流变液内部磁链的排列方式、磁流变液的使用温度等因素有关,建立准确的数学模型十分困难,一般均采用仪器测量获得相关数据来近似计算。

图2所示为自行研制的磁流变液流变性测试仪,采用该测试仪可测试磁流变抛光工作方式下的磁流变液的流变学性能。

建立图3所示的坐标系,并对抛光区域进行如下假设:①磁流变液的运动为层流,不考虑磁流变液的轴向流动;②磁流变液具有不可压缩性,不考虑自由边界问题;③磁流变液层内压力相同;④磁流变液层内剪切应力与速度梯度成比例。

根据流体动力学润滑理论[7,8,9],有

$\frac{\partial τ_{x}}{\partial y} = \frac{\partial p}{\partial x} \frac{\partial τ_{z}}{\partial y} = \frac{\partial p}{\partial z} (2)$

式中,p为磁流变液的流体压力;τx、τz分别为磁流变液在x、z方向的剪切应力;h0为抛光轮与工件之间的间隙。

引入表观黏度的概念,则式(1)可改写为

$τ_{x} = η (\dot{γ}) \frac{\partial u}{\partial y} τ_{z} = η (\dot{γ}) \frac{\partial w}{\partial y} (3)$

$η (\dot{γ}) = η + τ_{0} / \dot{γ}$

式中,u、w分别为磁流变液在x、z方向的速度; $η (\dot{γ})$ 为磁流变液的表观黏度。

由于w≪u,在近似计算中可以主要考虑磁流变液在x方向的流动。如图4所示,磁流变抛光区域内形成的固态核心可能的存在区域有三种:吸附在抛光轮表面、游离在磁流变液层中间和吸附在工件表面。图4中,h1、h2分别为形成固态核的下限高度和上限高度,U为抛光轮的线速度。

根据Bingham塑性润滑理论[10,11]以及磁流变加工的实际情况,固态核只可能出现在进口处的工件表面和x=0处的抛光盘表面。根据相应的边界条件,可计算出该情况下抛光轮中心线上的速度分布:

$u = {\begin{cases} (| τ_{x} | - τ_{0}) \frac{y}{η} 0 \leq y \leq h_{1} \\ U h_{1} ＜ y \leq h_{0} \end{cases} (4)$

剪切应力分布为

$τ_{x} = \frac{\partial p}{\partial x} y - τ_{0} - \frac{\partial p}{\partial x} h_{1} (5)$

固态核心的高度为[8]

$h_{c o r e} = h_{0} - \sqrt{\frac{2 η U}{| \partial p / \partial x |}} (6)$

2 磁流变抛光的材料去除数学模型

磁流变液的流体力学方程可采用修正的二维雷诺方程描述[12,13]。对抛光区域的固态核心范围,可采用数值迭代的方法进行计算,具体步骤如下:

(1)假设抛光区域内无固态核心,液体为牛顿流体,根据二维雷诺方程,计算出抛光区域的压力分布、速度分布和剪切应力分布;

(2)计算出形成固态核心的区域,即剪切应力小于剪切屈服应力的区域;

(3)重新计算牛顿流体区域(非成核区域)内的压力分布、速度分布和剪切应力分布;

(4)重复步骤(1)～(3),直至满足计算精度要求或形成固态核心的区域基本不再改变。

采用上述方法可以获得抛光区域的压力场、剪切应力场、速度场以及固态核心的形成区域(如果存在),获取这些物理场的分布是建立磁流变抛光材料去除模型的基础。

磁流变抛光的材料去除机理是剪切力为主、压力为辅的抛光过程。在磁流变液与工件材料的接触区域内,磨料微粒主要受3种力:①压力,来源于周围羰基铁粉微粒在磁场中的受力和流体动压力;②剪切力,来源于磁流变液的流体动力;③阻力,来源于磨料微粒与工件表面的接触、摩擦。磨料微粒的具体受力情况如图5所示。

(a)剪切力大于阻力 (b)压力不足以辅助剪切力完成材料去除过程 (c)剪切力小于阻力

考察磨料微粒在工件表面可能的接触情况:①当剪切力大于阻力,且有一定的压力辅助时,磨料微粒完成一小块材料的去除;②当压力不足以辅助剪切力完成材料去除过程时,磨料微粒翻越材料表面的凸点,不能完成去除;③当剪切力小于阻力,且有一定的压力辅助时,磨料微粒陷于材料表面的间隙之中不能去除材料,而后磨料微粒不断调整角度,以减少阻力,最终演变成情况①。可见,在磁流变抛光过程中,剪切力是材料去除的主导因素,压力是抛光过程中的辅助因素,两者相辅相成,共同完成材料的去除。情况①中,对于某一特定的压力,当剪切力总是足够完成材料去除时,磁流变抛光过程满足Preston方程。综合考虑剪切力、压力对材料去除的影响,材料去除效率可表示为

r(x,z)=k1k2K(x,y)=cK(x,z) (7)

式中,K(x,z)为剪切应力、压力对材料去除的影响因子;k1为材料常数,对于特定材料, k1为常数;k2为去除效率归一化常数,对于某一特定的磁流变抛光工艺过程,k2为常数;c为材料去除效率常数,c=k1k2。

式(7)中,材料去除效率常数c可采用实验的方法确定,k1、k2无需具体确定;K(x,z)可根据仿真计算出的压力场、剪切应力场以及实验得到的材料实际去除情况进行拟合,这也是获得材料去除模型的关键。虽然,当工件材料、磁流变液成分、工件表面的摩擦状况等因素发生变化时,影响因子曲面将发生变化。但是,对于某一特定的磁流变抛光过程,该影响因子曲面是不变的。实际加工中,一般采用相对固定的工艺参数(包括固定型号的磁流变液和磨料,固定的抛光轮转速、磁场强度等),只需针对不同材料完成相关工艺试验,确定该材料的影响因子曲面(或直接在已经建立的材料工艺参数库中选取),即可建立该特定磁流变抛光过程的材料去除函数模型。

3 实验验证

在自行研制的磁流变抛光样机KDMRF-1000上,对口径为100mm的BK7平面镜样片,采用差动法获取去除函数。具体试验条件如下:磁流变液型号为KDMRF-1,CeO2磨料,抛光轮半径R=150mm,抛光轮转速n=100r/min,磁场电流为6A,h0=1mm。

抛光区域的工件表面的压力场、剪切应力场分布如图6所示。剪切应力和压力对材料去除的影响因子曲面如图7所示。

根据建立的材料去除影响因子曲面和材料去除效率常数可以计算磁流变抛光的材料去除三维模型。图8为计算去除函数与实验去除函数的对比效果图。由图可见,实验去除函数与计算去除函数在影响范围、变化趋势、去除效率数值上基本相符,其中峰值去除效率的偏差为3.36%,体积去除效率的偏差为8.83%。引起这些偏差的主要原因包括:①建模过程中忽略的其他次要因素的影响;②磁流变液的流变学参数、磁场参数的测量误差;③磁流变抛光系统自身的系统误差;④数值计算引起的误差。

4 结论

由于磁流变液的Bingham流体特性以及外加梯度磁场的影响,使得磁流变抛光区域的流体成核状态、压力场、剪切应力场的计算十分困难,难于建立传统的解析数学模型,只能进行近似的数值计算。

根据磁流变抛光的材料去除机理可以拟合出剪切力和压力对材料去除的影响因子曲面,计算出材料去除效率常数,建立磁流变抛光过程的材料三维去除模型。根据实验验证,该模型在抛光区内能够较好地反映磁流变抛光的真实情况,为磁流变抛光技术的应用打下坚实的基础。

磁流变抛光过程十分复杂,抛光区域磁流变液抛光层的自由边界移动、工件及抛光轮表面情况对影响因子曲面的影响以及磁流变液的各向异性等问题有待进一步深入研究。

磁流变弹性体篇6

关键词：磁流变抛光,去除模型,表面粗糙度,质量控制

1 引言

随着科学技术的发展, 对高性能的光学元器件的需求越来越迫切, 在激光核聚变、航空航天、宇宙探测、军事侦察以及彩色显像制造业等诸多领域对光学零件的要求与日俱增[1]。为了得到表面精度和表面质量很高精度的光学零件, 世界各国的学者进行了大量的研究工作, 提出了许多新的超精密加工的方法, 包括离子束加工、在线电解修整磨削抛光、等离子体辅助抛光、磁流变抛光等。这些技术成功地实现了光学零件的超精密加工, 达到了比较理想的精度;特别是磁流变抛光技术具有其他技术所无法替代的优点;磁流变抛光是一种新型的光学零件加工方法, 它是将电磁学、流体动力学、化学等结合于光学加工中, 抛光后的工件不存在亚表面破坏层, 可以得到理想的光学表面, 是获得超精密、超光滑光学表面的理想工艺[2,3]。

2 磁流变抛光的基本原理

磁流变抛光技术就是在磁流变液中加入抛光粉, 利用在梯度磁场作用下形成的具有一定硬度和弹性、能承受较大剪切应力、可控和点状区域的“柔性抛光磨头”抛光工具。当与被加工的光学零件接触并有相对运动时, 就会在工件表面与之接触的区域产生剪切力, 达到去除工件表面材料进行抛光的目的。下面基于自行研发的磁流变抛光装置 (DHU-MFD-1) 加工平面为例简述磁流变抛光原理, 如图1、图2所示。

工件位于抛光轮的上方, 磁场发生器置于工件和抛光轮的下方, 在工件与抛光盘所形成的狭小空隙附近形成一个高梯度磁场。当抛光区域内的磁流变液随抛光轮一起运动到工件与抛光轮形成的小空隙附近时, 高梯度磁场使之凝聚、变硬, 形成一缎带凸起, 成为粘塑性的Bingham介质。这样具有较高运动速度的Bingham介质通过狭小空隙时, 对工件表面与之接触的抛光区域会产生一定的剪切力, 从而使工件的表面材料被去除, 达到材料微量去除的目的。

3 磁流变抛光数学模型及其影响因素

磁流变抛光是使工件与相当于磨头的抛光工具在抛光区形成一定的相对运动速度和压力, 抛掉工件表面上的多余材料, 其材料去除效果符合光学加工中被人们普遍接受的Preston方程:

式中, K是Preston系数, 与磁流变液成份、抛光区温度、工件材料等因素有关;P是抛光区域内工件表面所受的压力;V是抛光区域内抛光轮和工件表面的相对运动速度;T是抛光驻留时间。由Preston方程可知, 在磁流变液成份确定的情况下, 材料去除效果主要受到压力、相对速度及抛光驻留时间的影响。

3.1 相对速度对抛光效果的影响

抛光区有三个速度分量, 分别是V1为工件的自转速度, V2为抛光轮转动的速度, V3为工件沿机床Y轴向上的进给速度。

抛光点处的工件的线速度为:

ω1式中, R1 (x) 为工件的转速, 抛光点到工件中心的距离。

载液轮转动的速度为:

式中, 为载液轮的转速, 为抛光轮的半径。

所以, 工件抛光点处相对速度为:

根据Preston方程, 相对速度越高, 磁流变抛光去除效率越高。但是, 在其他实验条件固定的情况下, 根据通过对实验数据分析可知, 为了得到理想的工件粗糙度, 相对速度应控制在一个适当的区域范围, 因此, 通过工艺参数优化工件自转频率和抛光轮转速选择一个适当的数值。

3.2 压力对抛光效果的影响

磁流变抛光液对工件的压力是一个复杂的参数, 它主要由流体动压力和磁场产生的压力以及磁流变液的重力压力三部分组成。磁场产生的压力包括磁化压力和磁致伸缩压力。由于磁流变液是不可压缩的, 因此它在磁场中由于体积变化而引起的磁致伸缩压力近似为零。当只考虑磁化压力时, 有

式中, Pd为磁流变液流体动压强, Pm为磁流变液磁化压强, Pg为重力压强远小于Pd和Pm, 可以忽略不计。

(1) 磁流变液流体动压强Pd, 其表达式为[4]:

结合自行研发的磁流变抛光装置以及加工的工件为平面玻璃, 因此, 修正后的磁流变液流体动压强的表达式为:

式中:;η0为零场粘度;μ为相对磁导率;h0为工件抛光点与抛光轮之间的间隙;R2为抛光轮的半径;x为水平方向上工件中心与抛光点之间的距离。

(2) 磁流变液的磁化压强, 其表达式为[6]:

其中:由于加工的工件为平面玻璃, 曲率半径R→+∞, 因此, 修正后的磁流变液的磁化压强的表达式为:

式中, μ0为真空磁导率;Mf为磁流变抛光液的磁化强度;H为外加磁场的磁场强度;α为并排放置两磁极的总长度;e2为并排放置两磁极上表面软磁材料所形成的气隙宽度;Bg为穿过气隙的磁通密度;φ为磁性微粒在磁流变抛光液中所占的体积比。

磁流变抛光不是单点进行加工, 而是磁流变液与工件接触的部分都处于被加工状态。在采用磁流变液加工工件表面上任一点时 (指该点距离抛光盘位置最近) , 工件表面与磁流变液的接触区域内所有点都在磁流变液中处于被抛光状态, 且各点的磁场强度均不等。因此, 与P有关的磁流变抛光工艺参数有磁场强度、抛光轮与工件的间隙、磁流变液成分等。

3.3 驻留时间对抛光效果的影响

在磁流变抛光中, 可以通过改变驻留时间来控制工件表面的去除量, 因为材料的去除量与驻留时间近似呈线性关系。工件加工过程中, 机床Y轴方向上由于存在进给速度, 因此进给速度与抛光驻留时间成反比例关系, 为了提高抛光效率, 因此, 结合工件的抛光前后面形材料的去除量以及其他的工艺参数, 工件的进给速度应当选择一个适当的数值。

4 抛光实验分析

根据修正的磁流变抛光数学模型以及影响抛光效果的主要因素为控制对象, 进行光学元件抛光实验, 以验证磁流变抛光的材料去除模型和抛光质量控制的效果。实验条件:自行研发的磁流变抛光机, 自行配置的磁流变抛光液, zygoNew6300轮廓仪, 原子力显微镜等, 其他的工艺条件及相关工艺参数见表1。

用表面轮廓仪 (zygoNewView6300) 检测抛光前后的面形, 如图3所示, 图3.1为经过粗加工后的玻璃表面轮廓图, 可以看出表面峰谷较多, 此时的表面精度较差;图3.2为局部粗抛、全方位精抛后的工件表面轮廓图, 表面比较均匀连续, 表面质量得到了较好的提高, 通过原子力显微镜检测, 工件表面粗糙度为0.957。

磁流变抛光技术是一项具有广阔前景的光学元件超精密加工技术, 它属于柔性抛光不同于传统的抛光方法, 有着非常高的实用价值, 是现在以至今后光学零件超精密加工的主要方法。本文对影响磁流变抛光效果的主要因素进行了分析, 并修正了磁流变抛光的数学模型, 以自行研制的磁流变抛光机为实验平台, 对BK9光学工件进行抛光, 试验结果表明, 根据自行研发的磁流变抛光实验机和对影响抛光效果主要因素的控制, 可以有效地提高磁流变抛光工件的质量及其抛光效率。

参考文献

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磁流变恒矩器密封机制研究篇7

磁流变恒矩器是一种利用智能材料磁流变液的独特性能而研发的新型传动装置,其输出转矩可以通过调节电流获得精确控制。特别适用于对输出转矩有特殊要求的场合。比如柔幅材料收卷过程中的张力控制,欲保持材料上卷张力恒定,则必须使收卷辊转矩随幅卷直径增大成比例对减小。过去常使用磁粉离合器来作为控制硬件。但磁粉离合器工作时处于干摩擦状态,发热严重,磁粉颗粒易脱落,输出参数不稳定。无法满足超高速收卷下张力精密控制的要求。

磁流变液(MRF)是近10年来发展起来的一种新型智能材料,它在无外加磁场时,流变特性与普通牛顿流体类似;但在外加强磁场作用下,其流体结构和性能会瞬间改变,表现为表观粘滞系数可在毫秒级内增加几个数量级,呈现类似固体的力学性质,且屈服强度能够随磁场变化而变化。将它用于机械传动,具有响应快、精度高的优点。

采用磁流变液传递动力具有一个显著的优势,即有效解决长期困扰生产和使用单位的密封失效泄漏问题。因为传统的密封方式,采用标准液压密封件及其结构,在使用过程中,不可避免发生磨损和自然老化,如不能及时维修更换,则极易造成泄漏。而智能材料MRF在外加强磁场作用下,液态转变固胶态的力学性质正好适应的这一使用要求,既变干摩擦为湿润环境,又变直接接触式密封为间接接触,是具有高度可靠性,超长使用寿命的新型密封机制。

磁流体密封最初美国人为了解决宇航服可动部分的真空密封以及在失重状态下宇宙飞船液体燃料的固定问题而提出。此后逐渐被人们所认识,其研究应用一直是世界各国十分关注的前沿课题。在我国,李明生等人做了关于磁流体密封在水泵中的应用实验研究。张世伟等人论述并用实验验证了防液体密封的承压机理和失效机制。顾红等人通过磁流体密封水介质的试验,分析了磁流体密封破裂后的修复过程。邹继斌,方先清等则对磁流体密封耐压计算方法作了研究。

1 磁流变恒矩器工作原理及密封结构

新型磁流变恒张力控制传动装置参考了磁粉离合器的结构,其结构和工作原理如图1所示,动力和运动由输入轴输入,输入轴与内环固结一体,输出轴与外环固结一体。在外环和内环之间存在0.5～2mm的径向间隙。其间充满磁流变液。外环上方布置励磁线圈,通电后间隙内产生磁场,通过调节线圈电流可控制穿过间隙的磁场强度。在磁场作用下,磁流变液流变特性瞬间改变,粘滞系数在毫秒级内增加几个数量级,呈现类似固体的力学性质,从而将动力和运动从输入轴传递到输出轴。其屈服强度能够随磁场变化而变化,只要改变激磁电流之大小,便可方便地控制其输出转矩。由于处于湿摩擦状态,新装置的发热可大大减小。利用磁流变液特性,采用磁密封又可有效解决传统橡胶密封件磨损老化引起泄露的问题。

磁密封常在永磁铁、磁极与阻尼器钢制活塞轴之间形成密集的闭合磁场回路。当磁流变液流到活塞杆与端盖间隙处,在间隙内强磁场作用下,屈服强度瞬间增加几个数量级,呈现类似固体的性质,将磁流体紧紧吸在密封间隙内,形成磁性液体“O”型密封环,把间隙锁住,从而实现密封(图2)。

这种非接触式密封相对传统密封方式,几乎可以不考虑密封件的磨损和老化,磁流体作为一种惰性、稳定、挥发量极低的有机物,寿命长,可10年无需维修。即便密封在特定情况下产生瞬时过压击穿时,一旦压力降低至密封可以承受的程度时,密封效果依然能够保持。还具有摩擦力极小,传输效率高。无方向性,如果需要改变承压方向,无需增加任何元件就能实现等优点。

2 密封机制的理论耐压能力

磁密封装置中,采用聚磁结构,利用永磁体使得密封间隙内磁场强度远高于间隙外磁场,这样,在密封间隙中注人磁流体后,磁流体被吸附在密封间隙中并将其充满,并且处于对称的位置。当密封间隙两侧压力不等时,磁流体在磁场中发生转移,被挤向压力较低的一侧,从而使高压侧的磁流体表面处于较高的磁场位置,而低压侧磁流体表面处于较低的磁场位置,由于两表面间磁场强度差而产生磁压,此磁压与外部压差平衡,从而实现了密封目的。

1) 理论耐压能力计算

根据Bingham模型,磁流变液的本构关系可用下式表示:

= $_{y} (Η) \cdot sgn (\frac{d u}{d y}) + η \frac{d u}{d y}$ (1)