磁流变传动理论与试验研究

论文摘要

磁流变液（Magnetorheological Fluids,MRF）是一种新型智能材料。凭借优良的可控流变性能,磁流变液已经成为智能材料发展的一个重要分支,是当今世界智能材料与器件研究的热点之一,近年来受到国内外科学界的高度重视,纷纷投入大量人力物力用于磁流变液材料及器件的研究开发。由于磁流变技术独特的机-电耦合性能,使得它在传动工程领域的启动、制动、转矩调节、无级变速、过载保护等方面具有得天独厚的优势,因此在传动工程领域进行磁流变技术的研究和相关器件的开发具有广泛而深入的意义。本文结合磁流变材料及其器件的研究现状,对磁流变传动技术进行了深入系统的研究,分析了磁流变传动的设计理论及磁流变传动装置（Magnetorheological Transmission Device,MRTD）设计的相关技术,完成磁流变传动装置的各项性能分析,设计和研制了磁流变传动装置样机并进行了相关试验测试,以期实现磁流变传动技术的实用化,推动磁流变液在传动工程领域的应用发展。具体的研究内容如下:①通过回顾磁流变材料和磁流变器件的研究现状,指出了目前磁流变技术中存在的主要问题,阐述了开展磁流变传动技术研究的必要性与重要性,介绍了本文将要开展的主要内容。②磁流变效应与磁流变液性能研究。基于链化模型解释了磁流变效应机理,介绍了磁流变液的组成及制备方法,利用磁流变效应的机理来解释和分析了磁流变液各项性能及其影响因素。③磁流变传动理论及磁流变传动装置设计。系统地研究阐述了磁流变传动理论,讨论了磁流变传动的定义、原理、特点、失效形式及对磁流变材料的要求;系统地研究分析了磁流变传动装置的设计理论,包括结构设计理论和磁学设计理论:阐述了磁流变传动装置的基本结构型式,分析了磁流变传动装置的工作原理,基于Bingham流体模型建立了传动装置传递转矩的计算模型,提出了磁流变传动装置磁学设计准则,对磁流变传动装置的磁路进行了分析与计算;在磁流变传动装置设计理论的基础上,结合原始设计参数,完成了磁流变传动装置的实例设计,确定了装置主要的结构参数和磁学参数,并对相关设计结果进行了讨论。④磁流变传动装置性能的理论分析。研究了磁流变传动装置的传动性能特点,并对各项传动性能的影响因素进行了讨论;采用有限元方法对传动装置的磁路进行了仿真,得到了磁路中磁场的详细分布;基于Bingham流体模型及Navier-Stokes方程,建立了磁流变液在传动装置中流动的数学模型,分析了在稳态及瞬态情况下磁流变传动装置的流体动力学特性,包括传动装置中磁流变液的流场分布、流场中临界屈服面的形成和变化及传动装置传递转矩的变化;讨论了磁流变传动装置的动态响应特性,分析了传动装置的电磁回路响应时间和流变响应时间以及各自的影响因素;在传热学基础上对磁流变传动装置进行了热分析,讨论了磁流变传动装置的发热状况及装置中的热传递,并通过有限元仿真模拟了传动装置的温度场,得到了装置的整体温度分布,为传动装置的散热研究奠定了基础。⑤磁流变传动装置采用新型热管散热的研究。阐述了发热对磁流变传动装置的危害和现今常用的散热方式及其局限;介绍了热管散热的优点,提出了采用热管对磁流变传动装置进行散热的新方案;根据磁流变传动装置的整体结构及主要发热区域的特点,设计了一种适用于该传动装置散热的新型热管形式——整体针翅回转热管（Integral pin-fin revolving heat pipe,PRHP）,对该回转热管的工作原理、材料选择、轴向压强和温度分布、管内液膜分布、充液量、传热热阻、传热功率及传热极限进行了详细讨论与分析;加工了整体针翅回转热管实物,并通过热管的单管试验测试了该回转热管的性能特点,讨论了影响该回转热管散热性能的影响因素,验证了该回转热管工作的有效性;该回转热管还可广泛应用于旋转机械的散热。⑥磁流变传动装置试验研究。在理论分析的基础上,设计并研制了磁流变传动装置样机,对磁流变传动装置的空转力矩、静特性、调节特性、恒转矩特性、传动效率、动态响应等传动性能进行了测试,同时对有、无整体针翅回转热管散热时磁流变传动装置的散热性能进行了对比试验,验证了磁流变传动装置传动性能的优越性及采用回转热管提高磁流变传动装置散热性能的有效性。⑦总结了全文的研究内容,介绍了论文的创新之处,指出了还需作进一步深入研究的内容。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁流变材料及器件的研究与发展
• 1.2.1 磁流变材料的研究与发展
• 1.2.2 磁流变器件的研究与发展
• 1.2.3 磁流变技术目前存在的主要问题
• 1.3 开展磁流变传动技术研究的必要性与重要性
• 1.4 本文主要研究的内容
• 1.5 本章小结
• 2 磁流变效应与磁流变液性能研究
• 2.1 磁流变效应及其机理
• 2.1.1 磁流变效应
• 2.1.2 磁流变机理
• 2.2 磁流变液的组成及制备
• 2.2.1 磁流变液的组成
• 2.2.2 磁流变液的制备
• 2.3 磁流变液的性能及其影响因素
• 2.3.1 屈服应力
• 2.3.2 磁特性
• 2.3.3 粘度
• 2.3.4 响应时间
• 2.3.5 密度
• 2.3.6 工作范围
• 2.3.7 热特性
• 2.3.8 结团与沉降
• 2.3.9 声学特性
• 2.3.10 寿命
• 2.4 本章小结
• 3 磁流变传动理论及磁流变传动装置设计
• 3.1 磁流变传动理论
• 3.1.1 磁流变传动的定义
• 3.1.2 磁流变传动的原理
• 3.1.3 磁流变传动的特点
• 3.1.4 磁流变传动对磁流变液性能的要求
• 3.1.5 磁流变传动的失效形式
• 3.2 磁流变传动装置结构设计理论
• 3.2.1 磁流变传动装置基本结构型式
• 3.2.2 磁流变传动装置的工作原理
• 3.2.3 磁流变传动装置传递转矩的计算模型
• 3.3 磁流变传动装置磁学设计理论
• 3.3.1 磁流变传动装置磁学设计准则
• 3.3.2 磁路计算基本方程组
• 3.3.3 磁流变传动装置磁路分析及计算
• 3.4 磁流变传动装置设计实例
• 3.4.1 结构设计与分析
• 3.4.2 磁学设计与分析
• 3.5 本章小结
• 4 磁流变传动装置性能的理论分析
• 4.1 磁流变传动装置的传动性能及其影响因素分析
• 4.1.1 传递转矩及其影响因素
• 4.1.2 传动效率及其影响因素
• 4.1.3 损失功率及其影响因素
• 4.1.4 调速范围及其影响因素
• 4.1.5 可控系数及其影响因素
• 4.2 磁流变传动装置磁路的有限元仿真
• 4.2.1 磁路的有限元仿真
• 4.2.2 仿真结果及分析
• 4.3 磁流变传动装置的流体动力学特性研究
• 4.3.1 磁流变液流动的数学模型
• 4.3.2 稳态下磁流变传动装置的流体动力学特性
• 4.3.3 瞬态下磁流变传动装置的流体动力学特性
• 4.4 磁流变传动装置的响应时间
• 4.4.1 响应时间定义
• 4.4.2 电磁回路响应时间及其影响因素
• 4.4.3 流变响应时间及其影响因素
• 4.5 磁流变传动装置的热分析
• 4.5.1 热传递基本方式
• 4.5.2 磁流变传动装置的工况分析
• 4.5.3 磁流变传动装置的发热分析
• 4.5.4 磁流变传动装置中的热传递
• 4.5.5 磁流变传动装置温度场的有限元仿真
• 4.6 本章小结
• 5 磁流变传动装置采用新型热管散热的研究
• 5.1 磁流变传动装置采用新型热管散热
• 5.1.1 发热对磁流变传动装置的危害
• 5.1.2 现今常用的散热方式及其局限
• 5.1.3 磁流变传动装置采用热管散热的方案
• 5.2 整体针翅回转热管的详细设计与分析
• 5.2.1 整体针翅回转热管的工作原理
• 5.2.2 工质及管壳材料的选择
• 5.2.3 回转热管管内蒸汽轴向压力和温度分布的数值模拟
• 5.2.4 回转热管管内液膜分布的数学模型
• 5.2.5 回转热管传热热阻分析及传热功率计算
• 5.2.6 回转热管传热极限核算
• 5.3 整体针翅回转热管的性能测试
• 5.3.1 整体针翅回转热管试验元件
• 5.3.2 试验台基本结构及组成
• 5.3.3 回转热管散热性能测试
• 5.3.4 试验测试结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 磁流变传动装置试验研究
• 6.1 磁流变传动装置样机
• 6.2 试验内容与试验系统
• 6.2.1 试验内容
• 6.2.2 试验系统
• 6.3 磁流变传动装置的性能测试
• 6.3.1 磁流变液的宏观流变现象测试
• 6.3.2 磁流变传动装置的传动性能测试
• 6.3.3 磁流变传动装置的温升测试
• 6.3.4 磁流变传动装置的最大滑差功率测试
• 6.4 磁流变传动装置的试验结果分析
• 6.4.1 传递转矩的试验值与理论值的对比分析
• 6.4.2 磁流变传动装置与磁粉离合器性能的对比分析
• 6.4.3 传动装置中与单管试验中回转热管的散热功率比较
• 6.4.4 回转热管对磁流变传动装置散热性能的改善
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文的主要创新
• 7.3 今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读博士学位期间申请的专利目录
• C. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目