路 和 劉新華
(中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)
磁流變液(Magneto-rheologicalfluids,MRF)是一種在外加磁場下其流變特性發(fā)生急劇變化的新型智能材料,它在無外加磁場時,表現(xiàn)為流動性良好的牛頓流體,但在外加磁場作用下,流體的流變特性發(fā)生巨大變化,其表觀粘度可在10 ms內(nèi)增加幾個數(shù)量級,并呈現(xiàn)類似固體的力學(xué)性質(zhì),且粘度變化是連續(xù)可逆的,即一旦去掉磁場后,又變?yōu)榱鲃有粤己玫呐nD流體。磁流變效應(yīng)連續(xù)、可逆、迅速和易于控制的特點使得磁流變液在航空航天、汽車工業(yè)、液壓傳動、生物技術(shù)、醫(yī)療等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景[1-5],引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
磁流變液主要由軟磁性顆粒、載液和穩(wěn)定劑三部分組成。磁性顆粒是晶體尺寸在0.01~10 μm的球形顆粒,目前應(yīng)用最多的磁性顆粒是純鐵粉和羥基鐵粉;載液是磁流變液的主要成分,其作用是將磁性顆粒均勻地分散在磁流變液中,使其在無外加磁場時,磁流變液具有牛頓流體的特性,載液一般應(yīng)具有低粘度、高沸點、低凝固點、溫度稀化效應(yīng)小、熱穩(wěn)定性和絕緣性好、耐腐蝕性以及無毒、無異味等特點,一般可用水、煤油、硅油或合成油等;穩(wěn)定劑用來減緩或防止磁性顆粒的沉降與聚集,使磁性顆粒能在載液中保持懸浮狀態(tài),提高磁流變液的穩(wěn)定性、抗腐蝕性,同時還具有潤滑的作用。
Rabinow[6]于1948年發(fā)現(xiàn)了磁流變效應(yīng),其流變特性可用Bingham本構(gòu)關(guān)系[7]進(jìn)行描述:
式中:τy(B)為磁流變液動態(tài)屈服應(yīng)力;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;γ為剪切應(yīng)變率;η為磁流變液的表觀粘度。
當(dāng)磁性顆粒在磁流變液中達(dá)到飽和前,τy(B)隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B的增強(qiáng)而增大。τy(B)可以表示為磁感應(yīng)強(qiáng)度的冪函數(shù)形式:
式中:系數(shù)α和冪指數(shù)n為由磁流變液的材料決定的常數(shù)。根據(jù)圖1和圖2的實驗結(jié)果可以看出:未加磁場時,磁流變液中磁性顆粒的分布是雜亂無章的,而在磁場作用下卻是有規(guī)律的,且沿磁場的方向成鏈?zhǔn)鵂钆帕小?/p>
美國的Constantin Ciocanel等[8]對剪切速率、剪切應(yīng)變、磁場及工作時間等因素對磁流變液的性能影響進(jìn)行了研究;重慶大學(xué)的司鵠等[9]對磁流變液的流變性能進(jìn)行了深入研究,結(jié)果表明:磁流變液的性能不僅受到外部磁場強(qiáng)度的影響,而且還受磁介質(zhì)的體積百分率、磁介質(zhì)微粒尺寸的影響;中國礦業(yè)大學(xué)的趙四海等[10]研制了一種狹縫式磁流變液流變性能測試系統(tǒng),并通過實驗證明了此測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性;華僑大學(xué)的江曉玲等[11]利用支持向量機(jī)的二維回歸方法獲得了性能較好的流變特性三維關(guān)系曲面,通過分析表明磁場對磁流變液動態(tài)阻尼特性有顯著的影響。
磁流變液的工作模式主要有3種:流動模式、剪切模式和擠壓模式。
流動模式如圖3所示,在流動模式中,上、下極板固定不動,磁流體在裝置中的壓力差的作用下流動,該壓力差由磁場引起的屈服應(yīng)力分量ΔPH和與磁場無關(guān)的粘性分量ΔPη組成:
式中:τH為磁流變液的動態(tài)屈服應(yīng)力;η為磁流變液的動力粘度;Q為體積流速;L、h、s分別為極板長度、寬度和間隙;c為經(jīng)驗系數(shù),當(dāng)壓差比率ΔP/ΔPH<1時c=2;當(dāng)壓差比率1≤ΔP≤ΔPH≤100時c=3。
剪切模式如圖4所示。在剪切模式中,上、下極板以相對速度平行運(yùn)動,外加磁場與極板的運(yùn)動方向垂直,磁流變液在相對運(yùn)動的極板間流動,形成剪切變形,產(chǎn)生剪切阻力,該阻力由磁場引起的屈服力分量FH和粘性力分量Fη組成:
式中:τH為磁流變液的動態(tài)屈服應(yīng)力;η為磁流變液的塑性粘度;υ為極板相對速度;A為工作表面積,A=Lh;L、h、s分別為極板的長、寬和間隙。
剪切模式如圖5所示。在擠壓模式中,外加磁場的方向平行于極板的運(yùn)動方向,同時上、下極板做相對運(yùn)動,磁流變液處于交替拉伸、壓縮狀態(tài),并產(chǎn)生剪切變形。
基于磁流變液流變特性的裝置具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單以及能耗低等優(yōu)良特性,因此在機(jī)械工程領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
磁流變傳動(Magneto-rheological Transmission,MRT)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型傳動技術(shù),其傳動理論基礎(chǔ)是磁流變液的流變效應(yīng),以磁流變液為傳動介質(zhì),通過調(diào)節(jié)外加磁場強(qiáng)度來改變磁流變液的剪切屈服應(yīng)力,從而改變傳遞轉(zhuǎn)矩或力的大小。磁流變傳動裝置具有響應(yīng)時間短(一般為毫秒級)、傳動部件磨損較小、控制簡單、控制能源消耗低等特點,是一種較為理想的動力傳動器件,其在機(jī)械裝置啟動、制動、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、無級調(diào)速和過載安全保護(hù)等方面具有獨特的優(yōu)勢。
國內(nèi)外學(xué)者對磁流變液傳動裝置做了大量的研究。美國Lord公司[12]制造的旋轉(zhuǎn)式制動器,回轉(zhuǎn)阻力可控、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)、功耗較低,已用于自行車式和臺階攀登式健身機(jī);美國內(nèi)華達(dá)州大學(xué)的Barkan M.Kavlicoglu等[13]研制了雙圓盤式大轉(zhuǎn)矩磁流變液離合器;重慶大學(xué)的鄭軍等[14]開發(fā)了一種圓柱式磁流變液傳動裝置,探討了磁流變液傳動流體動力學(xué)特性,研究了在穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)情況下傳動裝置的流場分布,并對磁流變液傳動裝置的響應(yīng)時間及其影響因素進(jìn)行了討論;中國礦業(yè)大學(xué)的侯友夫等[15]對旋轉(zhuǎn)界面間磁流變液動力傳遞機(jī)理進(jìn)行了研究,申請了相關(guān)磁流變液傳動裝置的發(fā)明專利,并開發(fā)了小功率磁流變液傳動裝置;東北林業(yè)大學(xué)的丁柏群等[16]設(shè)計了一種汽車輪內(nèi)葉輪式磁流變液制動器,并推導(dǎo)出該制動器的制動力矩計算方法,所設(shè)計的汽車磁流變液制動器能夠滿足一般小型汽車的制動力矩需求。
磁流變阻尼器可廣泛用于各種振動控制系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、體積小、工作連續(xù)可逆等優(yōu)點,能夠很好地滿足各種場合的需要,可實現(xiàn)實時的主動、半主動控制,特別適合于對重量和空間都有限制的機(jī)械裝置,加上阻尼器特有的可控性,能實現(xiàn)迅速的無級阻尼力調(diào)節(jié),這些優(yōu)良特性使得這種阻尼器有著廣闊的應(yīng)用前景,可應(yīng)用于對減振有較高要求的機(jī)械裝置。Yang Guangqiang等[17]系統(tǒng)地測試了200 kN足尺磁流變阻尼器的阻尼力性能;美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)以Gordaninejad教授為首的科研團(tuán)隊CIML實驗室[18]開發(fā)了雙活塞磁路磁流變液阻尼器;李忠獻(xiàn)等[19]設(shè)計并制作了雙出桿的剪切閥式磁流變阻尼器;王洪濤等[20]設(shè)計出一種基于被動式雙筒液壓減振器的盤形縫隙式雙筒磁流變液減振器,推導(dǎo)出盤形縫隙式雙筒MRD的阻尼力計算模型;王修勇等[21]設(shè)計、制作了阻尼力可調(diào)范圍大、位移不受限制的旋轉(zhuǎn)剪切式MR阻尼器。
磁流變液可以作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì),通過給閥加上一定的磁場,當(dāng)磁流變液經(jīng)過閥門時,由于受磁場作用的影響,磁流變液的粘度逐漸增大,流經(jīng)閥門的液流阻力也隨之增大,使閥門進(jìn)口壓力增高,由此減緩或停止液體的流動,利用磁流變技術(shù)開發(fā)的控制閥,沒有相對運(yùn)動的閥芯,要求精度低,制造成本較低、無磨損、壽命長、易于控制等優(yōu)點,具有較好的發(fā)展前景。William Kordonsky[22]提出了一種液壓缸活塞控制運(yùn)動方法;磁流變在液壓傳動中的應(yīng)用主要有磁流變比例控制閥,磁流變可控閥門,磁流變流體溢流閥,磁流變液節(jié)流閥等[23]。
磁流變拋光是一種用磁場輔助的流體動力拋光技術(shù)[24],磁流變拋光具有拋光效率高、受磁場可控、剪切應(yīng)力大、磨頭無磨損、溫度適用范圍寬等其他傳統(tǒng)拋光方法所沒有的優(yōu)點,并且通過計算機(jī)的控制可以實現(xiàn)復(fù)雜光學(xué)表面的加工。楊建國等[25]對磁流變拋光的兩種不同結(jié)構(gòu)的裝置進(jìn)行了優(yōu)缺點比較,給出了拋光裝置的關(guān)鍵部件的設(shè)計方法;張學(xué)成等[26]研究了磁流變液射流在外加軸向磁場作用下的穩(wěn)定性。
利用磁流變液的流變特性可對形狀復(fù)雜的工件進(jìn)行定位和夾緊,以便進(jìn)行機(jī)械加工。Y.Rong等[27]研制了一套柔性夾緊裝置,并利用加壓技術(shù),使磁流變液的微觀結(jié)構(gòu)由單鏈變成一個粗大的柱狀結(jié)構(gòu),可達(dá)800 kPa以上,滿足了設(shè)計柔性夾具的夾緊力要求;美國Lord公司的Jolly等[28]開發(fā)了磁流變液手柄,這種手柄可用于不同形狀工件的抓取;Zhang X.Z.等[29]發(fā)明了一種磁流變工件夾緊裝置;中國科技大學(xué)的張先舟等[30]研發(fā)了一種磁流變?nèi)嵝詩A具,在0.3 T的磁場作用下固化后其剪切強(qiáng)度約為40 kPa,轉(zhuǎn)動壓桿沿磁場方向加壓10 MPa,磁流變材料剪切強(qiáng)度達(dá)到2 MPa,一根0.1 mm×1 mm×20 mm的鐵片被夾緊后可以承受50 N以上的拉力;肖璐等[31]研究了用于薄壁件加工的磁流變夾具,通過有限元對夾緊力與切削力以及磁流變液的剪切應(yīng)力進(jìn)行了分析,比較了采用磁流變液前后工件變形的區(qū)別,最后得出在采用磁流變液后,工件產(chǎn)生的應(yīng)變減小了約1個數(shù)量級;龔政等[32]研究了應(yīng)用于柔性夾具的磁流變液頂針結(jié)構(gòu),并取得了較好的效果。
磁流變液密封主要利用磁性液體對磁場的響應(yīng)特性。把磁性液體注入由高性能的永磁體、導(dǎo)磁性良好的極靴和軸構(gòu)成的導(dǎo)磁回路中,形成數(shù)個液體“O”形密封圈,當(dāng)磁性液體受壓差作用時,會在非均勻磁場中移動,這時不均勻的磁場就會使磁性液體產(chǎn)生對抗壓差的磁力進(jìn)而達(dá)到新的平衡,這樣就起到了密封的作用。
Kordonsky W.I.等[33]通過實驗研究了旋轉(zhuǎn)軸以MRF為密封介質(zhì)的單密封技術(shù),通過磁場控制密封間隙中MRF的粘度從而達(dá)到密封的效果,這與鐵磁流體密封原理基本類似,然而其結(jié)構(gòu)更簡單、密封性能更好,配合件無磨損、維修更簡便。磁流變密封具有嚴(yán)密的密封性和不可測量的泄漏率,其壽命長、可靠性高、無污染,并能承受高的轉(zhuǎn)速、低的粘性摩擦;磁性液體密封即使在中斷運(yùn)行時,也不像彈性密封那樣在停機(jī)期間受增塑和弛豫的影響。
磁流變液在機(jī)械工程中還可以用于特種軸承、機(jī)械手、機(jī)器人傳感器和無級變速器仿人肌肉、人機(jī)一體化機(jī)構(gòu)等仿生智能機(jī)構(gòu)上,也可以應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實設(shè)備中,如研制基于磁流變液的力反饋數(shù)據(jù)手套等。
磁流變液在機(jī)械工程中的應(yīng)用研究起步較晚,但是由于其獨特的流變效應(yīng)、優(yōu)良的可控性能,得到了各國專家學(xué)者的廣泛重視和研究,因此發(fā)展較快,尤其是近年來,磁流變液在材料性能及應(yīng)用等方面取得了較大進(jìn)展。
由于磁流變液傳動系統(tǒng)動力傳遞機(jī)理較復(fù)雜,還有很多問題需要進(jìn)一步深入研究:如磁流變裝置的散熱效果不理想;傳動裝置的傳動力和力矩較小;裝置運(yùn)行時易泄露,難密封;磁流變液易沉淀,穩(wěn)定性較差等。目前國外已有少量商業(yè)化磁流變液設(shè)備問世,我國對磁流變技術(shù)的研究剛剛起步,相信隨著對磁流變液研究的不斷深入,磁流變液會在機(jī)械工程中得到更廣泛的應(yīng)用。
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