为揭示磁流变调速起动过程中的时间响应特点及影响因素,在分析磁流变调速起动控制系统工作原理的基础上,建立输出转速控制数学模型,并利用Simulink软件对调速起动的时间响应进行仿真分析,其后在不同初始条件下开展调速起动试验研究。研究表明磁流变调速起动响应时间随着励磁电流的减小和负载扭矩的增大而增加,而与输入转速间近似成正比例关系;试验时所测得不同因素的影响规律与仿真时基本一致,验证了理论模型和仿真分析的正确性,然而由于仿真时未考虑磁路响应和磁流变液流变响应,响应时间的仿真值与实测值相比偏小。

分析了平行圆盘式磁流变液屈服应力测试仪的工作原理,结合磁路欧姆定律和安培环路定理,对一种圆盘式磁流变液屈服应力测试装置的磁路进行计算,确定励磁线圈的相关参数。在此基础上,运用有限元软件Ansys中的磁场分析单元对磁路进行建模和仿真。仿真结果表明,工作区间的磁场为匀强磁场,磁场强度随励磁电流的增大而增大。

基于热传导理论,采用有限元方法对磁流变传动装置温度场进行了研究,并采用实验方法分析了温度对磁流变传动装置性能的影响规律。研究发现,该传动装置稳态滑差功率可达200 W,温度最低点出现在传动轴轴端处,最高点则出现在传动圆盘内外径之间,各点温度分布较为均匀;瞬态时,传动圆盘径向各处温差最大值达到80℃,热变形对微间距传动影响较大,现场实验温升曲线与有限元分析基本一致;温度升高降低了磁流变液的动屈服应力,但由于磁路磁阻及挤压增强效应影响,可以轻微提升磁流变传动装置的传力性能。

为揭示磁流变传动(magnetorheological(MR)transmission)界面间液膜的温升特性,以一种多盘式磁流变传动装置为研究对象,对传动界面间磁场分布进行有限元仿真分析,并采用实验方法研究了工作间隙内液膜的温升情况及分布规律,同时测试了液膜温升对传动性能的影响。研究结果表明:液膜温度沿工作间隙径向逐渐增大,并且温度差值随滑差时间越来越大,液膜沿周向温度分布基本均匀;滑差加载阶段,液膜温度随时间近似呈线性上升,且滑差功率越大,温升速度越快,在停机阶段温度下降缓慢,有必要采取强制散热措施以减缓液膜温升;液膜的温升将会导致其传递扭矩能力下降和动态响应速度变慢。

为了得到界面变形对磁流变传动装置传动性能的影响规律,总结了变形界面的产生形式,采用数值计算方法,从电磁场和液膜传动能力两方面分析了变形界面的传动性能,并进行了相关实验研究,结果表明:传动圆盘的正常变形量小于100μm,变形后工作间隙磁场变化量较小,一般小于0.01 T,约占工作间隙磁场的2%;变形对毫米厚度液膜传动性能的影响很小;对于较小变形量,界面变形并不能显著影响磁流变液的传动能力;对于较大变形量,由于磁流变液液膜剪切和挤压效应产生的剪切力作用,磁流变液扭矩传递能力有一定提升,但是这种剪切力不可调节,降低了磁流变传动装置的调节性能。

为了保证磁流变液的可靠应用,采用实验方法,系统研究了温度对磁流变液流变性能的影响,分析了磁流变液的热沉降稳定性、热磁化强度、热表观粘度、热膨胀性以及热屈服应力,研究表明,温度对磁流变液流变特性均存在一定影响,在120℃时,其稳定沉降率较室温增加11%;在100℃以内,热磁化强度变化较小,而在300℃时热磁化强度降低16%;其表观粘度变化规律与基载液的粘温特性密切相关;在220℃时磁流变液热膨胀率达到18%,热膨胀率较高;温度升高,其剪切屈服应力变化显著,220℃时较室温剪切屈服应力降低了15%。

为了保证磁流变传动装置的动力传递效果,采用实验方法,分析了不同壁面材料、表面粗糙度大小、壁面形貌、滑差转速及工作间隙对磁流变传力性能的影响规律。研究表明壁面材料对磁流变液动力传递效果影响较为明显,材料磁导率越低,传递转矩越小,容易发生壁面滑移现象;壁面形貌亦为影响传力效果的主要因素,凹凸同心圆表面减弱了磁流变液的传力性能;高滑差转速时,磁流变液颗粒成链较为复杂,其传递转矩随滑差转速的增加而逐渐降低,而工作间距对其传力性能影响不大。

为了分析传动壁面形貌对磁流变液滑移特性的影响规律,建立磁流变传动性能实验台,分析了传动壁面沟槽形状、沟槽密度、沟槽深度、纹理类型等对滑移强度的影响规律,研究发现,滑移强度与传动壁面表面形貌有关,壁面沟槽形状对滑移强度影响并不明显,三角形截面形状略优于矩形;增加沟槽密度可提升磁流变液的传动能力,沟槽深度在0～0.5mm范围内存在最优值;同心圆、光滑、凹坑及径向辐射条纹4种壁面形貌中,滑移强度由大到小依次是:径向辐射条纹、凹坑、光滑、同心圆,改变壁面形貌可使滑移强度提高10%。