離合器用磁流變液的制備液及固體含量對(duì)傳遞扭矩的影響*

遲佳龍，布赫巴特爾，黃 波，劉曉紅

(黑龍江省化工研究院，黑龍江 哈爾濱 150078)

磁流變液(Magneto-rheological Fluid簡稱MRF)是一種具有良好發(fā)展前景和工程應(yīng)用價(jià)值的新型智能材料。最早是由幾十年前的J.Rabinow提出的[1]。它是固體微顆粒在基液中形成的懸浮液,主要由載液、磁流變響應(yīng)粒子,磁流變效應(yīng)粒子,表面活性劑組成,在外加磁場作用下，會(huì)產(chǎn)生明顯的磁流變效應(yīng)：在固體與液態(tài)之間進(jìn)行毫秒(ms)級(jí)快速可逆轉(zhuǎn)化，其粘度保持連續(xù)無級(jí)變化，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)主動(dòng)控制，耗能小[2]。因而磁流變液廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空、精密加工、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域[3]。在磁場的作用下，磁流變液的流變特性會(huì)發(fā)生快速可逆的變化，這種現(xiàn)象被稱為磁流變效應(yīng)。而磁流變液離合器是利用磁流變液剪切應(yīng)力來進(jìn)行離合的一種裝置，它傳遞的扭矩隨外加磁場的變化迅速變化。磁流變液離合器以其長壽命、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、優(yōu)良控制特性等優(yōu)點(diǎn)將成為傳統(tǒng)離合器的理想替代品[4，5]。

磁流變液雖然有以上優(yōu)點(diǎn)，但是它也有自己的缺點(diǎn)，主要是磁流變液傳遞扭矩的離合器的工作性能會(huì)受到磁流變液里的固體含量的影響，因此，研究固體含量對(duì)傳遞扭矩的影響是有必要。

本文著重介紹離合器用磁流變液的制備及固體含量對(duì)傳遞扭矩的影響。

1 磁流變液的制備

1.1 原料及儀器

羰基鐵；堿；烴類合成油；有機(jī)膨潤土；沉降劑；表面活性劑等。

燒瓶；電動(dòng)攪拌機(jī)；真空泵；控溫裝置。

1.2 磁流變液的制備

將2份粒徑為3-5μm羰基鐵粉，4份投入適量烴類合成油中,然后在80℃溫度下定量加入2份表面活性劑、1份有機(jī)膨潤土、0.5份堿、0.5沉降劑混合攪拌、靜置得到磁流變液。

2 固體含量對(duì)磁流變液傳遞扭矩的影響

2.1 磁流變效應(yīng)機(jī)理

磁流變液當(dāng)有外加磁場作用時(shí)，顆粒產(chǎn)生有序化的運(yùn)動(dòng)，這些顆粒在磁場力作用下相互吸引，沿著N極和S極之間的磁力線方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)。磁流變液中的顆粒磁極化后的鏈化過程主要與外加磁場強(qiáng)度有關(guān)系，鏈化過程的模型見圖1。

圖1 磁流變液施加磁場前后結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖[6]Fig.1 Comparison of structures of MR fluids containing polystyrene spheres before and after magnetic field applied

無磁場作用時(shí)，粒子自由分散在載液中，處于一種無序分布狀態(tài)，此時(shí)動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力幾乎為零；當(dāng)外加磁場的瞬間，磁性顆粒被極化為偶極子；在10ms后，即“固化”反應(yīng)后，這些粒子在磁場作用下相互吸引，沿著N極和S極之間的磁力線在兩極形成粒子橋，從而產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)抗剪應(yīng)力的作用（即產(chǎn)生傳遞扭矩），外觀表現(xiàn)為粘稠的特性，液體的粘度隨磁場變化而無級(jí)變化；當(dāng)磁場強(qiáng)度增加后，磁鏈的直徑也跟著變粗，磁流變液的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和表面粘度增大，對(duì)外所表現(xiàn)的傳遞扭矩增強(qiáng)；當(dāng)外加磁場被撤銷后，磁流變液迅速還原成一般流體特性，反應(yīng)時(shí)間在幾毫秒之內(nèi)，非常迅速[3]。

在這一過程中影響傳遞扭矩的因素主要是固體含量（磁流變效應(yīng)粒子與磁流變響應(yīng)粒子）。配比不同固體含量的磁流變液，從中分析不同固體含量的對(duì)傳遞扭矩的影響。通常磁流變液的固體含量常用的主要有羰基鐵粉、純鐵粉或鐵合金等；本文是以羰基鐵粉為固體粒子。

2.2 磁流變液離合器性能實(shí)驗(yàn)設(shè)備

交流電動(dòng)機(jī)、變頻器、磁粉制動(dòng)器、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、磁流變液離合器。

圖2 磁流變液離合器性能測(cè)試示意圖Fig.2 Overall sketch of the test system for MR fluid clutch

圖3 磁流變液離合器性能測(cè)試裝置Fig.3 Test system of the properties for MR fluid clutch

不同的轉(zhuǎn)速下傳遞扭矩也不同，本文選取轉(zhuǎn)速為 500r·min-1做參考。

2.3 不同固體含量磁流變液的傳遞扭矩的對(duì)比分析

按照1.2磁流變液的制備方法，分別按照固體含量為 1∶10、1.5∶10、2∶10、2.5∶10、3∶10 的比例，制備出磁流變液。然后在磁流變液離合器性能實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，在轉(zhuǎn)速為500r·min-1的條件下，測(cè)試出以下數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)制成圖表（表1、圖4），進(jìn)行分析。

表1 不同固體含量的磁流變液在不同勵(lì)磁電流下的傳遞扭矩Tab.1 Torque transmission of magneto-rheological(MR)fluid with kinds of solids content with different field corrent

圖4 不同固體含量的傳遞扭矩Fig.4 Torque transmission with different solid content

根據(jù)數(shù)據(jù)和圖表的對(duì)比分析得出，在零磁場的時(shí)候傳遞扭矩主要是磁流變液的粘度，從5個(gè)圖的數(shù)據(jù)得知，固體含量越大，粘度越大，傳遞扭矩就越高。從圖4（a）、（b）、（c）可見，傳遞扭矩和勵(lì)磁電流基本呈線性正比關(guān)系，傳遞扭矩不斷變大。這說明，在固體含量為 1∶10、1.5∶10、2∶10的含量時(shí)，磁流變液在外加磁場條件下的傳遞扭矩與勵(lì)磁電流成正比，電流越大，傳遞扭矩越大。同時(shí)，固體含量的百分比對(duì)傳遞扭矩也有很大影響，固體含量越大，磁流變液中磁流變效應(yīng)粒子與磁流變響應(yīng)粒子的量越多，在磁場下形成的磁鏈數(shù)量越多，磁鏈直徑也越大；磁流變液的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和表面粘度就越大，其磁流變液傳遞扭矩就越高。然而，4（d）、（e）中可知，電流越大，其傳遞扭矩增長量越小。這說明固體含量百分率越大，磁流變流中的磁流變效應(yīng)粒子與磁流變響應(yīng)粒子就越容易抱團(tuán)，在磁流變液中形成沉淀和結(jié)塊。這就影響磁鏈在外加磁場條件下的形成，從而影響磁流變液整體的傳遞扭矩。

3 結(jié)論

近幾年,磁流變液的優(yōu)越性能及其十分美好的開發(fā)前景逐漸引發(fā)了世界各國科學(xué)界、工業(yè)界的廣泛關(guān)注。磁流變液離合器以其長壽命、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點(diǎn)，必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)應(yīng)該通過改善磁流變液性能，優(yōu)化離合器結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)磁流變液中的固體含量的配比，對(duì)于磁流變液和離合器顯得尤為重要。

［1］趙麗，布和巴特爾，田言.磁流變液的研究［J］.化學(xué)工程師，2001，15（6）.

［2］Kordonsky W.I.Magnetorheological effect as a base of new devices and technologies［J］.Magnetismand Magnetic Materials,1993，133：395-398.

［3］鄒剛.杯狀磁流變液離合器的性能測(cè)試與優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

［4］孟維佳.雙平板式磁流變液離合器的研究設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.1-8.

［5］Kordonsky W.I.Magnetorheological Fluids and Their Applications［J］.Materials Technology,1993，(11)：240-242.

［6］王琪民，徐國梁，金建峰.磁流變液的流變性能及其工程應(yīng)用［J］.中國機(jī)械工程，2002,13(3)：267-270.