摘 要:介绍了一种磁流体粘度测试系统,可用于研究磁流体动密封磁场对磁流体粘度的影响。在该系统中驱动外筒的电机转速的变化与填充在固定内筒和外筒之间的磁流体粘度成反比,而模拟磁流体动密封运行工况的磁路则提供了定量的可变的外磁场,另外基于外推法的温度测量方案可精确地对测试时的温度进行控制,最后使用标准液体标定的结果表明其相对误差小于0.83%。
1 引 言
磁流体作为一种新型液体功能材料应用广泛,其中最具代表性的是密封。目前,磁流体真空密封和气体密封已经达到实用阶段,但是在液体动密封上鲜有成功报道,原因在于磁流体与被密封液体的界面稳定性问题没有得到很好解决[1]。为此,国内外学者从两个方面进行了研究,一是研制与被密封介质不相溶的磁流体[2,3],二是研究外加磁场对界面稳定性的影响[4]。在外加磁场中,磁流体的粘度发生了变化,这种变化对于界面稳定意义重大[5],所以测定外加磁场中磁流体的粘度,研究其变化规律是解决动密封问题的突破口之一。
Mctague最早用毛细管粘度计测定了甲苯基钴磁流体在外加磁外场中的粘度[6],但是在磁场很强或者浓度较高时,磁场力的作用会超过重力作用,使磁流体的流动困难,因此这种方法仅具有理论意义而不具有实用价值。Deysakar用具有非磁性轴的数字Brook-field粘度计及置于样品室旁边的永久磁铁(通过改变磁铁与样品的距离来得到变磁场)研究了外加磁场对磁流体粘度的影响[7],显然其结果只能是定性的。日本的神山新一等采用同心圆筒形回转粘度计研究了磁场中磁流体粘度的变化规律[8],但是其磁场由电磁铁提供,体积庞大、系统复杂,还需冷却水,未能得到普及。综上可见,为尽早突破磁流体密封界面稳定性问题,有必要研制一种能够对磁流体在变磁场中粘度进行精确测量的仪器。
2 系统的测试原理
磁流体在粘度测试时要受到磁场力作用,加之其大多流法均不合适,作者采用旋转法,测试原理见图1。工作时外筒固定,待测液体充满内外筒间隙,通过内筒的旋转带动待测液体作旋转剪切运动,液体作用其表面的切应力将形成剪切阻力矩,大小和粘度有关系,通过测量力矩就可以确定该液体的粘度。在内外筒间隙非常小和内筒匀速旋转时,待测液体的流动可看作Couette流动[9],则可得:
为深色不透明,因此采用传统的落体法或出式中 Mz为内筒旋转阻力矩;r1为内筒半径;r2为外筒半径;n为内筒转速;L为内筒长度;η为待测液体的动力粘度。
由上式可见,在内外筒结构参数已知时,测出内筒上旋转阻力矩Mz及转速n就可求出磁流体的动力粘度η。
测量阻力矩时,要保证检测装置对内筒较高的定位精度和完全屏蔽掉外磁场十分困难,因此即使选用灵敏度很高的扭矩检测装置,也很难满足测量精度的要求。基于此,作者着眼于内筒旋转阻力矩的变化在其驱动机构的反映上。若在直流电机电枢回路串接一个电阻R,则电机的人为机械特性方程为:
式中 UN为电枢的额定电压;Ce为电势常数;CT为转矩常数;T为转矩;N为气隙每极额定磁通;Ra为电枢回路总电阻。上式中,如果电机的参数及串接电阻R不变,则T是转速n的线性函数,可表为:
式中 n0为空载转速;β为为机械特性斜率,β=Ra+RCeCT2N。若测量出电机转速n,就可确定电机转矩T。电机匀速运转时,有Mz=-T。将式1带入式2变换后得:
式中
当系统的结构尺寸确定后,L、A与B为常数,此即磁流体粘度测试系统的工作特性方程。
3 结构设计
3.1 磁路结构设计
本系统是为了研究磁流体旋转动密封而开发的,因此设计磁路磁场方向垂直于流动剪切面,见图2。外加磁场由永久磁铁提供,工作磁路由永久磁铁、上下极靴、高导磁套筒和工作气隙组成。采用镶嵌式结构,通过改变镶嵌环上永久磁铁的数目可使工作气隙磁场发生变化。
3.2 温度测控的实现
液体的粘度是温度的函数,因此测定粘度必须对磁流体的温度进行精确测控。将系统置于恒温水浴中,通过调节水的温度来控制待测液体的温度。但是热量传导具有滞后性,为了实时了解待测液体温度与水浴温度的差异以便确定何时开始测量,使用热电偶测量温度,但在安装时,其无法直接接触到液体,测量结果误差较大。为提高准确性,使用外推法,在极靴上距离待测液体不同距离处安装热电偶测温(图3),然后将测得的数据连线外推即可得到间隙液体的温度。
3.3 内外筒几何尺寸的确定
使用标准液体标定仪器系数时,要保证其流动状态为层流,必须满足条件:
式中 Re,R为非圆管流动的雷诺数;Rec,R为非圆管流动层流的临界雷诺数;v为转速,v=r1η/60;R为水力半径,R=A/χ;ν为粘度。将过流断面面积A=(r2-r1)L,湿周χ=2L代入式5得:
综合考虑机加工和装配环节等因素,取r2-r1=0·5mm,取粘度ν=1.0mm2/s,n取空载转速n0=700r/min。将以上各值代入式6,得到:r1< 27.3mm由于驱动负载时,电机的转速必定低于空载转速,所以试取r1=20.0mm,r2=20.5mm,代入式6得到:Re,R=366.5<500,显然满足粘度测试要求。
3.4 驱动机构、测速装置及串入电阻的选择选用SYL-2.5型永磁式直流力矩电机驱动和Hioki3402型测速表测定电机的转速。匀速转动时有Mz=-T,取驱动力矩为峰值堵转力矩T=0·245Nm,内筒长度L=85mm,待测液体粘度η=20N·s/m2,代入式1得到:n= 13.2r/min > 0显然满足驱动要求。
由式3可知,增加串入电阻R,会提高系统灵敏度,但这样会降低电机的负载能力,故电阻有一个阈值。保持工作温度20℃,选用粘度最大的7号标准液,串入不同电阻进行试验,测量电机转速见表1。可见,串入电阻R必须小于20Ω。
4 测试系统的标定
4.1 热电偶的标定
磁流体工作温度通常在20~60℃,由此确定热电偶标定温度的范围为15~70℃。选用标准铂铑10-铂热电偶进行标定,结果见图4。最小二乘法进行线性回归后得热电偶的工作特性方程:
式中 E∧为热电势;t为温度。
对测量结果进行相关分析得到:
则 R=2S1·S2=0.999 8显然,热电偶的热电势与温度存在良好的线性相关性。
4.2 工作特性方程的标定
采用国家标准物质研究中心提供的标准液体对测试系统的工作特性方程进行标定。标定温度分别是20℃、40℃和50℃,标定时串入电阻分别为10Ω、5Ω和不串电阻,标定结果见图5。
采用最小二乘法对试验数据进行线性回归和相关性分析,结果见表2。可见,随着串入电阻增大,粘度η与转速的倒数1/n之间的线性相关性不断增加。为判断以上回归的有效性,选用20℃不同粘度的标准液测试,并与等温下实际粘度进行对比,其相对误差见表3。可见,当串入电阻为10Ω时,相对误差最小,与相关分析的结果一致。最终确定串入10Ω电阻。
4.3 筒底效应的标定
外筒是一端封闭的,测试时待测液体将充满外筒底部,但式1没有计入底部液体的阻力矩。这一部分阻力矩对测定的影响称为筒底效应,可引入间隙液体高度的当量值来修正之,即认为筒底效应产生的阻力矩等效于间隙里待测液体高度增加了ΔL所产生的阻力矩。ΔL的大小随系统结构参数而定,为系统常数。修正后工作特性方程为:
将标准液体注入间隙,调整到不同的高度L1、L2,其对应的电机转速分别为n1、n2,代入式7得到:
对以上方程联立求解,得到:
用三种不同粘度的标准液,L1= 85mm,L2=47·5mm,系统达到平衡时转速n1和n2,代入上式得ΔL的值见表4。取标定的平均值得:ΔL=13·62mm.
5 结 论
(1)该系统为内筒旋转、外筒固定式,工作特性方程是联结转速和粘度的纽带。
(2)进行了磁路结构设计,该磁路再现了磁流体动密封中流体流动剪切和磁场的关系,因而该系统可用作磁流体动密封中界面稳定性中粘度与磁场关系的研究。
(3)用外推法进行的热电偶测量能精确测控磁流体粘度的温度。
(4)用标准液体标定了系统,在串入10Ω电阻时,相对误差小于0.82%,完全满足测试要求。
参考文献:
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[3] 叶荣昌.锰锌铁氧体磁流体的研制及其在磁场中粘度测定的研究[D].徐州:中国矿业大学, 2000.
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[5] Yang Zhi-yi, Liu Tong-gang, et al. The Influence elements ofstability of the interface between mangnetic fluids and oil[A]. InProc of 9thInternational Conference on Magnetic Fluids[C]. Bre-men, German: 2001. 21-24.
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[7] Deysakar. Evaluation of the magnetic fluids as the lubrication[J].Journal of Synthetic Lubrication, 2000, 15: 105-114.
[8] 神山新一.磁性流体流变特性的研究[A].第四届全国摩擦学学术会议论文集[C].兰州:中国摩擦学学会, 1987. 186-191.
[9] 张兆顺,崔桂香.流体力学[M].北京:清华大学出版社,1999. 265.
本文作者：杨志伊,王坤东
