（机械制造及其自动化专业论文）适用于直线电机阻尼控制的磁流变液的技术研究.pdf

摘要 摘要 直线电机直接驱动进给技术是自二十世纪九十年代兴起的一种迸给技术。与 传统的迸给技术相比，它具有进给速度和加速度高、行程长、动态响应快等优点。 但是，由于缺少中间阻尼环节，使得系统的抗扰动能力弱，难以提高定位精度。磁 流变阻尼技术是一种有效的半主动阻尼控制技术，它由于具有响应迅速、阻尼力 大、使用方便、设备要求低等优点，近十几年来得到大力发展。 磁流变阻尼装置的应用很大程度上取决于磁流变液的稳定性和力学性能，这 是因为磁流变液的历史状态极大地影响了磁流变阻尼器的性能，尤其是阻尼器的 力学性能。因此，磁流变液的稳定性和力学性能是当前研究的重点。本文以磁流 变液为研究对象，根据磁流变液配方的试验结果，采用多因素正交设计方法优选 磁流变液的组份，并且根据超声波空化原理，提出采用超声波分散工艺提高磁流 变液的稳定性。本文研究了超声波分散工艺的特点，根据超声波分散与机械搅拌 的试验结果对比，证实了超声波分散工艺的有效性。 本文在对各种磁流变液的力学模型对比分析的基础上，根据磁场的库仑定律， 提出了一种能够简洁的表示各种因素对磁流变液力学性能影响的力学模型，同时 根据两相悬浮液的e i n s t e i n 方程，分析了磁流变液的零场粘度与磁流变液组分 的关系，通过理论分析与推导，发现磁流变液的动力粘度与外加磁场和外界温度 密切相关。 为了对磁流变液力学和粘度模型的有效性进行验证，本文以流体力学、电磁 学以及数字电子技术为基础，采用v i s u a ls t u d i o 开发平台，设计了一套基于剪 切模式的磁流变液性能测试装置。该测试装置充分利用了p c 机的资源，能够实现 实时采集数据和分析。 通过对磁流变液性能的测试试验，本文研究了各种因素对磁流变液力学性能 和粘度的影响规律，并且分析了影响磁流变液力学性能和粘度的主要因素，为开 发适用于直线电机阻尼控制的磁流变液提供了参考。 关键词：直线电机：磁流变液：稳定性；正交设计；力学性能；粘度；测试装置 至王兰奎耋：登：竺鲨兰 a b s t r a c t l i n e a rm o t o rd i r e c td r i v ef e e d i n gt e c h n o l o g yi sa na d v a n c e df e e d i n g t e c h n o l o g yd e v e l o p e ds i n c e1 9 9 0 s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lf e e d i n g t e c h n o l o g y ，i t h a st h em e r i to f h i g hf e e d i n gs p e e d ，a c c e l e r a t i o n 。l o n g s t r o k e ，f a s td y n a m i cr e s p o n s ea n de t c ，w h i l e ，t h ea b s e n c eo fi n t e r m e d i a t e d a m p i n gs e g m e n td e g r a d e st h ea n t i d is t u r b a n c eo ft h es y s t e ma n dm a k e si t d i f f i c u l tt oi m p r o v ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ( m r f ) d a m p i n gt e c h n o l o g y i sa n e f f e c t i v es e m i a c t i v e d a m p i n gc o n t r o l t e c h n o l o g y b e c a u s eo ft h em e r ito ff a s tr e s p o n s e ，l a r g ed a m p i n gf o r c e ，e a s y o p e r a t i o n ，l o wf a c i i i t yr e q u e s ta n de t c ，m r fd a m p i n gt e c h n o l o g yi sg r e a t l y d e v e l o p e di nt h e 1 a s td e c a d e t h ea p p l i c a t i o no fm r fd a m p i n gd e v ic ei s g r e a t l yd e p e n d e do nt h e s t a b i l i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fm r f ，b e c a u s et h eh i s t o r i c a lc o n d i t i o n o fm r fg r e a t l yc o n t r i b u t e st ot h ep e r f o r m a n c eo f m rd a m p i n gd e v i c e ， e s p e c i a l l yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fd a m p i n gd e v i c e h e n c e ，r e s e a r c h f o c u so fm r fi sf o c u s e do ni t ss t a b i l i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y i nt h i s p a p e r ，m u l t if a c t o r so r t h o g o n a le x p e r i m e n th a sb e e nd e s i g n e dt oo p t i m i z e i n g r e d i e n t so fm r fa c c o r d i n gt ot e s tr e s u l t ，t h eu l t r a s o n i cw a v ed i f f u s i o n p r o c e s sh a sb e e nd e v e l o p e dt oi m p r o v em r fs t a b i l i t ya c c o r d i n gt o u 1 t r a s o n i cw a v ec a v i t a t i o np r i n c i p l e t h ec h a r a c t e r i s t i co fu l t r a s o n i c w a v ed i f f u s i o np r o c e s sh a s b e e ns t u d i e da n dt h e e f f e c t i v i t yo ft h e u l t r a s o n i cw a v ed i f f u s i o np r o c e s sh a sa l s ob e e nv e r i f i e da c c o r d i n gt ot h e c o m p a r i s o no fu l t r a s o n i cw a v ed i f f u s i o np r o c e s sw i t ht r a d i t i o n a l m e c h a n i c a lm i x i n gp r o c e s s b a s e do nt h ec o m p a r i s o no fv a r i o u sm r fm e c h a n i c a lm o d e l ，i nt h i sp a p e r am e c h a n i c a lm o d e lh a s b e e nd e v e l o p e dt od e s c r i b eh o wv a r i o u sf a c t o r s c o n t r i b u t et om r fm e c h a n i c a lp r o p e r t y g e a n w h i l e ，t h er a l a t i o n s h i pb e t w e e n m r fn u l lf i e l dv i s c o s i t ya n dt h em r fi n g r e d i e n t sh a sb e e na n a l y z e db a s e d o nt h et w o p h a s es u s p e n d i n g1 i q u i de i n s t e i ne q u a t i o n ，t h ea n a l y s i s i n d i c a t e st h a tm r fk i n e m a t i cp is c o s i t yi ss u b j e c t e dt oa p p l i e dm a g n e t i c f i e l da n de x t e r n a lt e m p e r a t u r e i no r d e rt ov e r i f yt h ee f f e c t i v i t yo fm r fm e c h a n i c a la n dv i s c o s i t y m o d e l ，v i s u a ls t u d i oh a sb e e na d o p t e da sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，am r f m e a s u r e m e n td e v i c ew h i c hb a s e do ns h e a rm o d eh a sb e e nd e s i g n e da c c o r d i n g t of l u i dm e c h a n i c s ，e l e c t r o m a g n e t i cp r i n c i p l ea n dd i g i t a le l e c t r o n t e c h n o l o g y t h ed e v i c em a k e sf u l1 u s eo f p cr e s o u r c ea n dc a nr e a l i z e r e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ( d a q ) a n dp r e s e n t sr e s u l tv i s u a l l y b a s e do nt h e m r pm e a s u r e m e n td e v i c ed e s i g n e d ，i nt h i sp a p e rt h e i n f l u e n c eo ft h em a j o rf a c t o r so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dv i s c o s i t y o fm r fh a sb e e na n a l y z e da n dt h er e a s o nh a sd i s c o v e r e d ，p r o v i d i n gr e f e r e n c e f o rt h ep r e p a r a t i o no fm r ft h a ti sa p p i c a b l ef o r1 i n e a rm o t o rd a m p i n g c o n t r 0 1 k e y w o r d ：l i n e a rm o t o r ；m r f ；s t a b i l i t y ；o r t h o g o n a ld e s i g n ；m e c h a n i c a l p r o p e r t y ：v i s c o s i t y ；m e a s u r e e n td e v i c e l 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签字： 论文作者签字： 砷7 年月i 日 第瘴绪论 第一章绪论帚一早三百i 匕 1 1 课题研究背景及意义 现代制造技术正朝着高速高精密方向发展，其中高速高精密进给机构是精密 加工机床的关键技术之一。 目前，最常用的超精密进给系统主要采用伺服电机控制精密丝杠的传动方式 和直线电机驱动进给方式。其中，滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能 达到较高( i s 0 3 4 0 81 级) ，而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许 多高速加工机床所采用。当前使用伺服电机驱动的高速加工机床最大移动速度 9 0 m m i l l ，加速度1 5 9 ，但滚珠丝杠的传动方式中有一系列机械元件，势必存在 弹性变形、摩擦和反向间隙，相应造成运动滞后和其它非线性误差，目前滚珠丝杠 副的移动速度和加速度己提高较多，但再进一步提高的余地有限。 自1 9 9 3 年，在机床进给上开始应用直线电机直接驱动，它是高速高精加工机 床特别是其中的大型机床理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速商精度加工 机床最大移动速度已达2 0 8 m m i n ，加速度达2 9 ( m a z a k 的h m c f 3 6 6 0 l 加工中心的 水平) ，并且还有发展余地n “。 与滚珠丝杠传动相比，直线电机直接驱动的优点如表卜1 所示“4 1 i s j ： 表卜1 滚珠丝杠传动与直线电机直接驱动的比较 t a b l e1 1c o m p a r i s o i lo fb a l ls c r e ww i t h1 i n e a rm o t o rd i r e c td r i v e 比较项滚珠丝杠传动直线电机直接驱动 剐度低 高，有更高的动态刚度 速度范围 窟 宽，很容易实现宽调速，速度变化范围可达l ：1 0 0 0 0 以上 加速特性差好，运动惯量小、有更高动态响应性能 运行平稳性差好，省去了一切中间机械传动，减少振动 行程限制有无，可适应不同行程要求 维护难度高 省去了一切中间机械传动，从根本上减小了机械摩损与传 动误差，减少维护工作 广东工业大学工学硕士学位论文 l 定位精度i 低 l 轨迹误差小。高速下可获得良好的定位精度 l 从表1 - 1 可以看出，直线电机直接驱动的优点正好弥补滚珠丝杠传动的不 足与滚珠丝杠传动相比，其速度提高3 0 倍，加速度提高1 0 倍，刚度提高7 倍， 最高响应频率达1 0 0 h z 。 由于现代控制技术的发展和电子计算机技术的广泛应用，使得直线电机的闭 环控制能够达到很高的精度，直线电机进给单元的定位精度可达到l 4 m ，这 为实现高精密加工精度提供了保障。 直线电机进给系统虽然消除了中间传动机构的弹性变形、间隙、摩擦等因素 对系统精度的影响，但由于直线电机的初、次级通常是与机床工作台、床身联在 一起的，工作台等移动部件必然包含在闭环系统之内，也就是说直线电机传动控 制只能采用全闭环控制。这就使得各种干扰( 如工件重量、切削力等的变化) 不经 过任何中间环节的衰减而直接传到直线电机上，都会对系统的静态、动态及稳定 性产生一定的影响，这就加大了伺服控制的难度。而传统的旋转电机传动通常是 采用半闭环控制来隔离这些干扰，即使采用全闭环控制，由于滚珠丝杆等弹性中 间环节能吸收和抑制这些干扰，因而其伺服控制的难度相对较小。 为满足精密和超精密加工的要求，直线电动机进给机构中可以串联方式安置 一微进给( 如磁致伸缩) 直线步进电动机，可实现o 1 o 0 1um 的微小步距进给。 但是这种二次进给方式，存在进给速度、加( 减) 速度小、定位效率低、行程有 限( 毫米级) 以及系统结构复杂等缺点，难以满足高速大行程超精密加工的要求。 因此，如何有效地改善阻尼特性来提高系统的抗扰动能力是目前研究的热点。 1 2 磁流变阻尼技术的研究现状 目前有效的半主动阻尼控制方法包括电流变液e r f ( e 1 e c t r o r h e o l o g i c a l f l u i d ) 阻尼技术和磁流变液m r f ( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ) 阻尼技术，它们 分别是在外加电场或外加磁场的作用下，流变体由液体转化为类固体。这一固液 两相转变过程是可逆的，能够通过改变电场或磁场而平稳、快速地完成，一般转 换时间都为毫秒级。磁流变液与电流变液相比，尽管原理相似，但是在某些重要 方面的实际性能，磁流变液强于电流变液，主要表现如表卜2 所示“删： 2 第一章绪论 表卜2 磁流变液与电流变液的比较 t a b l el 一2c o m p a r is o i lo fm r fw it he r f 比较项目磁流变液电流变液 屈服应力很容易获得8 0 k p a 以上的屈服应力屈服应力不超过2 0 k p a 工作温度范围能够在一4 0 1 5 0 的范围内工作，而且使用温度范围要小一些 性能变化很小 零场粘度当没有磁场作用时，磁流变流体可自由流电流变液的零场粘度略高一 动，其零场桔度通常在0 2 0 3 p a * s 范围内 些 稳定性不容易受到制造和应用中存在的化学杂质容易受到制造和应用中存在 的影响 的化学杂质的影响 电源要求电源要求低，几十伏的电压可以产生很人的为产生大电场而使用高压直 屈服应力，控制容易流电源，控制困难 与设备的兼容流变流体中的原材料无毒性，环境安全，与流变流体中的原材料有一定 性多数设备兼容，对在使用和装配时经常遇毒性，需要考虑设备兼容问题 到的杂质不敏感 正是上述优点使得磁流变液在工程上的应用成为可能。利用磁流液可以制作 磁流变制动器、离合器、减振器等磁流变元器件；利用磁流变体在磁场作用下发 生固化的特性可以开发磁流变夹具对形状复杂的工件进行夹紧和定位，提高设备 的柔性；利用磁流变效应可开以发各种流量控制阀和压力控制阀，这些液压元件 没有相对运动的阀芯，具有制造成本低、无磨损、寿命长、可靠性好及易于控制 等优点，有广阔的市场前景；利用磁流变体可以制造阻尼可调的阻尼器，以实现 振动的半主动控制，用于桥梁和土木工程结构的抗震：磁流变元件也应用在健身 器械及家用电器，如洗衣机减振上 目前，磁流变液在汽车、建筑和机械加工等领域得到良好的应用，各主要工 业国家都在竞相发展这一技术。美国t r w 公司的s h t a r k m a n 在1 9 9 1 年就研制了磁流 变液旋转式吸震器，并将其应用于汽车悬架主动控制系统。美国l o r d 公司的 c a r l s o n 和w e i s s 等人自1 9 9 3 年以来在磁流变液及其应用研究方面取得了突出成 就。l o r d 公司已有多种商品化产品面市。美国n o t r e d a m e 大学的d y k e 和s p e n c e r 等人将磁流变阻尼器用于大型结构地震响应的控制。美国福特汽车公司的g i n d e r 广东工业大学工学硕士学位论文 等人对磁流变液屈服应力的有限元分析及性能的提高进行了研究。美国通用汽车 公司f o i s t e r 和g o p a l s w a m y 等人研制了磁流变液及磁流变离合器。美国加州州立 大学的z h u 和l i u 等人对磁流变液的流变学，特别是微观结构进行了较多研究。法 国n i c e 大学的b o s s i s 和c u t i l l a s 等人在磁流变液的机理研究，特别是在微观结 构分析方面作了很多工作。德国b a s f a g 的k o r m a n n 等人已研制出了稳定的纳米级 磁流变液“”“”。 我国对磁流变液的研究起步较晚。自1 9 9 6 年之后才有相关文献公开发表。 目前，国内的电子科技大学、哈尔滨建筑大学、西北工业大学、重庆大学、上海 交通大学、中国科学院长春光机所等单位相继开展了m r f 的研究工作，对磁流变 液的机理以及工程应用等方面进行了大量的研究，并且取得了一定的成就。中国 科学技术大学唐新鲁对磁流变液的机理及阻尼器的性能进行了研究；金昀研制了 两套磁流变液屈服应力测试系统；陈祖耀等人用新方法制备了超细磁性粉末和磁 流变液；复旦大学潘胜等人研制了磁流变液及测量仪器。但总体来说与国外尘机 蓬勃的研究相比，我国目前在磁流变液的研制与性能研究方面仍与国外有一定的 差距。应用产品尚属空白”1 。 与其它可控阻尼器相比，磁流变阻尼器具有智能控制功耗小、时滞影响小、 工作稳定、输出阻尼力大、能够实现连续可调等优点。 到目前为止，磁流变液的流变机理还没有被完全揭示，特别是长期静置后磁 性颗粒易发生严重的沉降而形成硬块，从而丧失使用功能的问题，还没有得到很 好的解决，这极大地限制了磁流变液器件的应用范围和应用效果。这是因为磁流 变液中的微米级磁性粒子在本身固有磁矩作用力和重力的双重作用下，很容易团 聚并快速下沉，而沉降后的粒子由于磁性力的影响互相紧密结合形成块状沉积 物，很难进行再次的分散。磁性粒子的快速团聚和沉降极大地限制了它在工程器 件中的应用。目前在实验室条件下获得的磁流变液的粘度、抗剪强度等性能指标 通常可达到设计要求，但在实际生产过程中发现，随着工作循环、时间的延长， 液体的粘度、抗剪强度、粘滞阻尼力等均发生不同程度的恶化，严重时甚至无法 正常工作。同时，在不同的装置中，使用相同的磁流变液体，由于工作条件不同， 磁流变液表现出的流变特性却存在较大的偏差以上情况都是在实际工程中存在。 并己成为其进一步推广的主要障碍。因此，配置具有良好稳定性的磁流变液具有 非常重要的意义，也是工程器件对材料制备提出的迫切要求 4 第一章绪论 为了满足磁流变阻尼器能够长期稳定工作、响应速度快、输出阻尼力大、可 调范围宽等要求，研制适用于直线电机上的高性能磁流变液，必须解决以下关键 闯题： ( 1 ) 严格控制磁流变液的零场粘度，提高磁流变减振器阻尼力调节范围。目 前，磁流变液普遍存在着零场粘度过高的问题，这直接影响到力的调节范围。零 场粘度过高的原因是：为获得大的剪切屈服应力，过分增加磁性粒子的体积分 数；载流体粘度较高。 ( 2 ) 提高磁流交液的响应速度。对磁流变阻尼器来说，磁流变液的响应速度 是非常关键的性能指标。阻尼器件的结构和产生磁场的能力是影响磁流变液响应 时间的两大关键因素。要提高磁流变液的响应速度最重要的是选择磁导率大矫顽 力小的磁性颗粒以提高磁流变液在中、低磁场下的灵敏度，减少剩磁的影响。 ( 3 ) 改善磁流变液的悬浮稳定性。磁流变液的悬浮稳定性与很多因素有关， 如磁性颗粒的直径，基液和磁性粒子的密度差，磁流交液的粘度等。其中，基液 和磁性粒子之间悬殊的密度差，是导致磁性粒子在磁流变液中沉淀的根本原因。 合理选择微、纳米磁性颗粒，对磁性粒子进行表面预处理或包覆处理并加入合适 的表面活性剂，均是改善磁流变液悬浮稳定性的重要途径。传统的仅靠通过增加 基液的粘度来改善磁流变液的悬浮稳定性存在着很大的局限性。 ( 4 ) 提高磁流交液的温度稳定性。温度稳定性主要与磁性粒子及基液的热稳 定性如热膨胀性和热磁性有关。选择和开发热稳定性好的磁性粒子和基液，同时 采取相应的温度补偿是解决这一问题的关键。 1 3 本课题的来源与主要研究内容 1 3 1 课题来源 广东省自然科学基金“高速大行程超精密磁流变阻尼直线电机进给驱动技术 研究” 编号：0 5 0 0 1 8 1 1 1 3 2 课题研究内容和意义 本课题以磁流变液作为研究对象，通过对磁流变液的组份优化研究，寻找磁 流交液的最佳配方，并且研究超声波分散工艺的特点和影响因素，为配置具有良 5 广东工业大学工学硕士学位论文 好稳定性的磁流变液提供指导。根据磁流变液的力学测试原理和电磁场技术搭 建一个满足测量要求的高速、高精度的磁流变液测试装置，并应用于磁流变液的 实验研究。 通过对磁流变液的实验研究，不仅可以为配置性能良好的磁流变液提供参 考，也可以揭示这些因素和磁流变液力学性能、粘度的关系，为设计磁流变阻尼 器提供依据。 6 第二章高性能磁流变液的研制 第二章磁流变液抗沉降性研究 磁流变液作为一种新兴的智能材料，已经受到广泛的关注。但是，磁流变液 离大规模应用还有一段距离，其中的一个关键就是磁流变液的沉淀问题。配制稳 定性好的磁流变液是磁流变应用器件得到广泛应用的一个关键。虽然，很多研究 人员提出了很多方法，但是磁流变液的沉淀问题仍然没有得到有效解决。 2 1 磁性粒子的沉降作用 磁流变液是微细磁性粒子分散在基液中形成的悬浮体系，在无外加磁场作用 时。磁性粒子对外不表现磁性，此时可以认为磁性粒子之间不存在磁性引力。在 悬浮体系中，范德华力是引力的主要原因。 磁流变液中的磁性粒子发生沉淀的根本原因是磁性粒子与基液之间的密度 差。对于牛顿型液体，单个粒子在重力场中的沉降速率为胆”： v = 2 d 2 ( p - p o ) 9 1 9 玎 ( 2 1 ) 式中，d 一一粒子的直径，单位为胁； p 一一粒子的密度，单位为k g l m 3 ： 岛一一基液的密度，单位为p a * s ： g 一一重力加速度，单位为m l s 2 ： 露一一基液的粘度，单位为p a * s 。 由式( 2 1 ) 可知，沉降速率与粒子的半径和两相之间的密度差成正比，而与 基液的粘度成反比。影响磁性粒子沉降稳定的因素是多方面的，可概括为：( 1 ) 粒子的体积分数。悬浮体系中磁性粒子体积分数的增大，一方面粒子之间的斥力 增大：另一方面，体系的粘度增大，单个粒子的自由度减小，粒子在重力作用下 沉降的阻力增大，稳定性增加。( 2 ) 粒子与溶剂的相互作用。通过固体粒子的表 面改性，使其吸附一层表面活性物质，当具有这样吸附层的粒子相互靠近时，吸 附层的重叠。使粒子间产生一种位阻斥力，从而阻止粒子靠近聚集下降。( 3 ) 粒 子体积的大小、基液的粘度和固液两相的密度差。在允许范围内，减小粒子的尺 寸，增大基液的粘度，缩小两相之间的密度差，可以有效提高磁流变液的稳定性。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 解决磁流变液的沉淀问题的研究现状 2 2 1 高分子包覆磁性粒子 胡林等采用天然高分子蛋白质对强磁性铁粉进行化学方法的包覆处理，高分 子蛋白质在磁性粒子表面形成保护层，很好的改善了磁流变液的稳定性。这种方 法虽然提高了磁流变液的稳定性，但是包覆处理降低了磁性粒子的磁饱和强度和 延长了磁流变液的响应时间“”“”。 2 2 2 大、小颗粒混合使用 江万权在磁流变液中加入适量的超细粒子或纳米级磁性物质，有效地增加了 磁流变液的稳定性，而且在磁场作用下磁流变液的剪切应力也得到提高。f o i s t e r 等制备的磁流变液中的磁性颗粒是两种不同直径的颗粒混合物。这种大、小颗粒 的混合物不用增大混合物的粘度就可以使屈服应力得到提高，但是，纳米级材料 不宜过多，因为纳米级材料在磁场作用下不产生阻尼，所以过多的纳米级材料会 降低磁流变液的力学性能“ “。 2 2 3 复合磁性颗粒 杨仕青等将c o n i 合金颗粒和多空硅胶通过秸结剂将两者粘在起，提高了 磁流变液的稳定性，但是由于非磁性材料的加入易导致磁流变液磁化强度下降 【l7 】【t j 2 3 磁流变液的正交设计 2 3 1 正交设计概述 人们为了获得高稳定性的磁流变液，虽然提出了各种各样的工艺和方法，但 是即使配方相同的磁流变液，由于各组份比例不同，磁流变液的稳定性差别很大。 有效地确定磁流变液各组份对磁流变液稳定性的影响成为一个亟待解决的问题。 正交试验是一种在多因素情况下，利用数学原理合理安捧试验点，以较少的 试验次数，快速准确地找到最佳组合的试验设计方法。通过统计分析，它还能发 现多因素中哪些因素起主要作用，哪些因素起次要作用，哪些因素单独起作用， 哪些因素间相互搭配起综合作用产生最优效果，可以很好地指导生产实践旺l 】f 删 2 3 2m i n it a b 软件简介 、 m i n i t a b 软件是m i n i t a b 公司开发的一款专用数据处理软件，它包含了丰富 i 叁三耋苎竺璧鹜鎏耋堡墼至旦 的统计数据信息，既可以进行数据分析处理，又可以进行图形分析对比，同时对 未来加以预测。 m i n i t a b 软件的基本数据统计包括：基本统计、回归分析、方差分析、质量 工具、试验设计、控制图、可靠性工具、多变量分析、时间序列、表格、非参数 分析、探索性数据分析、势与样本容量。 m i n i t a b 软件通过散布图、线图、区域图、放射图、时间序列图、条形图、 线图、区域图、直方图、箱图等形式直观地表示数据处理结果，并预测未来发展 趋势。本文采用m i n i t a b 软件为平台，进行正交试验研究。 2 3 3 正交试验 在磁流变液中添加纳米级材料能够获得高稳定性的磁流变液，本试验选用二 甲基硅油为基液，微米级羰基铁粉为磁性粒子，月桂酸为表面活性剂，纳米级羰 基铁粉为特殊添加物质。 ( 1 根据试验效果，选用4 因素和两水平，试验指标为沉淀率，正交试验因素水 平如表2 1 所示： 表2 - 1正交试验因素水平 t a b l e2 - 1o r t h o g o n a lt e s tf a c t o rl e v e l 因素 二甲基硅油微米级羰基铁粉月桂酸 纳米级羰基铁粉 水平一1 1 2 96 9 0 1 90 5 9 水平1 1 8 9 1 0 90 3 92 9 ( 2 ) 选用正交表，采用二分之一试验，用随机方法通过m i n i t a b 软件确定。同 时，为了满足磁流变液流动性要求，经过前期的试验准备，确定各组份的水平。 各因素和水平如表2 - 2 所示： 表2 - 2 二分之一正交设计表 t a b l e2 - 2o n e h a l fo r t h o g o n a ld e s i g nt a b l e s t d o r d e rr u n o r d e rc e n t e r p t b l o c k sbcd 5ll1一lll l 3 2llll - 1l 8 3 l llll l 641l l- 1l 一1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 l 5llll - il 2611llll 47lllll l 78llill- i a ：二甲基硅油一1 ( 1 2 9 )l ( 1 8 9 )b ：微米级羰基铁粉一1 ( 6 9 )l ( 1 0 9 ) c ：月桂酸一l ( 0 i g )1 ( 0 3 9 ) d ：纳米级羰基铁粉一1 ( 0 5 9 ) 1 ( 2 9 ) 当磁流变液发生沉淀时，可明显观察到磁流变液基液和磁性粒子的分层现 象。观察法是将配置的样品放入量筒中，间隔一定时间，记录相同时间上层液体 体积b 和下层液体体积a ，并用上层液体体积b 与总体积( a + b ) 的比值b ( a + b ) 表示沉淀率以三天的沉淀计算。 ( 3 ) 观察并记录结果： 表2 3i e 交试验结果 t a b l e2 - 3o r t h o g o n a lt e s tr e s u l t s t d o r d e r r u n o r d e r c e n t e r p tb i o c k sbcdr e s u l t 5ll11一l1l0 0 1 8 8 32l11lllo 1 7 1 3 8 3l 1 ll l lo 2 4 0 6 64ll1一l1 一l0 4 0 8 6 l5l11一l一1 一l0 0 3 0 4 2611llllo 2 6 7 8 471ll11一l 0 6 8 0 5 78l1一llll0 0 9 6 7 由表2 3 的结果可知，不同组份比例的磁流变液的沉淀率差别很大，沉淀率 最大值和最小值相差0 6 1 7 通过优化磁流变液的组份来获取高稳定性的磁流变 液具有十分重要的意义 ( 4 ) 正交试验设计结果的处理 正交试验设计结果的处理方法分为直观分析法和方差分析法。直观分析法具 有简单直观、计算量小等优点，但直观分析法不能估计误差的大小，不能精确地 估计各因素的试验结果影响的重要程度。而方差分析法能够反映各因素的不同水 平对对试验指标影响的大小。本文采用方差分析法对试验结果进行处理，试验结 果的处理如下2 1 1 ： 对于四因素两水平的无重复试验，首先计算平均值： ；= - ；2 x , ( 2 2 ) 式中，；一一所有试验值的平均值； x 一一试验结果。 所以，总离差平方和： 2222 一 鼢= ( 一曲2 = s s 。+ s s s + 溉+ 鼹。+ 践 扛lj - l = 1m = l 2 一一 其中，s s a - - 2 e o ，一曲2 s s s - - 2 z ( x j - x ) 2 黢= 2 m 一力2 l i l ( 2 3 ) ( 2 - - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) s s 口= 2 e ( x m - x ) 2 ( 2 - 7 ) m = l 2222 一一 踺= 一矗- - x i , 一轴一j ，+ 力2 ( 2 8 ) t = l1 = 1i = 1m = l s s 一为因素a 引起离差的平方和，瓯为因素b 引起离差的平方和，s s c 为因 素c 引起离差的平方和，嚣。为因素d 引起离差的平方和。 式中，x t o 一一a i 水平时所有试验值的算术平均值； 工p 一一目水平时所有试验值的算术平均值； 鼽2 一q 水平时所有试验值的算术平均值； 广东工业大学工学硕士学位论文 工。一一见水平时所有试验值的算术平均值。 觋、跣、瓯、踢、躐的自由度识、矾、诉、鳊，或均为1 。 计算均方： 坶= 鲁1 = 瓯 m s = 鲨= s s 卜一 坞= 鲁蝇 j l 坶= 鲁= 蹿 m s 。= 二s s _ _ 一m l = s s 。，玎一i ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 i ) ( 2 一1 2 ) 坶2 石而翥碥5 观( 2 - 1 3 ) o 1 ) ( ，一1 ) ( ，一1 ) ( 坍一1 ) 令只= 嚣，兄= 嚣，足= 篙，昂= 嚣 其中，只、b 、只、分别为服从( 够，玑) 、( 机，识) 、( 娥，或) 、( 拼，蜣) 的f 分布，对于给定的显著性水平a ，若蜀 兄 矾，矾) ，则a 对试验结果有显著影 响，否则无显著影响；同理，根据若b 与e ( 矾，识) 、最与只( 嘶，识) 、昂与 e ( 矾，够) 的大小关系判断b 、c 、d 是否对试验结果有显著影响。 本文采用m i n i t a b 软件进行计算，结果如下： f a c t o r i a lf i t ：r e s u l tv e r s u sa b ，c ，d e f f e c t = k s k 一。s ，k i 表示任一列上因素取水平i 时所得试验结果的和，s 表示为任 一列上各水平出现的次数。 c o e f = e f f e c t 2 e s t i m a t e de f f e c t sa n dc o e f f i c i e n t sf o rr e s u l t ( c o d e du n i t s ) t e r me f f e c tc o e fs ec o e ft p c o n s t a n t0 2 3 9 3 40 0 4 8 9 74 8 90 0 1 6 a0 3 2 0 0 7 0 1 6 0 0 40 0 4 8 9 7 3 2 7 0 0 4 7 b 0 1 1 5 8 80 0 5 7 9 40 0 4 8 9 71 1 80 3 2 2 第二章高性能磁流变液的研制 c一0 0 9 6 3 3- 0 0 4 8 1 60 0 4 8 9 7- 0 9 80 3 9 8 d一0 1 2 9 4 30 0 6 4 7 1 0 0 4 8 9 71 3 20 2 7 8 s = 0 1 3 8 4 9 6 r s q = 8 3 1 4 r s q ( a d j ) = 6 0 6 7 a n a l y s i so fv a r l a n c ef o rr e s u l t ( c o d e du n i t s ) s o u r c ed f s e qs sa d js sa d jm s f p m a i ne f f e c t s40 2 8 3 8 l0 2 8 3 8 10 0 7 0 9 53 7 00 1 5 6 r e s i d u a le r r o r30 0 5 7 5 40 0 5 7 5 40 ，0 1 9 1 8 t o t a l 70 3 4 1 3 5 由计算结果可知，各组份的p 值都超过0 o l ，所以各组份都不是特别显著性因 素，同时，只有硅油的p 值小于0 0 5 ，所以硅油是显著性因素。并且根据各组份p 值大小顺序可知，各组份的重要性次序依次为二甲基硅油、纳米级羰基铁粉、微 米级羰基铁粉、月桂酸。 备注：p 值为各因素的显著性水平值。如果p o o l ，则该因素是特别显著的因 素，如果p o 0 5 ，则该因素不是显著的因素， 并且p 值越大。该因素的重要性越小。 给定显著性水平a = o o l ，正态概率图如图2 1 所示： 时h lp r o b s b l l l t yp l o td ft h es t m d s r d l t e de f f e c t , “t i sr 搴s u l t a l p h a ：o i ) 图2 - 1 正态概率图( o = o 0 1 ) ( f i g2 - 1n o r m a lp r o b a b i l i t yp l o t ( a = 0 0 1 ) ) 由图2 一l 可知，对于给定显著性水平a - - 0 0 1 ，二甲基硅油、微米级羰基铁粉、 月桂酸、纳米级羰基铁粉都不是显著性因素。 备注：显著项由方块符号表示，非显著项由圆形符号表示，而且越远离直线 的因素越重要。 广东t 业大学下学硕士学位论文 给定显著性水平n = o 0 1 ，捧列图如图2 2 所示： n = r e t ec h a r t o ft h es t - i i z de f f e e t s ( f e t e = i 酗u l kn p h ；0 t ) 囵 酗2 - 2 捧列幽( o = 0 0 1 ) ( f i g2 - 2p a r e t oc h a r t ( a = 0 0 1 ) ) 由图2 - 2 可知，对于给定显著性水平q = o 0 1 ，二甲基硅油、微米级羰基铁粉、 月桂酸、纳米级羰基铁粉都没有超过临界值，所以二甲基硅油、微米级羰基铁粉， 月桂酸、纳米级羰基铁粉对试验结果没有产生非常显著性影响，二甲基硅油、微 米级羰基铁粉、月桂酸、纳米级羰基铁粉都不是非常显著性因素。各组份的重要 性次序依次为二甲基硅油、纳米级羰基铁粉、微米级羰基铁粉、月桂酸。 备注：图2 2 中的红色竖线代表狄克逊检验的临界值z 。，l 。若a = o o l ，因素检 验值超过该值，该因素是特别显著的因素，否则该因素不是特别显著的因素。若a = 0 0 5 ，因素检验值超过该值，该因素是显著的因素，否则该因素不是显著的因素。 给定显著性水平a = o 0 5 ，正态概率图如图2 3 所示： h t - lp r e b a b i l i t yp l o to ft es t e a 山r d i s e d | f f e e t = ( i lr h u l t 1 mo0 5 图2 3 正态概率图( o = 0 0 5 ) ( f i g2 - 3n o r m a lp r o b a b i u t yp l o t ( a = 0 0 5 ) ) 由图2 3 可知，对于给定显著性水平a = o 0 5 ，二甲基硅油是显著性因素，徽 1 4 第二章高性能磁流变液的研制 米级羰基铁粉、月桂酸、纳米级羰基铁粉都不是显著性的因素。 给定显著性水平n = 0 0 5 ，排列图如图2 - 4 所示： “篙z 名r e = u 5 l 篡。篙。“p j n m2 ) 图2 4 拌列图( a = 0 0 5 ) ( f i g2 - 4p a r e t oc h a r t ( a = 0 0 s ) ) 由图2 - 4 可知，对于给定显著性水平a = 0 0 5 ，只有二甲基硅油超过临界值， 因此二甲基硅油对试验结果有显著性的影响，二甲基硅油是显著性因素。而微米 级羰基铁粉、月桂酸、纳米级羰基铁粉对试验结果没有产生显著性影响，微米级 羰基铁粉、月桂酸、纳米级羰基铁粉不是显著性因素。各组份的重要性次序依次 为二甲基硅油、纳米级羰基铁粉、微米级羰基铁粉、月桂酸。 由图2 - 1 、2 - 2 、2 - 3 、2 - 4 可知，二甲基硅油的主效应是显著的，二甲基硅油 是显著性因素。微米级羰基铁粉、月桂酸、纳米级羰基铁粉不是显著性因素。而 且