磁流变传动技术及器件的研究

【摘要】：智能材料和器件是当今高技术和材料研究的重要方向之一。磁流变液 (Magnetor- heological Fluids, MRF)是近年来新兴的智能流体,因其独特的磁流 变效应,良好的流变性能,广阔的应用前景,被认为是材料科学领域最具有发展 潜力的新型智能材料,近年来受到美、日、英、德等发达国家的高度重视,纷纷 投入大量财力用于 MRF 及其应用技术的研究开发。本文在现有的磁流变液的制 备、流变学机理和工程应用研究等基础上,将 MRF 引入传动工程领域,系统研 究了磁流变传动和控制技术,包括:磁流变效应,磁流变传动机理,磁流变传动 器件(Magnetorheological Fluids Transmission Devices, MRTD)的设计原理、设计 准则、结构和磁路的磁场有限元设计方法,磁流变无级变速理论,并进行了 MRTD 的传动性能实验,旨在孕育这种新型磁流变传动技术和推动磁流变液及其器件的 开发研究,同时努力实现 MRF 产业化。本文的研究内容包括以下六章: 1. 介绍了磁流变技术及其器件开发的现状和发展趋势,详细论述了磁流变 效应的流变机理和模型描述,分析了将磁流变技术引入传动工程领域的重要性和 前瞻性,提出本文的研究目的及研究内容。 2. 阐述了磁流变效应的机理、组成及制备方法,详细分析了 MRF 的性能及 其影响因素。结合传动工程应用的具体磁场环境,采用光学铁谱显微镜连续观察 不同体积比的 MRF 在各种磁场强度下磁性粒子的分布状况。 3. 根据 MRF 的工作模式,提出了基于剪切模式的磁流变传动器件的设计原 理和准则;利用 Bingham流体本构模型推导了基于剪切模式的 MRTD 的理论传递 转矩方程;采用磁场有限元仿真计算 MRTD工作间隙的磁场,得到较精确的磁场 分布值指导相应目标转矩 MRTD 的磁路结构的设计,并解决了 MRTD 的相关磁 路、结构工艺、MRF 的密封和散热等相关问题,为开发 MRTD 提供了理论分析 方法和设计依据。并设计试制出一系列 MRTD。 4. 通过 MRTD 的传动参数及特性分析,在磁力传动试验台上进行了 MRTD 传动特性测试台的设计改造,在改造的 MRTD性能测试台上进行了不同 MRF 和 不同工作间隙的 MRTD 的液粘转矩、静特性、稳定滑差功率、温升、动特性实验 以及和磁粉介质传动性能的对比实验,并对不同的MRF 在不同工作间隙的MRTD 的实验结果数据进行了对比分析和实验转矩、理论转矩等相关分析。 5. 根据机电传动系统理论,对磁流变调速理论进行了系统分析研究。针对 不同的工作负载特性提出不同的调速方式,阐述了直接转矩调速的适用范围和对 象,提出应用单个 MRTD 的调速系统方案。针对风机泵类工作机,使用 MRTD III WP=6 重庆大学博士学位论文 和磁粉传动装置(Magnetic Particle TransmissionApparatus,MTA)进行了调速对 比实验和风机节能实验,并对现有新型节能调速方式液力偶合器调速和电力变频 调速各自的优缺点进行了理论分析;同时进行了速度数字控制恒流源的系统设计 研究。 6. 总结了本文取得的主要创新研究成果。