黃仕彪

(浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波315012)

0 引言

磁流變液(Magneto-rheological Fluid，MRF)主要由微米級(jí)的鐵磁性顆粒、載液及穩(wěn)定劑組成不透明的懸浮液體混合物。磁流變液是一種新型可控的智能材料，具有磁流變效應(yīng)，即：磁流變液在無磁場時(shí)表現(xiàn)為流動(dòng)性良好的牛頓流體，施加磁場可在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變成低流動(dòng)性的半固體狀態(tài)，黏度可增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)出具有可控的剪切屈服強(qiáng)度，當(dāng)磁場撤消磁流變液又能在極短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)為牛頓流體狀態(tài)。磁流變液具有極其優(yōu)良可逆的流變性能，自20世紀(jì)40年代由Rabinow J提出以來，人們進(jìn)行了廣泛深入的應(yīng)用研究，目前廣泛應(yīng)用于車輛、建筑、橋梁等行業(yè)的減震器、阻尼器、傳動(dòng)裝置、制動(dòng)器、離合器等設(shè)備中[1-5]。

然而磁流變液在工作中受各種工況作用下會(huì)發(fā)熱，溫度的升高使磁流變液的材料性能發(fā)生變化，導(dǎo)致磁流變液的黏性、剪切屈服特性、阻尼特性等方面產(chǎn)生變化，使其應(yīng)用的元器件的性能衰減甚至失效，降低元器件的使用壽命，大量學(xué)者對(duì)溫升理論模型進(jìn)行研究，1993年白俄羅斯學(xué)者Demchuk等研究了液體的熱物理特性隨磁場的變化。1994年Weiss等對(duì)電流變液和磁流變液材料的溫度特性進(jìn)行研究。Makris等利用一維能量平衡法對(duì)黏滯流體阻尼力在不同激勵(lì)下的流體溫度進(jìn)行理論求解并通過試驗(yàn)驗(yàn)證模型的可靠性[6-7]。研究磁流變液發(fā)熱機(jī)理及其影響因素具有重要意義。

1 溫度對(duì)磁流變液及其裝置性能的影響

磁流變液的黏度隨溫度變化的關(guān)系如圖1所示，由圖1可知，當(dāng)溫度從0到100攝氏度增大時(shí)，黏度緩慢逐漸變小，但溫度超過110攝氏度時(shí)，黏度逐漸增大。黏度的顯著變化將使元器件傳動(dòng)工作不穩(wěn)定[8]。

磁流變液的剪切屈服應(yīng)力隨溫度的變化關(guān)系如圖2所示，由圖2可見，溫度從20攝氏度增加到220攝氏度時(shí)，磁流變液的剪切屈服應(yīng)力逐漸減小。此外，隨著溫度的升高，磁流變液的沉降穩(wěn)定性變差，飽和磁化強(qiáng)度降低[9]。

圖1 黏度與溫度關(guān)系

圖2 溫度與剪切屈服應(yīng)力的關(guān)系

圖3 阻尼器結(jié)構(gòu)原理圖

磁流變液阻尼器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。溫度變化對(duì)阻尼力的影響如圖4所示，實(shí)驗(yàn)測試了在-40攝氏度到125攝氏度范圍內(nèi)，阻尼器在施加0 A、0.5 A、1 A電流時(shí)最大阻尼力的變化情況，隨著溫度升高，施加不同電流的磁流變阻尼器阻尼力均有所下降。溫度的升高影響了磁流變液的黏度，進(jìn)而影響了磁流變減振器的阻尼力[10]。

圖4 阻尼力與溫度關(guān)系

磁流變減振器工作時(shí)阻尼力主要由黏滯阻尼力和庫倫阻尼力組成，溫度的升高，會(huì)導(dǎo)致黏滯阻尼力下降，進(jìn)而使減振器輸出的阻尼力下降[11]。

如圖5所示的磁流變傳動(dòng)裝置，該裝置的溫度與扭矩的關(guān)系如圖6所示，顯示溫升會(huì)導(dǎo)致磁流變傳動(dòng)裝置傳遞扭矩能力略有提高。因?yàn)閭鲃?dòng)圓盤及磁流變液受熱后膨脹，導(dǎo)致相對(duì)工作間隙變小，造成磁流變液受到擠壓作用引起傳遞轉(zhuǎn)矩能力增強(qiáng)[12]。

圖5 磁流變傳動(dòng)裝置

圖6 轉(zhuǎn)矩與溫升的關(guān)系圖

2 磁流變液發(fā)熱升溫的機(jī)理

磁流變液主要有流動(dòng)、剪切和擠壓三種工作模式[13-14]，根據(jù)磁流變液的物理性質(zhì)及應(yīng)用裝置工況不同，磁流變液發(fā)熱升溫機(jī)理也不同，引起升溫的因素可歸結(jié)為內(nèi)因和外因兩類，內(nèi)因主要有磁熱效應(yīng)、磁流變液與接觸壁面的摩擦磨損、磁性顆粒之間相互摩擦，外因主要是周邊外部熱源傳入等。其中磁流變液與接觸壁面的摩擦磨損、磁性顆粒之間相互摩擦是磁流變液發(fā)熱的主要原因。

2.1 磁熱效應(yīng)

當(dāng)磁場強(qiáng)度改變時(shí)，磁流體的溫度也改變。即當(dāng)磁流體進(jìn)入較高磁場強(qiáng)度區(qū)域時(shí)，磁流體被加熱，即磁場強(qiáng)度的升高可加熱磁流體[15]。

2.2 磁流變液與接觸壁面的摩擦磨損

磁流變阻尼器屬于一種能量耗散裝置，工作中外界輸入的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)具有流變性的磁流變液運(yùn)動(dòng)，通過磁流變液與接觸壁面摩擦磨損產(chǎn)生負(fù)載阻尼力，即動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能耗散，導(dǎo)致磁流變液溫度升高。

在圖5的磁流變傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)中，左右兩個(gè)傳動(dòng)軸之間充滿磁流變液，當(dāng)線圈中沒有輸入電流，即無外加磁場H時(shí)磁流變液為液態(tài)，磁流變液的黏性較小，無法傳遞兩傳動(dòng)軸的扭矩；但是當(dāng)在線圈中輸入電流時(shí)，兩傳動(dòng)軸之間的磁流變液產(chǎn)生外加磁場H，磁流變液瞬間由液態(tài)變成半固態(tài)，此時(shí)磁流變液黏性較大，在磁流變液部分屈服的情況下，依靠剪切應(yīng)力主動(dòng)軸可以帶動(dòng)從動(dòng)軸傳遞轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)軸端面與半固態(tài)的磁流變液、磁流變液與周邊接觸的壁面、磁流變液與從動(dòng)軸端面之間存在摩擦或滑差，甚至磁流變液發(fā)生壁面滑移現(xiàn)象，工作中將產(chǎn)生大量熱量[8，12，16]。

大滑差功率下磁流變傳動(dòng)裝置發(fā)熱嚴(yán)重，這對(duì)其工作穩(wěn)定性和使用壽命造成非常不利的影響，國內(nèi)外學(xué)者提出一些散熱措施。美國亞利桑那大學(xué)Dogrouz采用在外殼上安裝散熱片的方式來提高散熱效率，重慶大學(xué)鄭軍采用一種回轉(zhuǎn)熱管吸收熱量。中國礦業(yè)大學(xué)王道明采用雙水冷散熱方式[14]。

摩擦磨損主要發(fā)生在磁流變液與壁面接觸部分的微觀現(xiàn)象和動(dòng)態(tài)過程，磁流變液的摩擦磨損原理圖如圖7所示。當(dāng)摩擦顆粒主體與壁面大多為金屬時(shí)，磨損表面形貌主要表現(xiàn)為磨料磨損、黏著磨損、侵蝕磨損和疲勞磨損，其中磨料磨損、黏著磨損和疲勞磨損為磁流變液的主要磨損形式。在磨料磨損中，摩擦副表層在磁性顆粒的切削、犁溝作用下出現(xiàn)明顯的溝槽。當(dāng)磁流變液在器件周期性工作時(shí)，摩擦副受到載荷作用并周期性發(fā)熱[17]。

2.3 磁性顆粒之間相互摩擦

磁流變液在液態(tài)或黏性流動(dòng)工作時(shí)，磁性顆粒之間存在相互摩擦發(fā)熱，有關(guān)研究文獻(xiàn)資料相對(duì)較少，有待進(jìn)一步深入研究。

圖7 磁流變液的摩擦磨損原理圖

2.4 周邊外部熱源傳入

勵(lì)磁線圈通電后的電阻、磁阻等發(fā)熱，軸承、傳動(dòng)軸等部件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦發(fā)熱，磁流變液器件外部高溫環(huán)境的熱量等等，都會(huì)傳遞給磁流變液使其升溫。

3 影響磁流變液發(fā)熱的因素

通過總結(jié)分析文獻(xiàn)資料有關(guān)磁流變液發(fā)熱機(jī)理，影響磁流變液發(fā)熱的因素有許多，主要有：磁場強(qiáng)度、磁流變液與固體壁面的表面接觸情況、磁流變液裝置的工作環(huán)境熱源等。根據(jù)帕斯卡原理，當(dāng)磁流變液的壓強(qiáng)增大時(shí)，磁流變液與接觸壁面之間正壓力增大，磁流變液內(nèi)部磁性顆粒之間的作用力也增大，此時(shí)磁流變液與接觸壁面摩擦磨損、磁性顆粒之間相互摩擦將更加劇烈，因此磁流變液的壓強(qiáng)將影響磁流變液的發(fā)熱，但相關(guān)研究文獻(xiàn)比較少，需進(jìn)一步研究明確結(jié)論。

4 結(jié)論

4.1 在磁流變減振器中，磁流變液在沒有變成固體狀態(tài)時(shí)具有流體性質(zhì)，在工作中表現(xiàn)為流動(dòng)模式，此時(shí)磁流變液與固體壁面之間的摩擦力受流體壓強(qiáng)影響較大，從摩擦發(fā)熱角度引起能量消耗角度分析，磁流變液的壓強(qiáng)變化影響磁流變液發(fā)熱，是否會(huì)進(jìn)一步影響減振效率問題，目前這方面的研究資料比較少，有待進(jìn)一步深入研究。

4.2 在磁流變傳動(dòng)裝置中，磁流變液的壓強(qiáng)越高，半固態(tài)的磁流變液的磁性顆粒之間作用力增大，是否會(huì)影響剪切屈服應(yīng)力有待進(jìn)一步研究明確。此外，磁流變液作用在傳動(dòng)軸端面的壓強(qiáng)越大，是否有利于提高傳遞轉(zhuǎn)矩，有待進(jìn)一步深入研究。

4.3 磁流變液工作一段時(shí)間后，磁性顆粒會(huì)磨損變小，與之接觸的固體壁面表層也會(huì)磨損劃傷，磁流變液的壓強(qiáng)大小是否會(huì)對(duì)壁面滑移現(xiàn)象產(chǎn)生影響，需要做進(jìn)一步比較研究。