关键词:
热能再利用
磁流变液
多物理场耦合
挤压强化效应
筒盘式离合器
摘要:
磁流变液是一种新型磁智能材料,具有独特的力学特性,可在外加磁场强度作用下迅速由液体转变为类固体,并产生一定的抗剪切能力。以磁流变液作为传动介质的智能设备相较于传统设备,具有响应迅速可逆、抗干扰能力强及可控性高等多个优点,使其在机电设备软起动和制动以及柔性传动等多个方面具有广阔的应用前景。本文针对传统磁流变离合器传递转矩能力有限及重载高温工况下传动性能衰减的问题,利用磁流变液的流变效应和挤压强化效应,提出了一种基于热能再利用的筒盘式磁流变离合器结构,旨在提高磁流变离合器在高温环境下的传动性能,扩大其应用范围。本文通过微观-宏观多尺度结合,综合运用理论分析、数值模拟和试验验证的方法,在如下方面开展了深入研究:
(1)基于磁偶极子理论,分析磁性颗粒在外加磁场作用下的受力及运动情况,并以此建立动力学方程,对其链化过程中磁性颗粒的运动状态进行模拟,搭建MRF微观观测试验台,并将试验结果与模拟结果进行对比分析,基于分析结果,以双颗粒链微观模型为基础,建立磁性颗粒不均匀分布状态下的磁流变液宏观剪切屈服应力模型,并对磁性颗粒在外加磁场作用下的分布情况进行分析。
(2)基于电磁热效应原理,分析励磁线圈作用下的多场耦合机理,并建立励磁线圈模型进行多场耦合效应数值模拟,搭建测试试验台对理论结果和模拟结果进行对比,探究温度对励磁线圈产生的磁场强度的影响,基于磁性颗粒不均匀分布状态下的剪切屈服应力模型和已揭示的多场耦合机理,建立多场耦合作用下磁性颗粒不均匀分布的磁流变液宏观剪切屈服应力模型。
(3)分析磁流变离合器传动原理,探究筒式、盘式及筒盘式磁流变离合器结构特点,基于能量守恒定律,提出一种基于热能再利用的简盘式磁流变离合器结构并对其关键参数进行设计,结合筒盘式磁流变离合器工作原理,对能量转换元件形状记忆合金弹簧相关参数进行分析,并完成磁场发生装置的设计与优化。
(4)对设计的基于热能再利用的筒盘式磁流变离合器生热特性进行分析,利用有限元仿真软件对其内部温度分布进行数值模拟并对模拟结果进行拟合,得到基于最佳磁流变液工作温度状态下所需的电流强度和转速条件,建立筒盘式磁流变离合器传递转矩模型,并探究基于热能再利用和未利用状态下输入电流强度与磁流变液中磁性颗粒的体积分数对筒盘式磁流变离合器转递转矩的影响,结果表明:选用磁流变液中磁性颗粒的体积分数为20%,在3A的输入电流下,基于热能再利用情况下传递的转矩较热能未利用时传递的转矩提升了16.96%。