1 引 言
磁流变液属于可控流体，是由高磁导率、低磁滞性的细小软磁性粒子和不能导磁的液体按比例配制而成的悬浮混合物，其在零磁力环境下呈现出低黏附度的牛顿流体特性，而在强磁力的环境下，则出现了高黏度、低流动性的特征，且其黏度高低随着磁场强度强弱而变化，磁流变液的这种流变学特性具有磁流变响应快、操控方便等优点。近年来，以磁流变液为工作介质的多种装置逐渐地应用到工业工程中，如桥梁拉索阻尼器、车辆减振器、机械传动用离合器、工艺装配等。随着磁流变液应用越来越广，对不同种类的磁流变液流变学特性检测，也逐渐得到人们的重视。本文在分析研究磁流变液的流变学特性基础上，构建了磁流变液的本构模型来描述其流变学特性，设计了磁流变液特性测试系统，并在 simulink 的环境下对测试系统进行了仿真研究。仿真结果验证了测试系统设计的正确性，并为开发研制磁流变液流变学特性测试系统提供了理论基础。
2 测试系统结构设计
2． 1 测试系统结构组成
测试系统主要由底座、扭矩传感器、定子下盖、摩擦套筒、动子转盘、上端盖、输入轴、磁芯、导磁内套、输出轴等组成，如图 1 所示。
输入轴驱动动子转盘在由摩擦套筒和定子下盖所围成的空腔内的磁流变液中转动，磁流变液在磁芯的磁场作用下，产生阻尼力矩，阻尼力矩通过壳体传递给下端的输出轴。输出轴连接在扭矩传感器上，可测出阻尼力矩值。此测试系统结构简单，反应快速，能快速准确地测量出不同磁场强度下的阻尼力矩，能较为方便地测定不同性质的磁流变液的流变学特性，为开发新型磁流变液及其应用装置提供测试依据。
2． 2 电机的选择
根据 所 测 定 的 磁 流 变 液 实 现 阻 尼 力 矩( 30N·m) 的需求，选用的电机型号为 5IK60ＲGN-CF 调速电机，减速器型号为 5GN-7． 5K，电机采用220V 直流电源，功率为 60W，调速范围为 90-1350r /min，其输出扭矩为:
式中，T 为步进电机输出的转矩( N·m ) ; n 为步进电机输出的转速( r/s) ; P 为步进电机的功率( W) 。由电机 转 速 90-1350r/min，可 得 最 低 转 速 为1. 5r / s。由公式( 1) 可得，T = 40N·m，大于阻尼力矩 30N·m，满足被测试磁流变液转矩要求。
2． 3 驱动圆筒的设计
由于驱动盘需要接收输入轴所传递的转矩，并且传递给磁流变液，再将转矩传递给定子转盘，所设计的驱动圆筒内外均可传递动力，圆筒厚度为2mm。圆筒与输入轴由 4 个螺栓连接，同时圆筒下部的两侧与磁流变液接触，下部安装有 O 型密封圈，密封圈套在圆筒下部，与定子下盖内侧上端凸起配合，密封外层磁流变液。另一 O 型密封圈套在内部圆筒上方，与圆筒下端接触，密封内层磁流变液。
磁流变液的屈服应力受黏度和磁流变液本身的屈服应力的影响，计算公式如下:
通常条件下，当 B = 1. 5T 时，磁流变液的收益最大，达到理想的动态屈服应力。当电流再增加时，磁流变液性能的增量随着磁场强度的增加而减小。
本测试结构中的磁流变液的测试扭矩为:
式中，L 为磁流变液工作区高度( m) ; D 为磁流变液工作直径( m) 。
2． 4 轴承的选择
本装置用到轴承的部位有 3 个，分别为与动子连接的输入轴转动的深沟球轴承、供扭矩传感器测试并连接在底座与定子下盖部分的推力轴承、与输入轴和输出轴相配合的滚针轴承。所用轴承型号为深沟球轴承 16002、推力轴承 51115、滚针轴承 K× 12 × 15 × 17 。
2． 5 机械从动部分
测试系统机械从动部分主要由内层和外层两部分组成。外层为定子圆筒，通过平键与输出轴相连，输出轴即为扭矩传感器输入轴。内层为摩擦圆筒，圆筒内部通过过盈配合套在圆柱形磁芯上，圆柱形磁芯通过平键连接在输出轴上。这样，机械从动部分就与输出轴通过平键连接成为一体结构。内层与外层之间的空隙形成了磁流变液工作腔，动子转盘浸泡在磁流变液工作腔中的磁流变液中。当磁流变液在磁场作用下工作时，产生的阻尼力矩通过机械从动部分传递给扭矩传感器，从而测出阻尼力矩的数值。
3 测试系统磁路线圈设计
测试系统测试磁流变液流变学特性需要通过改变磁场的强度来实现，磁路设计关乎整个测试装置的准确性。本设计从磁力线的方向、磁芯的材料、漏磁控制、磁饱和的影响等方面综合考虑，设计了具体的磁路结构，确定了磁路线圈的基本参数。电感磁芯常用的磁芯材质有磁粉芯、铁硅铝磁芯、铁氧体磁芯、锰-锌铁氧体磁芯、镍-锌铁氧体磁芯等，本设计中选择锰-锌铁氧体磁芯实现 1. 5T 高磁通，这种材料的磁导率相对较高，磁通密度相对较大。线圈在通入电流后的磁场应该足够大。线圈的匝数和线圈所通入的电流大小、线圈截面积都有一定的关系。圆筒工作面磁通量计算为：
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