磁流变液范文

磁流变液范文（精选10篇）

磁流变液 第1篇

分子中电子的绕核运动和自转将形成分电子流,分电子流将产生磁场,每个分子都相当于一个小磁铁[31]。由于磁性物质分子的相互作用,使分子电流在局部形成有序排列而显示出磁性,这些小区域称为磁畴。当磁性物质没有外磁场时,各磁畴是混乱排列的,磁场相互抵消;在外磁场的作用下,磁畴就逐渐转到与外场一致的方向上,即产生了一个与外场方向一致的磁化磁场,从而磁性物质内的磁感应强度大大增加——物质被强烈的磁化了。磁性物质因磁化产生的磁感应强度是不会无限制增加的,当外磁场增大到一定程度时,全部磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将达到饱和值,这就是磁性物质的磁饱和强度。

磁流变液在外加强磁场后,其中的磁介质微粒就沿磁场方向形成了柱状链。当磁流变液在外磁场的作用下达到磁饱和强度时,磁流变液的功能达到最佳状态。通过查阅文献,目前国内外还没有比较成熟的简单方便测试磁流变液磁饱和强度的装置。因此,开发一套测试磁流变液磁饱和强度的装置,不仅对研究磁流变液的性质很重要,而且对于磁场的设计,也是非常必需的。

1 磁流变液磁饱和强度测定装置工作原理

1.1 测试磁流变液磁饱和强度测定装置示意图如图1 所示:

1.2 测定装置的工作原理及理论推导

装置的工作原理是这样的:线圈由直流电源提供电能,用来产生磁场,铁芯、上下磁轭、两个极柱、磁流变液及磁流变液下面的空气形成封闭的磁路。用特斯拉仪测出磁路中空气的磁密,测出磁密后,由电磁学知识知:

由(1)与(2)联立求解得:

其中:F为磁势;N为线圈匝数;R为磁阻;l为介质在磁路中长度;B为磁密;Φ为磁通;S为磁路中介质的面积;µ为介质的磁导率;Hj为第j段磁路中的磁场强度;lj为第j段磁路的长度;Φj为第j段磁路中的磁通;Bj为第j段磁路中的磁密。

由上面的公式可以得出:

线圈的匝数为已知,线圈的电流由电源可以显示,磁密用特斯拉仪可以测得,介质的长度又可以测出,则这时的磁导率便可以求出。磁密已知,磁导率已知,在整个磁路中的磁通是相同的,根据公式5便可以求出介质的磁场强度Hf来:

其中:Hf为磁流变液的磁场强度;Bg为空气的磁密;lg为磁路中空气的长度;µ0为空气的磁导率;lx为铁芯和极柱的总长;Bx为铁芯(极柱)的磁密;µy为纯铁的磁导率;ly为上下磁轭的总长;By为磁轭的磁密;lf为磁流变液在磁回路中的长度。

在磁流变液与气隙之间的分界面处,由电磁学知识可知:

当气隙磁密Bg=1T时,Bx、By均小于1T,此时铁芯及磁轭均不饱和,所以此时的纯铁的磁导率µy远远大于空气的磁导率µ0,因此式(8)便可简化为:

1.3 测定装置参数的计算及设定过程

根据目前研究的结果和测量磁流变液剪切应力装置所得到的数值,估算磁流变液的磁饱和强度在1T以下,据此设计的装置产生的磁感应强度不应小于1T,初步定:

极柱的半径R=0.03m;极柱之间的间隙δ=0.03mm;

真空磁导率:µ0=4·π·10-7

气隙磁密:Bg=1T

气隙高:h1=0.01m

假定磁性液导磁率:µ=3·µ0

所需磁势:

导线电流密度:J=4.106

选取线圈的占空系数:k=0.7

线圈的窗口面积:

线圈骨架尺寸:设高H=140mm;壁厚∆=mm

线圈骨架的内径:φ1=2·R+0.004=0.064m

线圈骨架的外径:

导线总长:

每千米重量为5.83kg,

导线总重:W=Ld·5.83=16.33kg

导线电阻:

直流电压:

铁轭宽:b=2·R=0.06

根据此计算结果,制作出磁流变液磁饱和强度测定装置。

2 对测定装置的计算复核

铁芯截面积为Sy(m2);铁芯平均总长Ly(m);气隙的截面积为Sg(m2);气隙长为Lg(m)

纯铁属于软磁性材料,当By为1T时,Hy为120,则其磁导率为:

铁轭的磁阻:

铁芯的磁阻:

磁流变液的磁阻:

磁路中的总磁阻:

8所需磁势:

复核结果基本和设计结果相吻合,这说明我们设计的结果是能够满足测试磁流变液的磁饱和强度的。

3 测试结果及分析

用测定装置对磁流变液(自行配置的)进行了测试,在电磁铁的电流分别为0.5、1、2A时,磁回路中的磁密分别为0.24、0.31、0.355T。用公式10分别计算磁流变液三种状态下的磁场强度:

当电流为0.5A时:

当电流为1A时:

当电流为2A时:

由上述计算结果,得出磁流变液的B-H曲线,如图2所示:

由于实验条件的不具备,加之实验电源能提供的电流值有限(最大能提供2.5A),所以试验能够测得的有效值只有三个,因此这条磁化曲线不能够较完整的描述出磁流变液的磁化特性,但是可以根据实验数据初步推算出磁流变液的磁导率µf在16~4之间,随着磁密的增加而减小。从图线分析,本次测试的磁流变液磁饱和强度约为800KA/m。

如果改进试验的条件,使实验的电流能够达到4A左右,从理论上讲应该可以绘出一条较完整的磁流变液的磁化曲线,同时,磁流变液的磁饱和强度也能够从试验中测得。这就为磁流变液及相关设备的开发和使用提供了理论依据。

摘要：为了研制一种简单可靠的测量磁流变液磁饱和强度的仪器,本文根据电磁学相关原理从三个方面即理论推导、参数的设定和计算、计算校核对测试装置的工作原理进行了阐述。最后通过实验证明,此装置较为准确的测出了磁流变液的磁饱和强度。

关键词：磁流变液,磁饱和强度,测试装置,磁密,磁通

参考文献

[1]Kordonski W I,Gorodkin S R,Novikova Z A,Conf.on ERFluids,MR Suspensions and their Applications,Singapore,World Scientific,1998:535-542.

[2]J.M.Ginder,L.C.Davis,Shear stress in magnetorheological fluids:Role of magneticsaturation,Appl.Phys.Lett,65(26),1994:3410-3412.

[3]司鹄.磁流变体的力学机理研究[D].重庆大学,2003.

[4]王增和.电磁场与波,第一版[M].北京:机械工业出版社,2007.

磁流变液在机械工程中的应用论文 第2篇

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，从而使由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

汽车磁流变减振器控制过程探讨 第3篇

【关键字】磁流变减振器；阻尼特性；磁流变液

1.引言

磁流变减振器利用电磁反应，以来自监测车身和车轮运动传感器的输入信息为基础，对路况和驾驶环境做出实时响应。磁流变液体是一种磁性软粒悬浮液，当液体被注入减振器活塞内的电磁线圈后，线圈的磁场将改变其流变特性（或产生流体阻力），从而在没有机电控制阀、且机械装置简单的情形下，产生反应迅速、可控性强的阻尼力。磁流变减振器有阻尼力可调倍数高、易于实现计算机变阻尼实时控制、结构紧凑以及外部输入能量小等特点，日益受到工程界的高度重视。

2.磁流变减振器

2.1磁流变减振器的构造及工作示意图

与传统的筒式减振器相比，磁流变减振器的特点是其阻尼力不只取决于活塞运动速度，而主要通过控制在内外筒间所施加的电压来控制阻尼力的大小。由于磁流变减振器中不设置节流面积可变的节流阀其抗机械磨损的性能大大提高。

图（1.1）是L0rd公司生产的用于车辆座椅振动控制的典型的磁流变减振器的结构简图，其结构与单筒式充气减振器极为相似。从空心的活塞杆中引入导线控制磁场变化，磁场变化可以改变从工作活塞轴向孔隙中流过的磁流变液的粘度，进而改变阻尼力的大小。由于活塞杆的行程较小，采用由膜片封闭的具有一定初始压力的氮气补充工作腔体积的变化。

目前磁流变阻尼器在汽车智能悬架系统中应用越来越广泛和深入。通过用磁流变阻尼器替换原来的被动阻尼器，从而实现汽车悬架系统的智能化和半主动控制。汽车磁流变半主动悬架系统的主要原理：采用传感器装置（如加速度传感器）实时感知路面激励及汽车簧上和簧下质量的振动信号，对这些信号进行分析和处理，并把有用信号传递给处理器，处理器根据采用的控制策略和控制算法，分析处理这些信息，并发出控制信号，对悬架系统进行控制，驱动磁流变阻尼器产生控制力，达到实时减振要求和目的。

如图（1.2）所示为美国Lord公司的工程技术人员开发的一种汽车磁流变半主动座椅悬架系统一Motion Mastd 141，的工作简图."Motion Master”系统由一只磁流变阻尼器、一个位移传感器和一个控制器组成磁流变阻尼器为单筒式，装有70mL磁流变液，采用压缩氮气作补偿，阻尼孔环形分布在活塞上，励磁线圈绕制也在活塞上，通过活塞杆引出电源线。该阻尼器直径为41 mm，活塞行程为士29mm，在输入电流为1A时输入功率为5W。位移传感器用于检测座椅的振动信号，控制器具有软、中、硬三种模式，可根据驾驶员的体重选择，控制信号输出频率为500Hz。经实验室测试，该座椅悬架系统可以有效降低40%的振动和49%的冲击。

2.2磁流变阻尼器在悬架系统中的应用和发展情况

磁流变液具有优良的可控性、很宽的动态范围、较高的响应速度，很低的功耗，相对简单的控制方式，因此它在结构振动控制、车辆工程中具有广阔的应用前景，尤其是在汽车半主动悬架领域它已经成为竞相研究的热点，世界发达国家的研究机构和企业投入大量人力物力利用磁流变液开发阻尼器件及相关技术。

美国Lord公司是世界上最大的磁流变液供应商，也是磁流变技术商业开发的领导者，拥有磁流变阻尼器、制动器、离合器及其控制系统的多项专利，其中Pinkos等设计了转盘式磁流变主动悬架系统，并完成了汽车半主动悬架的控制实验，这种悬架系统大大地提高了汽车的安全性和舒适性。世界最大汽车零部件制造和系统集成商一美国德尔夫（Delphi）公司与通用汽车公司合作开发了汽车磁流变半主动悬架系统Magneride，并获得了1999年度世界一百大科技成果奖，现在德尔夫公司已经开始与通用汽车公司合作，在2002 Seville STS型高档轿车上进行了试用。

在国内，磁流变半主动悬架的研究已经起步。香港中文大学智能材料与结构实验室的C. Y Lai和W. H. Laio利用Lord公司开发的磁流变阻尼器研究了单自由度悬架系统的振动控制，其控制算法为滑模控制，与传统的被动悬架相比，采用磁流变阻尼器可控悬架的簧上质量的垂直加速度得到大幅度降低。复旦大学在对磁流变材料的机理和制备方法进行研究的同时，还与上海大众汽车公司和上海汇众汽车制造有限公司合作研发汽车磁流变阻尼器和半主动悬架。重庆大学对磁流变阻尼器的流变理论和设计方法进行了深入的研究，解决了磁流变阻尼器磁路设计和结构设计中的相关技术问题，研制出了微型汽车磁流变阻尼器和用于海南馬自达的汽车磁流变阻尼器，并在国家客车质量监测中心进行了测试，为汽车磁流变阻尼器的开发和应用奠定了理论和技术基础。

3.结论

磁流变液保险机构时间数学模型分析 第4篇

磁流变液MRF( magneto rheological fluid) 是近几十年来迅速被广泛应用的一种智能材料,在无磁场条件下,呈现一般流体的性质,具有很好的流动性,在外加磁场状态下,表现为类固体的力学性质,且磁场引起磁流变液的这种变化是可逆的[1]。

引信磁流变液保险机构是将磁流变液流态受控于磁场的特性应用于引信安全系统中的一种保险机构[2],具有安全性高、结构简单可靠、经济实用的特点。

延期解除保险时间是引信磁流变液保险机构的一项重要性能指标,其时间模型的建立是引信磁流变液保险机构亟需解决的关键问题之一。利用流体动力学知识,并考虑磁流变液的平均等效力场,建立了合理的磁流变液保险机构时间模型。

1磁流变液保险机构原理

磁流变液保险机构如图1所示,其工作原理为[3]: 平时在永磁体磁场作用下,磁流变液呈现类固态,限制了转子及活塞的运动,保证平时勤务处理的安全性。工作状态时,永磁体在后坐力作用下撤离,使得磁流变液恢复良好的流动性,在环境离心力作用,活塞产生了对磁流变液的推力作用,同时磁流变液自身也受到离心力作用,两者的合力下共同推动磁流变液开始泄流,泄流完成时,活塞完全解除对转子的约束作用,此时转子转正,引信解除保险。

2延期解除保险时间模型

2. 1保险机构流场分析

磁流变液保险机构涉及流场分析的物理结构可以简化成如图2,磁流变液装满液筒,液筒远离弹轴一端开有一泄流孔,弹丸旋转时,机构受离心力作用,此时活塞产生的离心力作用在磁流变液上,同时磁流变液也受到自身的离心力作用。简言之,该物理模型为磁流变液在活塞推力与自身离心力作用下的泄流问题。

2. 2建模前提与假设

结合实际,简化分析后对理论模型作出如下假设:

1) 认为磁流变液作粘性流动,泄流孔均匀泄流,把流体看作均质,采用不可压缩粘性流体定常流动模型;

2) 磁场撤去后,磁流变液完全无磁场作用,即忽略剩磁场对磁流变液的影响作用;

3) 由于泄流时间短,假设弹丸转速在泄流期间保持不变;

4) 磁流变液粘度在泄流期间无明显变化，为确定值;

5) 流场中仅考虑离心力作用，忽略摩擦力等因素。

2. 3流场动力学方程建立

如图3中磁流变液流动简图所示,取坐标系oxyz,x轴与流速方向一致,z轴与弹轴方向重合,液筒以 ω 角速度绕z轴旋转,液体沿x、y、z轴方向的速度分别为u、v、w。 由于简化物理模型的考虑,泄流只在x方向上进行,故只分析在x方向上流体的动力学过程。

流体动力学基本方程组[4]可简化为:

式中: μ 为磁流变液粘度,ρ 为磁流变液密度。

由于磁流变液为层流状态,近似认为运动是定常的, 根据定常流动可积条件有:

则式( 1) 可简化为:

又由于连续方程则:

由式( 5) 可知压力只是x的函数,速度u只是y、z的函数,故式( 5) 只在等式两边都等于常数时才成立。即压力沿x方向的梯度可写成:

即为研究磁流变液粘性不可压层流问题的基本方程, 式中l为磁流变液长度。

因此,联立式( 5) 与式( 6) 得:

将式( 9) 与式( 10) 代入式( 7) 得到:

考虑到流动对称性:则:

将式( 13) 进行积分得:

由边界条件: 当 r = 0 时为有限值，因此C1= 0; 当r = r1; u = 0,其中: r为液筒径向某一半径值, r1为液筒半径。

液筒内各断面速度分布为:

积分得任意x截面处流量为:

则液筒内的平均流速为:

由于泄流孔处突然收缩会产生能量损失,利用伯努利方程得:

式中取经验值为液筒内速度即为泄流孔处速度，则:

式中,压差△p = F/πr12,F为磁流变液受到的等效力,下面将求解力F。

2. 4力学等效分析及泄流时间公式

磁流变液在本身所受离心力和活塞推力的作用下泄流。根据力学原理,将磁流变液受到的两个力合成一个等效均匀力场,同时为了便于计算与分析,将泄流过程中磁流变液所受的力设定为平均力。磁流变液延期解除保险机构的泄流模型如图4。

图4中D为液筒内径; a为弹轴到活塞质心的长度; b为未开始泄流时弹轴到泄流孔端面长度; c为未开始泄流时弹轴到活塞大端面长度。

1) 活塞对磁流变液的推力F1

由于离心力环境下,活塞受到离心力作用,而该力与活塞作用与磁流变液上的推力为相互作用力,由故F1的求解可由离心力公式求得:

式中: m为活塞的质量,b1和b2分别为弹轴至泄流前活塞质心的长度和完全泄流后弹轴至活塞质心的长度,ω 为弹丸转速。

将图4中的参数代入式( 20) 得:

2) 磁流变液自身离心力F2

假设当活塞移动到任意位置x处时,磁流变液自身离心力f2为:

为得到b到c间磁流变液的离心力均匀力场,将式( 3) 和式( 24) 进行积分得:

3) 计算等效合力F

等效合力F是活塞对磁流变液的推力F1与磁流变液自身离心力F2之和,故有:

又由于:

联立式( 19) 、式( 24) 及△p = F/πr12,代入式( 25) 中, 得到泄流时间公式:

式中: r1为液筒半径,l为磁流变液长度,r0为泄流孔半径, ρ 为磁流变液密度,μ 为磁流变液粘度。

分析式( 26) 可知泄流时间t与活塞及液筒的尺寸参数、与弹丸转速、活塞密度、磁流变液密度等因素相关。

2. 5算例分析

以文献[5]中某火炮内弹道参数为例,将相关数值代入式( 26) 中,得到泄流时间如表1所示,同时表中给出了实际靶场试验中相关转速下的磁流变液保险机构的泄流时间的数据。

从表1中可知,该时间公式所得出的理论计算值与实际试验所得值相对误差在10% ,说明该时间模型的正确性。

3流场仿真分析

利用ANSYS10. 0中FLOTRAN CFD分析模块进行磁流变液的泄流仿真,仿真时选择FLUID141二维单元进行建模,仿真过程具体如下:

1) 有限元模型建立

考虑机构的对称性和载荷的对称性,为简化计算,取机构的1 /2模型进行分析,选择FLUID141单元,采用四边形网格划分,对敏感区域进行网络加密。建立的机构有限元模型如图5所示。

2) 施加边界条件与载荷

边界条件: 壁面上流体速度为零,流体在对称面的垂直方向的速度为零,进口处流体速度为零,如图6所示。

根据内弹道环境及流体受力情况给流体施加载荷: 流体角速度为机构在弹道上受到的离心力,现取机构在炮口附近( 机构开始泄流时刻) 的转速。出口处压强为零,流体入口处压强根据实际作用时活塞所受的离心力确定,实际运动中,离心力是变力,但由于是随活塞质心到转轴的距离r线性变化,因此在分析时可取离心力的平均值。

3) 设置分析参数

流体材料选用美国Lord公司生产的MRF - 132LD磁流变液,设置其流体密度 ρ = 3 005. 5 kg/m3,粘度 η = 0. 25 Pa·s; 不考虑环境重力加速度,设置旋转角速度为炮口初速度,不考虑能量方程,其他参数选用默认设置。

4) 求解及分析

通过仿真得到磁流变液在活塞推力和离心力的共同作用时磁流变液的速度云图如图7所示。

由图7所示,泄流孔处的磁流变液的平均速度为u* = 29 m / s左右。将机构尺寸等相关参数代入式( 25 ) , 可知仿真泄流时间t = 143 ms。

当机构尺寸等设计参数确定时,泄流时间只与泄流速度有关,而将相关参数代入泄流速度公式( 19) 中,求得计算结果u = 25. 6 m/s,与仿真结果中的速度误差在13% 左右。将相关设计参数代入式( 26) 后可得泄流公式计算理论值为162 ms,这也从数值仿真分析上验证了泄流时间公式的正确性。

4结语

通过流体动力学方程,结合磁流变液的等效均匀力场分析,建立了磁流变液保险机构延期解除保险时间数学模型。通过实际试验结果及流场仿真分析表明: 1) 延期解除保险时间数学模型与实际靶场试验测得数据误差不大于10% 。2) 通过对磁流变液泄流的流场仿真分析结果与时间数学模型计算得到的数据误差在13% 左右,进一步验证了延期解除保险时间模型的正确性。为磁流变液在引信保险机构中的延期解除保险时间的理论数值计算方面提供了较为准确的数学模型,为机构延期解除保险时间的准确预测提供了理论依据,也为磁流变液保险机构的优化设计提供了相应的理论参考。

摘要：磁流变液保险机构是将磁流变液随磁场变化流态可控的特性成功应用其中的一种新型保险机构,其延期解除保险时间模型的建立尚不成熟。基于流体动力学提出了合理的磁流变液保险机构的延期解除保险时间数学模型。通过试验与流场仿真分析表明:该延期解除保险时间数学模型与机构试验、仿真结果误差均<13%,为磁流变液保险机构延期解除保险时间的准确预测提供了理论依据。

逆变型磁流变阻尼器的实验和分析 第5篇

磁流变液是一种性能优良的智能材料,用其制成的MR阻尼器是一种理想的半主动控制装置.本文提出了一种新型MR阻尼器――逆变型MR阻尼器,给出了逆变型MR阻尼器的设计方法,并设计了一个足尺的阀式逆变型MR阻尼器.实验证明逆变型MR阻尼器阻尼力可调,在电源失效或无电源时能够在大阻尼状态工作,这提高了半主动控制装置在地震中的使用安全性.逆变型MR阻尼器具有良好的可靠性、实用性和经济性.本文最后针对试验中阻尼器出力的.可调范围比较小的问题给出了几种改进的思路.

作 者：闫维明 葛惠娟 董彬 纪金豹 YAN Weiming GE Huijuan DONG Bin JI Jinbao 作者单位：闫维明,董彬,纪金豹,YAN Weiming,DONG Bin,JI Jinbao(北京工业大学,建筑工程学院,北京,100022)

葛惠娟,GE Huijuan(北京市道路工程质量监督站,北京,100076)

磁流变液 第6篇

1 磁流变液及磁流变液技术研究状况

磁流变液的主要组成分为软磁性颗粒、载液、稳定剂。根据组成和性能的不同,可将磁流变液分为微米磁性颗粒-非磁性载液型,纳米磁性颗粒-非磁性载液型、非磁性颗粒-磁性载液型、磁性颗粒-磁性载液型磁流变液[1]。软磁性颗粒主要有铁钴合金、铁镍合金、羟基铁等,使用最多的是羟基铁粉。它们具有高饱和磁化强度、高磁导率、低磁矫顽力、体积小、内聚力小等特点。可用来作为载液的液体有硅油、矿物油、合成油、水和乙二醇等,载液应该具有温度稳定性好、化学稳定性好、挥发低、不会造成污染等特点。稳定剂一般是添加表面活性剂(油酸)或保护性胶体物质(如硅胶、硅氧化物等),它的作用是防止磁性颗粒沉淀及不可逆转的海绵状絮凝。

1.1 国外在磁流变液及应用上的研究

美国对磁流变液的研究较早,在技术上也较为成熟和全面。美国LORD公司在磁流变液性能研究和应用开发方面有很多成果,并将磁流变液商品化,该公司开发的磁流变液MRX-126PD,已用于大型载货汽车半主动悬架减振系统的磁流变减振器中[2];德国BASF公司的Kormann等人已研制出了稳定的纳米级磁流变液[3]。

1.2 国内对磁流变液的研究现状

国内对磁流变液的研究还处于初级阶段,但也取得了很多成果。如曹真等人采用水热法以简单原料一步合成出Fe_3O_4/PMMA纳米复合材料,并由合成的复合粒子制备得到具有较高剪切屈服应力和储能模型的磁流变液[4];李金海等人对磁流变液的配制及其流变模型的研究,其配制的磁流变液与美国商品化磁流变液性能相当[5];装甲兵工程学院技术保障工程系的张进秋等人根据履带车辆的使用环境,分析了履带车辆专用MRF的特定要求,配制了悬浮稳定的履带车用磁流变液[6]。武汉理工大学与江苏天匀新材料有限公司合作,程海斌等人研制了一种稳定的水基磁流变液,该磁流变液由磁性粒子60～90份,水基复配载液10～40份,添加剂1～10份组成,可用于磁流变抛光、土木工程和汽车的磁流变液减振器等[7]。

2 磁流变液减振系统

在车辆悬架中根据作动力的不同可以将悬架分为被动悬架、主动悬架和半主动悬架。被动悬架是传统悬架,它的结构简单,应用广泛,但总不能同时满足乘坐舒适性和操作稳定性,只能进行折衷;主动悬架可以实现阻尼控制但需要消耗大量的能量,结构复杂;半主动悬架是一种处于二者之间的性能比较好的减振系统,它可以以接近被动悬架的成本,达到接近于主动悬架的性能,其耗能远少于主动悬架系统,并且具有一定的失效保护性。三种悬架减振系统的机构如图1,半主动悬架减振系统工作原理图如图2所示。

m1-车桥、车轮等簧下质量;m2-车身、货物等簧上质量;k1-轮胎等效刚度;k2-悬架弹簧刚度;c2-悬架减振器阻尼系数;h-路面不平度;z1-簧下质量位移;z2-簧上质量位移

m1-非悬架质量;m2-悬架质量;kt-轮胎刚度;ks-悬架刚度;Cs-阻尼器的阻尼系数;Fd-可控磁流变阻尼力

3 磁流变液技术在载重汽车上的应用研究

载重汽车尤其是在矿区使用的矿用载重汽车,在装载行驶过程中将受到剧烈的冲击振动,而且有时路况改变得很严重,这些对汽车悬架装置和车架都会产生很大的作用力,此时为增加其行驶的平顺性和操作的稳定性,要求对路面作用力进行缓冲,传统上采用的是钢板弹簧作为弹性元件减振,并有辅助减振器,但是其减振器阻尼或弹性元件不可进行实时调节,采用磁流变液半主动悬架系统根据传感器所提供的信息,通过控制电流的大小实现对磁流变阻尼力的控制,进一步提高操作的稳定性和行驶平顺性。

3.1 载重汽车上磁流变减振器的基本结构

载重汽车磁流变半主动悬架减振系统是通过DSP进行控制的减振系统,主要由钢板弹簧、磁流变减振器、加速度传感器、DSP芯片等组成。其中磁流变减振器的基本结构如图3所示。磁流变减振器由工作缸、活塞杆、线圈、阻尼间隙、磁流变液等组成,活塞将工作腔分为上下两腔,电磁线圈绕在活塞内部,通过活塞杆引出,通入不同的电流产生相应的电磁场,这样磁流变液的流变特性会发生相应的变化从而实现对阻尼力大小的控制。

3.2 磁流变液技术在载重汽车上的应用与现阶段的不足

美国LORD公司开发的流动模式汽车座椅悬架减振器已用在大型载重汽车司机座椅半主动减震系统中,大大减少卡车司机在路面状况恶劣尤其是在矿区道路上行驶时的危险性,提高了汽车行驶平顺和操作的稳定性;LORD公司自制的磁流变液采用单出杆活塞缸结构,设计了一款用于大型载货汽车半主动悬架减振系统中的磁流变减振器[2]。Delphi公司的MagneRide是一种高性能、半主动悬架控制系统,它以来自监测车身和车轮运动传感器的输入信号为基础,作出实时响应,MagneRide是汽车产业首次采用不带机电控制阀和不使用小运动部件的半主动悬架系统,由以磁流变液介质为基础的单筒减振器、传感器和车载控制器构成,可以提供快速、平顺和连续可变的阻尼力,使车辆减少车身振动和增加轮胎与各种路面的附着力,使驾驶者能获得更好的行驶性能、安全性、舒适性和可靠性[9]。国内,在矿用载重汽车上的应用仅处于研究试验阶段,因此磁流变液减振系统在矿用载重汽车上的应用还处于初级阶段,但其良好的性价比和人们对汽车性能要求的日益提高,将会使磁流变技术在载重汽车行业中得到广泛的应用。

但是目前还存在一些技术问题需要改进:

(1)磁流变液减振器需要较高的沉降稳定性,这样才能具有较好的磁流变液性能,但普遍存在的沉降问题严重影响减振器的性能,沉降问题有待进一步解决;

(2)磁流变液减振器在工作时易泄漏,难密封,其漏磁现象也比较严重,对于磁流变减振器的性能造成一定的影响;

(3)磁流变液减振器在工作时散热也不太理想,会增加磁流变液的工作温度,所以要求磁流变液具有较为广泛的温度适应性;

(4)将磁流变减振器安装在载重汽车上进行试验时,响应情况不理想,往往得不到相应的响应。

磁流变液技术已经成为现阶段在国内外相当成熟的技术,将磁流变液减振器应用在载重汽车中将会有一个良好的应用前景。

摘要：介绍了磁流变液的基本组成和工作原理,以及磁流变液技术国内外的应用现状,分析了磁流变液减振系统,设计了磁流变液减振器的结构,阐述了磁流变液技术在载重汽车上的应用前景、应用现状及现阶段的不足。

关键词：磁流变液,减振器,应用前景,应用现状,不足

参考文献

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磁流变液 第7篇

磁流变液 (简称M R F) 属可控流体, 是智能材料中研究较为活跃的一个分支[1]。在没有磁场的情况下, 磁流变液呈现低粘度的牛顿流体特性, 而在外加磁场作用下呈现出快速的几乎完全可逆的流变特性, 并且这种变化是连续、可逆的, 表现出优良的可控性能。由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的, 而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系, 因此在很多领域具有广阔的应用前景。

2 磁流变液的应用现状

由于磁流变液优良的物理、流变特性, 经过近二十年来的发展, 磁流变液及其相关装置的研究取得了惊人的进展, 不仅研制成功了剪切屈服强度可达100KPa、性能稳定的MRF, 而且相关应用也扩展到了阀门、自动化仪表、传感器、研磨 (抛光) 以及车辆、机械和设备减振等领域[2]。主要可以分为如下几种:

2.1 应用于阻尼元件

这类装置是磁流变液的最大应用领域。磁流变液能够产生强大的阻尼力, 而且磁流变液阻尼器可以根据外部的振动环境不同调节磁场强度, 很容易改变减振系统的阻尼和刚度, 可达到主动减震的目的。利用磁流变液制作的可控阻尼的悬架减振器, 可用于大型载重汽车司机坐椅半主动减振系统以及农业用控制车辆的悬架阻尼半主动控制系统, 还可用于土木工程中减震。Lord公司设计制造了一种地震阻尼器, 可产生200 kN的阻尼力。

2.2 应用于控制元件

磁流变液可以制成性能优良的敏捷控制元件, 在可控机械部件间传递力或力矩, 应用于车辆、航空航天、机械制造、矿山等领域中, 离合器、制动器以及磁流变阀等都是典型的例子。另外, 利用磁流变液在外加磁场作用下在液态固态间可逆变化的特性, 控制液压回路的开合, 从而控制整个液压系统, 设计制作了可控阀门, 其可控性非常好, 而且反应敏捷, 能在大力矩、大行程的结构中使用。

2.3 应用于高精度表面加工

磁流变液可应用于对玻璃、陶瓷和半导体材料等的研磨 (抛光) , 如图1所示。优点是不仅能纠正光学元件的形状误差, 平滑很小的微观不平度, 并且工件表面层和次面层无压应力, 因而加工中不产生表面和次表面损伤, 且受计算机控制, 可克服传统抛光技术的某些限制, 如抛光托盘需要定期修整以保证形状准确;在抛磨先进的光学形状时适应性差及成本高等。

M R F除上述应用外, 还可以用作机械手的抓持机构、不规则形体的依托架和柔性夹具等, 目前还扩展到自动化仪表、计算机的寄存器、机器人的传感器以及采矿、印刷等行业。另外, 因为M R F在磁场下光学性能, 如对光的散射性、透光性等也会发生较大的变化, 因此M R F可以应用到光学领域。磁流变液还能用于机械密封, 白俄罗斯传热传质研究所的Kordondky研制了结合磁流变液的密封圈设备并得到了实际的应用[3]。

3 磁流变液的发展前景

近年来, 磁流变液及其应用装置的研究取得了重大进展。目前, 各主要工业国家仍在竞相发展这一技术。随着磁流变液在机理、材料性能和应用角度上的进展, 有一些设计已经商品化, 进入产品市场。但是MRF沉降稳定性问题还没有很好的解决, 尽管高分子包覆和使用复合颗粒能大大提高稳定性, 但要以降低屈服应力和磁化强度为代价, 它的研究与技术开发还未进入一个完全成熟的阶段, 基础理论和应用技术还有许多问题有待解决, 屈服应力、零场粘度、性能稳定性上都还有待于进一步改善。

根据我国对磁流变液及其应用研究现状, 应从以下三个方面着手: (1) 、重视磁流变液基础理论的研究, 研制性能良好的磁流变液; (2) 、建立更加合理的物理模型, 寻求其计算的精确的理论方法; (3) 、研制和设计磁流变应用器件, 如大阻尼可调式阻尼器、汽车离合器、保护性联轴器等有很大应用前景和经济效益的元件及结构。作为一种新型的智能驱动材料, 磁流变液及其装置的研究已引起农业、工业、医学、航空航天, 军事等诸多部门的普遍关注, 可以预见, 磁流变液这一高新技术必将得到广泛应用。

4 在车辆半主动悬挂控制系统中的应用

以磁流变液减振器作为智能驱动器的车辆主动悬挂系统主要作用原理是:采用传感装置实时感知路面激励和采用超声波或光电传感元件探测未来路面的信息, 对这些信号和其它干扰信号进行处理和振动分析, 并把有用信号传递给单片机, 由单片机处理信息, 控制通过流过磁芯的电流来控制磁场强度, 进而改变磁流变液的黏滞系数, 改变阻尼力, 达到缓和冲击, 减小振动的目的[4], 在这个过程中, 可配合一些数字化技术, 对信息利用数字化仪表进行测量, 实现高精度和高可靠性[5]。

磁流变液减振器控制应力范围大;可以实现阻尼力无级可调;响应速度快;工作温度范围宽;不存在老化、疲劳现象;功耗低;对制造和使用中产生的杂质不敏感, 可使用多种添加剂来提高稳定性、密封性和轴承寿命等;电力要求低。采用磁流变液减振器的半主动悬挂系统, 出力大、能耗小、反应迅速, 对改善车辆行驶平顺性, 提高效能和使用性能有重要意义。

西方发达国家从70年代末期开展半主动/主动控制悬挂系统的研究。美国陆军坦克车辆装备司令部 (U.S.Army TankAutomotive and Armaments Command) 已在97年前后将由可控阀门阻尼器制成的半主动减振装置安装在布莱德利步兵战车 (Bradley Infantry fighting vehicle) 上, 并进行了场地试验, 试验结果同样表明车辆的机动性得到了大幅提高[6]。

2003年1月7日至9日, 由坦克及机动车辆研究发展和工程中心 (TAEDEC) 以及Rod Millen特殊车辆厂, 在亨廷顿海滩的美陆军尤马试验场, 组织实施了对两种高机动多用途轮式车辆的机动性测试。经过对照试验, 车辆不仅有很好的行驶平顺性, 也拥有很好的控制系统以及在悬挂活动量上有很大突破。运用磁流变液减振器的越野极限速度超出有30到40个百分点以上。因此, 美军准备在布莱德利步兵战车和M1A1坦克上使用磁流变液半主动悬挂[7]。

内华达州大学机械系的合成与智能材料实验室在美国军方研究办公室的主持下进行了新一代磁流变液阻尼器的研究工作, 已经发明了可以应用于“悍马”车上的磁流变液阻尼器。这项为期三年的科研工程的目标就是研究全新的、自动防故障装置的磁流变液阻尼器在诸如美军“悍马”这样越野行驶的、高负荷车辆上的运行情况, 这种新的阻尼器应用了一种新颖的磁流变液材料。三年里, 在以下几个方面取得了重要进展:1) 、磁流变液材料的进展。2) 、全新的、结构紧凑的、自动防故障的磁流变液阻尼器理论模型与实验研究, 包括与原型大小一样的模型的设计和发展。3) 、应用于1/4大小“悍马”车模型上的自动防故障实验装置设计。4) 、非线性磁流变液阻尼器控制系统的发展[8]。实验表明, 新的阻尼器的最大能量消耗仅为31.5瓦特, 车辆的行驶性能提高了8%, 车辆的位移缩减量为14%, 主动轮吸收的能量最高可减低到70%。

国内开展半主动悬挂研究较早的单位是北京理工大学, 曾以单自由度简化模型为理论计算的基础, 设计了三级可调减振器, 并做了台架试验。吉林工业大学研究了车辆悬架最优阻尼的确定;以及进行了两态滑阀式可调减振器的研制, 也进行了台架试验;对半主动悬架系统的控制策略进行了理论研究, 提出了半主动悬架的有限最优控制, 自适应控制, 及预瞄控制等算法;进行了半主动悬挂系统装车方案的初步研究[9]。装甲兵工程学院开发了可控磁流变减振器, 将磁流变阻尼器应用于车辆悬挂系统中, 通过对比检测试验, 结果表明减振效果明显, 可控性增加, 其它性能指标均有所提高。这说明了磁流变阻尼器作为一种半主动控制装置, 在车辆悬挂系统半主动控制应用方面有着很好的前景。但是, 磁流变阻尼器的最大阻尼力还相对偏小, 应加紧研制满足使用要求的磁流变阻尼器[10]。

5 结束语

磁流变液的研究已经有50多年的历史, 在材料性能、机理及应用均取得了很大的进展, 特别是磁流变液在军事领域的应用更是前景广阔。但在我国, 该项研究还是刚刚开始, 与国外存在较大的差距, 尚需大量的实践工作。可以预见, 如果将磁流变液这种新型智能材料应用到现代化农业、工业建设中, 无疑将会推动现代化建设的飞速发展。

参考文献

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[8]F.Gordaninejad, A.Fuchs, S.KaarKas, Y.Liu, B.Hu, C.Evrensel.A New Generation of Mago-Rheological Fluid Dampers (R) .Department of Mechanical Engineer University of Nevada, 2004.

[9]方子帆, 邓兆祥, 郑玲, 舒红宇.汽车半主动悬架系统研究进展[J].重庆大学学报.2003, 26 (1)

机器人磁流变离合系统 第8篇

技术背景:

机器人在医疗、军事、娱乐、教育等方面的应用将越来越多, 市场越来越广阔。高昂的成本和人类机器人交互安全性是机器人发展需要重点解决的问题。

传统意义上的机器人操作是在每个结合点使用经过特殊改进的伺服马达来调节。这种方法成本高、自重大、惯性强, 机器人行动更加沉重迟缓, 也威胁到了人类的安全。

技术简介:

该技术在连接装载发动机的启动装置上使用磁流变液体, 能从根本上减少机器人的安全危害。同时仅使用置于机器人底部的一个发动机, 降低了成本并减轻了机器人的重量。使用该技术的机器人惯性比传统机器人低很多, 安全性能显著增强。

该技术能够使机器人具有反向可驱动性。装有磁流变离合器的机器人不需要再用齿轮进行扭矩连接控制, 这就降低了系统的摩擦力和后座力, 同时改进了反向可驱动性。

技术优势和应用:

-减轻机器人的重量和惯性, 增强反向可驱动性, 消除后座力, 降低成本同时增强了安全性;

-彻底摒弃对齿轮装置和昂贵的机械/扭矩传感器的使用;

-仅使用一个发动机, 大大降低成本。

专利状况:

机器人磁流变离合系统 第9篇

机器人在医疗、军事、娱乐、教育等方面的应用将越来越多, 市场越来越广阔。高昂的成本和人类机器人交互安全性是机器人发展需要重点解决的问题。

传统意义上的机器人操作是在每个结合点使用经过特殊改进的伺服马达来调节。这种方法成本高, 自重大, 惯性强, 机器人行动更加沉重迟缓, 也威胁到了人类的安全。

技术简介:

该技术在连接装载发动机的启动装置上使用磁流变液体, 能从根本上减少机器人的安全危害。同时仅使用置于机器人底部的一个发动机, 降低了成本并减轻了机器人的重量。使用该技术的机器人惯性比传统机器人低很多, 安全性能显著增强。

该技术能够使机器人具有反向可驱动性。装有磁流变离合器的机器人不需要再用齿轮进行扭矩连接控制, 这就降低了系统的摩擦力和后座力, 同时改进了反向可驱动性。

技术优势和应用:

-减轻机器人的重量和惯性, 增强反向可驱动性, 消除后座力, 降低成本同时增强了安全性;

-彻底摒弃对齿轮装置和昂贵的机械/扭矩传感器的使用;

-仅使用一个发动机, 大大降低成本。

专利状况:

模具型腔表面磁流变抛光机理研究 第10篇

磁流变液在模具型腔表面磁流变抛光时起着十分重要的作用,将一定量的抛光磨料注入到磁流变液中就会形成磁流变抛光液。在外部磁场的前提下,磁流变液独有的流变性是完成整个抛光过程的有力保障。工件材料去除机理能够为加工全过程提供强有力的理论支持,同时对加工方法的研究也具有重要作用。

1 磁流变抛光原理

磁流变液指的是将只有微米大小的磁性颗粒融于绝缘载液内,从而形成一种具有流变性的悬浮液体,其流变性同外加磁场有直接关系。磁流变液的流变性在没有外加磁场的情况下,基本同普通的牛顿流体一样,而在强磁场的作用下会发生明显变化,其表观的粘度系数最少会提高两个数量级,从而使其由液体状态变得同固体状态相类似,但是将外加磁场去除后,它又恢复为原来的液体状。磁流变液状态在磁场的作用下会在液体和固体间反复,并且具有较强的可控、可逆性及反应迅速等特点。同电流变液相比,磁流变液的剪切屈服应力要比其高出一个数量级,同时在动力学和温度稳定性这两方面也优于电流变液,所以磁流变液拥有更为广阔的应用范围[1]。

如图1可知,在需要抛光的区域内注入含有一定浓度微细磨料的磁流变液后,外加一定强度的磁场,使该区域的磁流变液的表观粘度在流变效应下极速增加,从而在抛光轮表面形成半固体状态的抛光工具并在抛光轮的带动下,利用流体动压效用完成该区域的抛光任务[2]。

磁流变抛光具有的优点如下[3]:

1)抛光后的物体具有较高质量的光学表面。

2)具有较强可控性,可以获得较为复杂的面形。

3)具有较高的去除效率。

4)不会产生刀具损坏、堵塞等现象。

5)磁流变抛光利用其独有的剪切去除原理,不光具有较高去除效率,同时还能够完成纳米级精度的抛光,并且保证亚表面损伤基本为零[4]。所以,磁流变抛光技术不失为一种好的光学加工法。

2 模具型腔表面磁流变抛光机理

2.1 模具型腔表面磁流变抛光的材料去除机理

根据磁流变效应将一定浓度的细微磨粒加入到磁流变液中。在外加磁场的作用下,磁流变液中的磁性颗粒会在极微时间内被极化并沿磁场方向以链状结构进行运动,此时磁流变液的剪切屈服应力明显增强并形成与固体相接近的Bingham物质。在外加磁场作用下,磁流变液中呈链状结构的磁性颗粒会像普通砂轮的粘结剂那样将磨料颗粒紧紧夹住。这些磨料颗粒在一定大小的力的作用下同工件表面间产生柔性研磨层,该研磨层具有较高剪切强度,利用研磨层同工件间的相对运动,达到使工件表面变得光滑的目的。在进行加工时,磁性颗粒所形成的链状结构在受到瞬时力的破坏后能够在极短时间内形成新的链状结构,利用这种作用能够令磨料不断进行更新。

要想实现自由磨粒的研磨,必须满足下面三个基本条件:1)在工件表面区域内要具有充足并且有效的磨料颗粒;2)工件表面同磨料颗粒间必须形成有效的相对运动;3)工件表面同磨料颗粒间产生均匀并具有可控性的加工力[5]。在整个抛光过程中,前两个基本条件很容易实现,第三个基本条件必须利用抛光工具头的作用才能实现。不过总体来说,这三个基本条件还是比较容易实现的,因此能够较为容易的对模具型腔表面进行抛光并取得良好效果。

在进行加工时,磁流变液中的磁性颗粒在外加磁力作用下形成链状结构,被磁性颗粒紧紧夹住的非磁性磨料在一定大小的磁力作用下同工件表面形成一个柔性研磨层。这些研磨层中的非磁性磨料同工件表面间因相对运动而形成摩擦力,如果柔性研磨层所具有的剪切应力高于这种摩擦力的话,非磁性磨料就会对工件表面的凸起部分进行划擦、摩擦和微切削等作用。如果研磨层所具有的剪切应力比非磁性磨料同工件表面所形成的摩擦力小的话,就会导致磁性颗粒的链状结构损坏,不过随即就会形成新的链状结构,这种链状结构的反复形成会对工件表面金属产生一种塑变叠加效用,当这种塑变程度超出工件所能承受的最大塑变值时,工件表面的一些微小切屑就会因疲劳断裂变成磨屑而脱落,从而达到对工件表面进行抛光的目的。

2.2 模具型腔表面磁流变抛光的材料去除模型

模具型腔表面磁流变抛光的材料去除是通过机械和化学的双重作用实现的,不过在整个抛光过程中,主要是以机械作用为主,基于此,为了将该抛光法的材料去除机理作更为详尽的说明,我们假设主要利用磨料颗粒的微切削作用对工件表面的材料进行去除。依据这一假设理论可知,工件表面的材料去除是在磨料颗粒的微切削作用下完成的。如图4所示是单个磨料颗粒对工件表面凸起部分进行切削的示意图,我们可以依据该模型图对单个磨料颗粒对工件表面所产生的最大作用力进行计算[6]:

由上式可知:

其中:F为磨料颗粒受到的磁悬浮力;

τ为磁流变液具有的剪切应力;

α为磨料颗粒外形的半项角;

σs为工件表面所具有的屈服应力;

a为磨料颗粒对工件表面凸起部位的微切削深度。

由上述公式可知,在磨料颗粒对工件表面的凸起部分进行切削时,工件的表面去除效率也就是公式中提到的切削深度同磨料颗粒尺寸的大小是正比关系,同磁流变液所具有的剪切应力的二分之一次方也是正比关系,而磁流变液中含有的磁性颗粒尺寸的大小和浓度对其剪切应力有直接影响。所以我们可以通过对磁流变液的剪切应力及磨料颗粒的尺寸大小进行调整,从而实现对加工效率和工件表面质量的有效控制。

依据场致偶极矩理论可知,磁流变液中含有的每一颗磁性颗粒在外部磁力作用下都被极化为磁偶极子,这些磁偶极子在互相吸引的同时还以链状结构沿着磁力方向进行运动,任何两个相邻的磁性颗粒间的磁场能都能够由下面的公式表示[7]:

其中:Ep为相邻磁性颗粒间的磁场能;

B为磁化强度;Vp为单个磁性颗粒的体积;

μ0为真空磁导率;μr为磁性颗粒间的相对磁导率;

r为磁场颗粒间的距离,在该模型中可以用磁性颗粒的直径d来代替。

在上述模型中,磁化强度能够用磁场强度H来代替,同时假设磁性颗粒呈圆形,用相邻磁性颗粒间所具有的吸引力Fx来表示公式(3)为[8]:

因为相邻磁性颗粒之间的磁化及位置矢量的夹角为直角,因此能够将公式(4)简化成:

将上式进一步简化得出:

其中,m为磁偶极矩;H为磁场强度。

由上述公式可知,相邻磁性颗粒间的吸引力同外部磁场强度的平方成正比关系,同磁性颗粒间的距离成反比关系。因为磁性颗粒间的吸引力越高,磁性颗粒所形成的链状结构就越牢固,同时磁流变液中的剪切应力也会更高。

我们假定抛光工具头和工件表面所形成的研磨层中的链状结构是稳定并均匀的,那么就能够得出体积为V的磁流变液中的磁性链的总数量:

其中,N为磁性链的总数量,φ为磁流变液中含有的磁性颗粒的浓度,R为磁性颗粒半径,L为抛光间隙。

根据公式(6)、(7)可以得出抛光工具头同工件表面所形成的研磨层的总体剪切应力τ:

根据公式(7)可知,磁流变液的体积越大,研磨层所具有的剪切应力也就越高,同时抛光间隙也是影响磁流变抛光法的主要因素。

由宏观角度考虑,磁流变抛光法的材料去除率能够利用对Preston公式实施修正描述。因为本抛光法主要利用研磨层的剪切应力来实现材料的去除,所以能够表示成:

其中,MMR为材料去除率,K为修正系数,τ为剪切应力,f为摩擦系数,v为磨料与工件表面间的相对速度,A为加工区域面积。

把式(8)代入到式(7)中可以得出。

由上式可知,本抛光法的材料去除率主要受磁场强度、相对速度和抛光间隙等因素的影响。本抛光法的材料去除率同磁场强度和抛光间隙是正比关系,而与抛光间隙是反比关系。不过因各个参数在进行加工时是互相影响和依赖的关系,所以每一个工艺参数对整个加工过程的具体效果和影响还要通过相关试验来进行论证。

3 结束语

总之,本文依据模具型腔磁流变抛光原理对整个加工过程中工件表面的材料去除机理进行了详细的分析和研究,得出整个加工过程实际就是物理作用和化学作用相互作用的过程,最终构建出工件表面材料去除机理模型。目前,磁流变抛光法已经相当成熟,它具有加工质量和效率较高并能有效消除亚表面损伤层等优点。所以应对磁流变抛光原理、加工模型和磁流变液等进行更深层次的探索研究,进一步扩大其加工范围,并不断提升其加工质量及效率,使其向着自动化、智能化、精密化和集成化的方向前进,最终成为具有世界先进水平的制造技术。

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