磁流变液挤压增强效应研究.pdf

磁流变液挤压增强效应的研究1 张先舟，龚兴龙，张培强 中国科学技术大学力学和机械工程系，安徽合肥 (230027) Email: gongxl@ 摘 要： 现在的磁流变液的剪切屈服强度有限，无法满足一些工业上的需求。 X. Táng等 人提出在磁场下固化磁流变液后，沿磁场方向挤压，可以大幅度提高其强度。可是对于其 机理的研究较少。本文经过实验和理论研究挤压增强效应。为此，设计了一套装置实验研 究其机理。通过综合考虑一个修正的磁偶极子模型和摩擦效应，提出了一个半经验模型来 解释并预测磁流变液的挤压增强效应。 关键词：磁流变液，挤压增强效应 中图分类号：TB381 1. 前言 磁流变液以其独特的磁控流变性能，在工程中得到了广泛应用，例如磁流变液阻尼器和 磁流变液离合器等[1-4] 。但是在磁饱和情况下，其最高抗剪切强度通常低于210 kPa[3]，但是 某些应用领域要求更高的磁流变液抗剪切强度[5] 。 唐新鲁通过在固化后沿磁场方向挤压磁流变液[5]，达到了800 kPa 的抗剪切强度。本文 对此现象进行了深入的实验研究和理论分析。发现了局部场和颗粒摩擦效应是产生超强磁流 变效应的主要原因。 2. 实验设备 使用的磁流变液，采用3-5 　m 平均粒径的羰基铁粉和硅油制成。颗粒的体积百分比为 46% 。实验设备如图1所示。使用铜制的容器来盛装磁流变液，这样可以让大部分的磁力线 从磁流变液中穿过。磁场强度可以通过改变电磁铁中的电流来调节。磁感应强度用特斯拉计 来测量，探笔插入样品中，由于颗粒的退磁作用，测量的结果会偏低。但是这不会影响相对 值的比较。在磁流变液样品池内两侧测得磁感应强度几乎相同，这说明内部的磁感应强度是 均一的。设备基础是软铁制成，所有部件都安装在它上面。容器一端用软铁磁芯和电磁铁封 闭，另一端是软铁芯的螺栓封闭，通过旋转螺栓，可以沿磁场方向挤压磁流变液。压力的大 小可以使用压力传感器测量。基础、螺栓、磁流变液和电磁铁可以构成一个完整的磁回路。 一个金属片（铝制或铁制的）插入磁流变液来测量挤压增强效应，拉出金属片的拉力用力传 感器测量。也就是说，拉动金属片10，直到结构破坏，就可以得到磁流变液的临界剪切屈服 强度。 1 本课题得到高等学校博士学科点专题科研基金（20030358014 ）资助 -1- 图1 实验装置 1.纯铁螺栓；2.铜制容池；3.铁芯；4. 电磁线圈；5.铁制基础；6.磁流变液；7.直流电源；8.特斯拉计； 9.特斯拉探笔；10.薄铝片（或薄铁片）；11.铜线；12. 测力计；13. 应变仪；14.压力传感器。 3. 实验结果 使用上述设备，测量了磁流变液在不同磁场强度下（0~350mT ）和不同的挤压应力下 （0~10MPa ）的剪切屈服强度。图2给出了用铝片测量的磁流变液在不同场强和挤压力下的 屈服强度。测量结果用钻石点标出，数据被拟合成三维曲面。为了更清楚地解释实验结果， 提取部分数据建立了如图3的二维曲线。当没有挤压力时，剪切屈服应力几乎随着磁感应强 度线性增加。在较低的挤压应力2.0MPa和4.0MPa下，曲线也显出同样的趋势。当挤压应力 增加后，剪切屈服强度和场强关系曲线也随之提高。例如，当挤压应力达到6.3MPa时，剪 切屈服强度在低场强下稳定地增加，在某一确定的场强下，突然快速增加。而挤压应力再增 加时，如9.9MPa，剪切屈服强度的增加变得稳定下来。这种现象是由挤压增强效应引起的。 低挤压应力情况下（包括不挤压），颗粒未饱和时，抗剪力随磁场线性增长。当挤压载 荷增加后，颗粒间距变得很小，偶极子的相互作用增强了，而建立的链状结构更难被破坏， 所以表现为抗剪能力增强。挤压力越大，挤压增强效应越明显。如图所示，在高挤压载荷下， 饱和现象更容易被观察到。而图4和图5是用铁片取代铝片测得的结果。除了相同的增加趋势 以外，使用铁片的剪切强度大于使用铝片