磁性液體靜音水泵的實(shí)驗(yàn)研究

朱鵬軒，徐超熙，李玉彬，李學(xué)慧

（大連大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院納米磁性液體研發(fā)工作室，遼寧大連116622）

1 引 言

由于水泵在日常生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用，從20世紀(jì)80年代開始，我國一些科研單位相繼開始了對(duì)高性能、高質(zhì)量水泵的設(shè)計(jì)和研究[1－2].這些水泵工作時(shí)因壓力的波動(dòng)與脈動(dòng)、流體的不穩(wěn)定流動(dòng)與閥半開引起的渦流影響、氣蝕、水錘、轉(zhuǎn)動(dòng)部件不平衡、安裝缺陷引起的偏心轉(zhuǎn)動(dòng)、油膜的影響等因素會(huì)引起負(fù)面作用：影響水泵的使用壽命；容易產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，造成噪聲污染[3－5].

磁性液體既具有液體的流動(dòng)性，在磁場(chǎng)下又具有固體磁性材料的磁性.為了解決上述常規(guī)水泵引起的負(fù)面影響，利用磁性液體的場(chǎng)致軟磁特性[6]，研制了可以避免由于機(jī)械碰撞、摩擦產(chǎn)生噪聲的磁性液體靜音水泵，搭建了磁性液體靜音水泵研究裝置平臺(tái)，并設(shè)計(jì)加工了1臺(tái)樣機(jī)，對(duì)此樣機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其產(chǎn)生的噪聲級(jí)數(shù)遠(yuǎn)小于常規(guī)水泵.

近幾十年來微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)（MEMS）發(fā)展迅猛[7]，磁性液體靜音水泵研究裝置平臺(tái)，提供了一種由變化磁場(chǎng)控制膜片腔往復(fù)運(yùn)動(dòng)的磁性液體微致動(dòng)泵設(shè)計(jì)構(gòu)造思路的可行依據(jù)，并且不同于文獻(xiàn)[8－9]中的設(shè)計(jì).

2 裝置的設(shè)計(jì)

2.1 裝置總體設(shè)計(jì)與工作機(jī)制

如圖1所示，裝置主要由控制磁場(chǎng)模塊、磁性液體振子腔模塊與單向閥模塊組成.控制磁場(chǎng)模塊由2個(gè)控制電磁鐵對(duì)稱分布，該模塊還裝有顯示屏，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵通電時(shí)間、通電電壓的控制.磁性液體振子腔由2片1mm厚，半徑為100mm的橡膠膜壓制而成，橡膠模中間形成的空腔內(nèi)充入磁性液體，磁性液體振子腔固定在流體腔壁上，流體腔被磁性液體腔分成2個(gè)部分.裝置開始工作時(shí)，2個(gè)電磁鐵交替通電產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，磁性液體振子腔隨著磁場(chǎng)的變化做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使磁性液體振子腔兩側(cè)的流體腔體積發(fā)生改變，在單向閥對(duì)水流動(dòng)方向的制約作用下，水流從下方流入流體腔，從上方流出流體腔.圖2為裝置實(shí)物圖.

圖1 磁性液體靜音水泵裝置示意圖

圖2 磁性液體靜音水泵裝置實(shí)物圖

2.2 控制磁場(chǎng)模塊的設(shè)計(jì)

控制磁場(chǎng)模塊使用變壓器等元件將220V 50Hz的交變電流轉(zhuǎn)換為24V的直流電流，使用DH48S系列數(shù)顯時(shí)間繼電器控制電磁鐵的通電時(shí)間，并設(shè)有RESET鍵和PAUSE鍵.

電磁鐵的主要參量如表1所示.如圖3所示，利用有限元分析ANASY得出單個(gè)電磁鐵通電時(shí)的流體腔所在空間的磁場(chǎng)分布不均勻，通電電磁鐵附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度總是比距離通電電磁鐵遠(yuǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度大，磁性液體在磁場(chǎng)中總是向磁場(chǎng)更強(qiáng)的地方運(yùn)動(dòng)，在此設(shè)計(jì)中磁性液體振子腔向通電電磁鐵一側(cè)加速運(yùn)動(dòng).

表1 電磁鐵的主要參量

圖3 流體腔所在空間的磁場(chǎng)分布

2.3 磁性液體振子腔的設(shè)計(jì)

磁性液體振子離2個(gè)控制電磁鐵的距離均為16mm，其中橡膠模所用的材料為硅橡膠或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），其中充入的磁性液體的體積為60mL，并測(cè)量了在控制磁場(chǎng)中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期T，所用磁性液體參量和相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 磁性液體參量

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 磁性液體靜音水泵的機(jī)械效率與磁性液體磁飽和強(qiáng)度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中將不同的磁性液體樣品充入振子腔，測(cè)量振子腔往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期T，發(fā)現(xiàn)磁性液體的磁飽和強(qiáng)度與磁性液體振子腔的往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期成反比，如圖4所示.

圖4 磁飽和強(qiáng)度Ms與往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期T的關(guān)系

從動(dòng)力學(xué)角度分析，由于不均勻的磁場(chǎng)分布，磁性液體振子腔在磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)力f作用運(yùn)動(dòng)，f正比于磁性液體的磁飽和強(qiáng)度Ms，得出振子腔的運(yùn)動(dòng)速度正比于Ms，振子腔的運(yùn)動(dòng)路程是定值，振子腔的往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期與振子腔的運(yùn)動(dòng)速度成反比，故有磁性液體的磁飽和強(qiáng)度與磁性液體振子腔的往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期成反比的關(guān)系，

設(shè)磁性液體靜音水泵的電功率為P輸入，往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)對(duì)水所做的功為W，則P輸入與W為定值，與式（1）得出磁性液體靜音水泵的機(jī)械效率

即磁性液體靜音水泵的機(jī)械效率與磁性液體的磁飽和強(qiáng)度成正比，磁性液體振子腔中使用的磁性液體的磁飽和強(qiáng)度越高，其往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期越短，磁性液體靜音水泵的機(jī)械效率越高.

3.2 磁性液體靜音水泵的機(jī)械噪聲輻射檢測(cè)

磁性液體靜音水泵的機(jī)械噪聲輻射檢測(cè)所用的儀器為福州欣銳儀器儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)HS5618聲級(jí)計(jì)，采用GBT 13802－1992工程機(jī)械輻射噪聲測(cè)量的通用方法，測(cè)得出磁性液體靜音水泵在工作時(shí)的噪聲聲級(jí)為25.0dB；使用相同的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量體積、功率相近的臺(tái)州市利達(dá)機(jī)電電機(jī)廠生產(chǎn)的15WG12－15型銅質(zhì)熱水型增壓泵（常規(guī)離心水泵）在工作時(shí)的噪聲聲級(jí)為69.8dB.檢測(cè)結(jié)果表明磁性液體靜音水泵工作時(shí)的噪聲比常規(guī)水泵低了44.8dB.

4 結(jié) 論

對(duì)磁性液體靜音水泵樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，該靜音水泵中振子腔部件往復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期與使用的磁性液體的磁飽和強(qiáng)度成反比的關(guān)系，磁性液體靜音水泵產(chǎn)生的噪聲小于常規(guī)水泵.此裝置的機(jī)械效率不超過0.15，若將振子腔中充入的磁性液體換成磁飽和強(qiáng)度更高的磁流變液可以提高靜音水泵的機(jī)械效率.

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