專利名稱：一種磁性液體磁化粘度測試方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磁性液體材料粘度的測試方法與裝置，尤其是在磁場磁化作用下 的磁性液體磁化粘度測試方法與裝置。
背景技術：
磁性液體材料是由磁性粒子通過表面活性劑穩(wěn)定分散于某種載液中而生成的具 有磁性的固液二相功能材料，其整體形態(tài)、微觀結構和粘度等特性受外加磁場的約束和控 制，在密封、阻尼減振、電磁濾通、高品質音響、傳感、制動等多方面具有非常廣泛的應用前 景。磁性液體在磁場中和不同溫度下的粘度特性研究尤其重要，是其應用研究的基礎。當 外加磁場低于某臨界值時，磁性液體中磁性粒子的布朗熱運動占主導地位，不易發(fā)生鏈狀 序化，整體材料的粘度特性與普通流體相同；但是在外加強磁場作用下，磁性液體材料表現(xiàn) 出極強的磁化增粘特性，而且這種磁化增粘特性與磁化時間有關。磁化增粘特性對于阻尼 減振、制動等功用是有益的，但是對于密封和高品質音響等功用是有害的。因此需要測定其 不同溫度下的粘度隨外加磁場強度和時間的變化曲線，以確定不同磁性液體材料的工作磁 場，并為密封及阻尼減振等器件的優(yōu)化設計提供依據(jù)。普通的流體粘度測試方法不適于磁性液體材料的磁化粘度的測試。一方面在現(xiàn)有 粘度測試設備上，無法方便對其施加強磁場，即使是施加了外磁場，一些靠重力作用的粘度 計也無法使用，因為磁力會大于重力的作用。另一方面普通方法每次需要的液體樣品數(shù)量 較大。中國專利申請公開號為CN1737531A和專利授權公告號為CN2802498Y給出的磁性 液體表觀粘度的測試方法采用磁性液體密封相近的聚磁結構，通過增加或減少聚磁結構中 永磁體塊的數(shù)量來控制外加約束磁場的強度，這樣作一方面每次更換永磁塊不方便，另一 方面約束磁場的變化是不連續(xù)的，無法準確測定臨界工作磁場，同時該專利也未給出工作 磁場強度的測定方法。中國專利授權公告號為CN2099316U中給出的測定方法是傳統(tǒng)運動 粘度測試方法的一種改進，雖然采用電磁取代了永磁，實現(xiàn)了外加磁場的連續(xù)變化，但是很 難在較長時間內達到并維持較高的磁場強度，而且每次測試時需要大量的液體樣品和耗費 較多的電能，特別是電磁線圈在工作時會產(chǎn)生大量的熱，難以控制被測樣品的溫度，尤其是 較難實現(xiàn)低溫磁化粘度特性的測定。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種采用永磁體作磁源、約束磁場連續(xù)可調的磁性液體磁化 粘度測試方法與裝置，要求材料樣品用量少，且不會對樣品溫度產(chǎn)生影響，使用方便，功耗 小，實現(xiàn)低溫磁化粘度特性的測定。本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn)—種磁性液體磁化粘度測試方法，其特征在于該方法包括下列步驟a、設定磁性液體磁化粘度測試裝置的軸向恒定間隙大小為δ、軸向恒定間隙圓柱
4面半徑為R、軸向恒定間隙圓柱面高度為L ；b、在所述裝置的軸向恒定間隙內通過管路注入磁性液體材料樣品；C、通過導磁動環(huán)相對轉軸作上、下連續(xù)移動來調整徑向可調間隙來達到調整磁回 路的磁通量Φ ；d、通過徑向可調間隙調整磁回路磁阻和磁通量來調整軸向恒定間隙內施加在磁 性液體材料樣品上的磁場強度；e、啟動調速電機，通過扭矩與轉速傳感器、轉軸帶動導磁動環(huán)轉動，使軸向恒定間 隙內的磁性液體材料受到剪切作用，材料樣品的粘度特征轉換成剪切力并被扭矩與轉速傳 感器測定導磁動環(huán)轉動扭矩M和轉動角速度ω ；
品的磁通密度B
φ φB = — = —
A 2nRl式中B為恒定軸向間隙磁通密度，Φ為磁回路上的磁通量。一種用于所述的磁性液體磁化粘度測試方法的裝置，該裝置包括變速電機，支承 在軸承中的轉軸及連接在轉軸上的扭矩與轉速傳感器，其特征在于所述的轉軸上連接有由 緊固件緊固的導磁動環(huán)，該導磁動環(huán)與轉軸同步旋轉并作上、下調節(jié)，導磁定環(huán)通過無磁定 心組件與轉軸同心連接，導磁定環(huán)與導磁動環(huán)間形成注入被測磁性液體的軸向恒定間隙， 導磁定環(huán)與導磁動環(huán)之間還設有永磁環(huán)并形成徑向可調間隙，并由導磁定環(huán)、導磁動環(huán)、永 磁環(huán)、以及軸向恒定間隙和徑向可調間隙一起構成磁回路，并形成內環(huán)腔，內環(huán)腔內設有與
5
f、通過感應線圈及與其相連的磁通計測定磁回路上的磁通量Φ；
g、通過下列公式計算轉換為磁性液體材料樣品的磁化粘度η；
τ FIA
η =- -
dv/dx Ra I δ _ MHnR2I —Ra/S Μδ InR3I ω
式中n為材料樣品磁化粘度， δ為軸向恒定間隙大小， R為軸向恒定間隙圓柱面半徑， L為軸向恒定間隙圓柱面高度， ω為導磁動環(huán)轉動角速度， M為導磁動環(huán)轉動扭矩， τ為材料樣品所受剪應力，
dv
為速度梯度，
αχ
F為扭轉力，
A為恒定間隙柱面面積；
h、磁通量Φ通過感應線圈及與其相連的磁通計測定后，通過公式轉換為材料樣磁通計相連的感應線圈，并固定于導磁定環(huán)上。所述的導磁動環(huán)與轉軸的連接為螺紋連接。所述的導磁定環(huán)通過無磁定心組件與轉軸的同心連接是導磁定環(huán)固定在無磁定 心組件中；所述的永磁環(huán)設在導磁動環(huán)上，由永磁環(huán)與導磁定環(huán)形成徑向可調間隙。所述的導磁定環(huán)通過無磁定心組件與轉軸的同心連接是導磁定環(huán)螺紋連接在無 磁定心組件中上、下移動調節(jié)；所述的永磁環(huán)設在導磁動環(huán)上，在永磁環(huán)上設有起保護導磁 作用的極靴環(huán)，并由極靴環(huán)與導磁定環(huán)形成徑向可調間隙。所述的導磁定環(huán)通過無磁定心組件與轉軸的同心連接是導磁定環(huán)固定在無磁定 心組件中；所述永磁環(huán)設在導磁定環(huán)下方，由永磁環(huán)與導磁動環(huán)形成徑向可調間隙。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，采用永磁體作磁源、約束磁場連續(xù)可調，能準確測定臨界 工作磁場，實現(xiàn)低溫磁化粘度特性的測定，確定不同磁性液體材料的工作磁場，為密封及阻 尼減振等器件的優(yōu)化設計提供依據(jù)，其測試過程材料樣品用量少，不會對樣品溫度產(chǎn)生影 響，使用方便，功耗小。
圖1為本發(fā)明實施例1的測試裝置結構示意圖。圖2為本發(fā)明磁回路參數(shù)Μ、δ、L相關位置圖。圖3為本發(fā)明實施例2的測試裝置結構示意圖。圖4為本發(fā)明實施例3的測試裝置結構示意圖。圖中1、變速電機，2、扭矩與轉速傳感器，3、轉軸，4、軸承，5、無磁定心組件，6、軸 向恒定間隙，7、導磁定環(huán)，8、徑向可調間隙，9、永磁環(huán)，10、導磁動環(huán)，11、感應線圈，12、緊固 件，13、內環(huán)腔，14、極靴環(huán)。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發(fā)明的實施方案作進一步詳細描述。本發(fā)明一種磁性液體磁化粘度測試方法，亦稱磁性液體在磁場中的粘度測試方 法，首先對測試裝置的軸向恒定間隙6的間隙δ、圓柱面半徑R、圓柱面高度L進行設計，本 裝置實施例的軸向恒定間隙δ = 0. 2 2mm ；圓柱面半徑R = 20 IOOmm ；圓柱面高度L =5 20mm(如圖2所示)；然后在該裝置的軸向恒定間隙6內通過管路注入磁性液體材 料樣品，以注滿為止；調整導磁動環(huán)10沿螺紋轉軸3上、下調整徑向可調間隙8來達到調整 磁回路磁通量Φ，并通過徑向可調間隙8調整磁回路磁阻和磁通量達到調整施加在磁性液 體材料樣品上的磁場強度；上述調整完成后即可啟動調速電機1，通過轉軸3帶動導磁動環(huán) 10轉動，使軸向恒定間隙6內的磁性液體受到剪切作用，根據(jù)材料樣品的粘度特征與剪切 力的轉換被扭矩與轉速傳感器2測定導磁動環(huán)10轉動扭矩M和轉動角速度ω ；再通過與 感應線圈11相連的磁通計測定磁回路上的磁通量Φ ；最后按公式計算磁性液體材料樣品 的磁化粘度Π和磁通密度B
Γ πτFIAη --妨-
dv/dx Rco I δ
6r ι MHkR2I=-
RmIS
ΓπΜδ=
InRi I ω φ φB = — = —!—
A InRl根據(jù)磁化粘度η和磁通密度B就可繪制出磁性液體或磁流變體在磁場中的粘度 特性曲線，為密封及阻尼減振等器件的優(yōu)化設計提供依據(jù)。本發(fā)明一種磁性液體磁化粘度測試裝置，該裝置包括由變速電機1、扭矩與轉速傳 感器2、轉軸3、軸承4、無磁定心組件5、導磁定環(huán)7、永磁環(huán)9、導磁動環(huán)10、連接磁通計的感 應線圈11和緊固件12等構成。其中導磁動環(huán)10與轉軸3螺紋連接，可上、下位移調節(jié)，亦 隨轉軸同步旋轉，導磁定環(huán)7通過無磁定心組件5與轉軸3同心連接，導磁定環(huán)7、永磁環(huán)9 和導磁動環(huán)10形成具有軸向恒定間隙6和徑向可調間隙8的磁回路，并形成內環(huán)腔13，內 環(huán)腔內設有與磁通計相連的感應線圈11，并固定于導磁定環(huán)7上。其中軸向恒定間隙6用于形成均勻磁場約束磁性液體或磁流變體材料樣品并對 材料樣品適加剪切力；徑向可調間隙8用作可調磁阻，調整軸向恒定間隙6內的磁通密度 B0本發(fā)明裝置有三個實施例，每一實施例在上述結構基礎上還存在差異，分述如 下實施例1 所述的導磁定環(huán)7通過無磁定心組件5與轉軸3的同心連接是導磁定環(huán)7固定在 無磁定心組件5中；所述的永磁環(huán)9設在導磁動環(huán)10上，由永磁環(huán)9與導磁定環(huán)7形成徑 向可調間隙8，如圖1所示。實施例2 所述的導磁定環(huán)7通過無磁定心組件5與轉軸3的同心連接是導磁定環(huán)7螺紋連 接在無磁定心組件5中可上、下移動調節(jié)；調節(jié)徑向可調間隙8大??；所述的永磁環(huán)9設在 導磁動環(huán)10上，在永磁環(huán)9上設有起保護導磁作用的極靴環(huán)、14，并由極靴環(huán)14與導磁定 環(huán)7形成徑向可調間隙8，如圖3所示。實施例3 所述的導磁定環(huán)7通過無磁定心組件5與轉軸3的同心連接與實施例1相同，也 是將導磁定環(huán)7固定在無磁定心組件5中；所述的永磁環(huán)9設在導磁定環(huán)7下方，由永磁環(huán) 9與導磁動環(huán)10形成徑向可調間隙8，如圖4所示。
權利要求
一種磁性液體磁化粘度測試方法，其特征在于該方法包括下列步驟a、設定磁性液體磁化粘度測試裝置的軸向恒定間隙(6)大小為δ、軸向恒定間隙(6)圓柱面半徑為R、軸向恒定間隙(6)圓柱面高度為L；b、在所述裝置的軸向恒定間隙(6)內通過管路注入磁性液體材料樣品；c、通過導磁動環(huán)(10)相對轉軸(3)作上、下連續(xù)移動來調整徑向可調間隙(8)來達到調整磁回路的磁通量Φ；d、通過徑向可調間隙(8)調整磁回路磁阻和磁通量來調整軸向恒定間隙(6)內施加在磁性液體材料樣品上的磁場強度；e、啟動調速電機(1)，通過扭矩與轉速傳感器(2)、轉軸(3)帶動導磁動環(huán)(10)轉動，使軸向恒定間隙(6)內的磁性液體材料受到剪切作用，材料樣品的粘度特征轉換成剪切力并被扭矩與轉速傳感器(2)測定導磁動環(huán)(10)轉動扭矩M和轉動角速度ω；f、通過感應線圈(11)及與其相連的磁通計測定磁回路上的磁通量Φ；g、通過下列公式計算轉換為磁性液體材料樣品的磁化粘度η； <mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>τ</mi> <mrow><mi>dv</mi><mo>/</mo><mi>dx</mi> </mrow></mfrac><mo>≈</mo><mfrac> <mrow><mi>F</mi><mo>/</mo><mi>A</mi> </mrow> <mrow><mi>Rω</mi><mo>/</mo><mi>δ</mi> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>M</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msup> <mi>R</mi> <mn>2</mn></msup><mi>l</mi> </mrow> <mrow><mi>Rω</mi><mo>/</mo><mi>δ</mi> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><mo>=</mo><mfrac> <mi>Mδ</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msup> <mi>R</mi> <mn>3</mn></msup><mi>lω</mi> </mrow></mfrac> </mrow>式中η為材料樣品磁化粘度，δ為軸向恒定間隙大小，R為軸向恒定間隙圓柱面半徑，L為軸向恒定間隙圓柱面高度，ω為導磁動環(huán)轉動角速度，M為導磁動環(huán)轉動扭矩，τ為材料樣品所受剪應力，為速度梯度，F(xiàn)為扭轉力，A為恒定間隙柱面面積；h、磁通量Φ通過感應線圈(11)及與其相連的磁通計測定后，通過公式轉換為材料樣品的磁通密度B <mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>φ</mi> <mi>A</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mi>φ</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>πRl</mi> </mrow></mfrac> </mrow>式中B為恒定軸向間隙磁通密度，Φ為磁回路上的磁通量。FSA00000281764500014.tif
2.一種用于權利要求1所述的磁性液體磁化粘度測試方法的裝置，該裝置包括變速電 機(1)，支承在軸承(4)中的轉軸(3)及連接在轉軸上的扭矩與轉速傳感器(2)，其特征在 于所述的轉軸⑶上連接有由緊固件(12)緊固的導磁動環(huán)(10)，該導磁動環(huán)(10)與轉軸 (3)同步旋轉并作上、下調節(jié)，導磁定環(huán)(7)通過無磁定心組件(5)與轉軸(3)同心連接，導磁定環(huán)(7)與導磁動環(huán)(10)間形成注入被測磁性液體的軸向恒定間隙(6)，導磁定環(huán)(7) 與導磁動環(huán)(10)之間還設有永磁環(huán)(9)并形成徑向可調間隙(8)，并由導磁定環(huán)(7)、導磁 動環(huán)(10)、永磁環(huán)(9)、以及軸向恒定間隙(6)和徑向可調間隙⑶一起構成磁回路，并形 成內環(huán)腔(13)，內環(huán)腔內設有與磁通計相連的感應線圈(11)，并固定于導磁定環(huán)(7)上。
3.根據(jù)權利要求2所述的磁性液體磁化粘度測試方法的裝置，其特征在于所述的導磁 動環(huán)(10)與轉軸(3)的連接為螺紋連接。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的磁性液體磁化粘度測試方法的裝置，其特征在于所述的 導磁定環(huán)(7)通過無磁定心組件(5)與轉軸(3)的同心連接是導磁定環(huán)(7)固定在無磁定 心組件(5)中；所述的永磁環(huán)(9)設在導磁動環(huán)(10)上，由永磁環(huán)(9)與導磁定環(huán)(7)形 成徑向可調間隙(8)。
5.根據(jù)權利要求2或3所述的磁性液體磁化粘度測試方法的裝置，其特征在于所述的 導磁定環(huán)(7)通過無磁定心組件(5)與轉軸(3)的同心連接是導磁定環(huán)(7)螺紋連接在無 磁定心組件(5)中上、下移動調節(jié)；所述的永磁環(huán)(9)設在導磁動環(huán)(10)上，在永磁環(huán)(9)上設有起保護導磁作用的極靴環(huán)(14)，并由極靴環(huán)(14)與導磁定環(huán)(7)形成徑向可調間隙 ⑶。
6.根據(jù)權利要求2或3所述的磁性液體磁化粘度測試方法的裝置，其特征在于所述的 導磁定環(huán)(7)通過無磁定心組件(5)與轉軸(3)的同心連接是導磁定環(huán)(7)固定在無磁定 心組件(5)中；所述永磁環(huán)(9)設在導磁定環(huán)(7)下方，由永磁環(huán)(9)與導磁動環(huán)(10)形 成徑向可調間隙(8)。
全文摘要
本發(fā)明一種磁性液體磁化粘度測試方法與裝置，采用永磁體作磁源、約束磁場連續(xù)可調，以調整導磁動環(huán)沿轉軸上、下調整徑向可調間隙達到磁回路磁阻和磁通量調節(jié)，進而調整施加在磁性液體材料樣品上的磁場強度，啟動調速電機后通過轉軸帶動導磁動環(huán)轉動使磁性液體受到剪切作用，轉換成轉動扭矩和轉動角速度，通過磁通計測定磁回路上的磁通量，最后按公式計算磁化粘度和磁通密度。測試裝置由變速電機、扭矩與轉速傳感器、轉軸、無磁定心組件、導磁定環(huán)、導磁動環(huán)、永磁環(huán)等構成，并由導磁定環(huán)、永磁環(huán)、導磁動環(huán)形成具有恒定間隙和可調間隙的磁回路，恒定間隙用于形成均勻磁場約束材料樣品并對其適加剪切力。本發(fā)明能準確測定臨界工作磁場，實現(xiàn)低溫磁化粘度測定，為密封及阻尼減振等器件的優(yōu)化設計提供依據(jù)，具有材料樣品用量少、對樣品溫度無影響、使用方便、功耗小的優(yōu)點。
文檔編號G01N11/14GK101963567SQ20101029064
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權日2010年9月21日
發(fā)明者任麗宏, 倪培君, 唐緯虹, 徐志雄, 李國斌, 閆薇 申請人:中國兵器工業(yè)第五二研究所