磁流體油膜軸承油的粘度特性研究

姜宏偉，張亞南,王建梅,左正平,張艷娟

(1太原重工技術(shù)中心太原重型機(jī)械集團(tuán)，太原 030024；2 太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024)

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磁流體油膜軸承油的粘度特性研究

姜宏偉1，張亞南2,王建梅2,左正平2,張艷娟2

(1太原重工技術(shù)中心太原重型機(jī)械集團(tuán)，太原 030024；2 太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024)

為了研究磁流體油膜軸承油的粘度特性，采用NDJ-5S數(shù)顯旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定了不同磁場(chǎng)和溫度作用下其粘度大小的變化情況；理論計(jì)算得到了磁流體的粘溫特性以及磁粘特性曲線，結(jié)果表明，理論值與實(shí)驗(yàn)值相吻合。同時(shí)磁流體粘度隨著磁場(chǎng)的增大而增大，隨著溫度的升高而減小。磁場(chǎng)較弱時(shí)會(huì)出現(xiàn)磁粘滯后現(xiàn)象，分析原因是外加磁場(chǎng)對(duì)鏈狀結(jié)構(gòu)的形成和分裂影響結(jié)果。當(dāng)溫度高于T℃后，粘度的增加主要取決于外加磁場(chǎng)的大小，與溫度關(guān)系較小，說明在高溫條件下通過控制磁場(chǎng)調(diào)節(jié)粘度是可行的。提供了一種通過電流控制磁場(chǎng)來改變磁流體粘度的方法，為油膜軸承油磁流體潤滑性能的分析提供參考和依據(jù)。

磁流體；磁場(chǎng)；粘度特性；理論驗(yàn)證

油膜軸承具有承載能力大、速度范圍寬、抗沖擊性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、礦山、航空等系統(tǒng)高、精、尖關(guān)鍵設(shè)備上[1]。磁流體是一種穩(wěn)定的混合物，在外磁場(chǎng)的作用下，性能會(huì)發(fā)生變化，如摩擦系數(shù)減小、承載能力增大等，不僅可以磨損減少而且能實(shí)現(xiàn)連續(xù)潤滑，使其潤滑狀態(tài)穩(wěn)定。

近年來一些學(xué)者對(duì)磁流體的現(xiàn)狀、研制、性能和應(yīng)用做了大量的研究。Hiroshi Yamaguchi等[4]發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)和磁性粒子的濃度影響粘彈性磁性液體的粘度和彈性。楊春成等[5]分析了硅油基磁性液體的粘度-磁場(chǎng)滯回曲線，得出粘度的變化與鏈狀結(jié)構(gòu)和滴狀結(jié)構(gòu)的形成和破裂有關(guān)。S.A. Vshivkov等[6]研究發(fā)現(xiàn)外加磁場(chǎng)的變化是相對(duì)粘度變化的1.3～4倍。Haobo Cheng等[7]研究了微米級(jí)羰基鐵粒子磁懸浮液的粘度在磁場(chǎng)作用下的粘度與電壓的函數(shù)關(guān)系。Qiang Li等[8]通過實(shí)驗(yàn)研究表明磁性液體的粘度在垂直磁場(chǎng)的粘度要大于平行磁場(chǎng)時(shí)的粘度。Shigemitsu Shuchi等[9]研究發(fā)現(xiàn)聚合物混合磁性流體粘度高于原來磁性流體的粘度，隨著應(yīng)用大幅度剪切速率的磁場(chǎng)時(shí),聚合物的粘度有輕微的降低。

外磁場(chǎng)可直接改變磁流體的粘度，故準(zhǔn)確掌握磁流體粘度隨溫度、磁場(chǎng)的變化規(guī)律對(duì)其潤滑特性分析具有重要意義。 近年來關(guān)于影響磁流體粘度因素的研究多為理論研究和定性分析，也有通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下磁流體粘度特性的研究。但是很少對(duì)磁場(chǎng)和溫度影響程度的定量研究。本文主要針對(duì)用于油膜軸承潤滑的磁流體，理論計(jì)算出其粘度特性，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者相吻合。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出粘度增長率的分布情況，并對(duì)其進(jìn)行曲線擬合。

1 磁流體粘度特性

1.1 無外磁場(chǎng)作用時(shí)的粘度

溫度和壓力是影響潤滑油粘度的重要因素。當(dāng)同時(shí)考慮兩者對(duì)粘度的影響時(shí)，常用的表達(dá)式為Roelands粘度方程：

ηt=ηoexp{(lnη0+9.67)[(1+1.5×10-9P)Z.

(1)

對(duì)于稀疏的磁性流體而言，以及體積分?jǐn)?shù)不是很小的條件下，磁流體的動(dòng)力粘度系數(shù)可以按可用Rosensweig修正的Einstein公式表述：

(2)

式中：ηfo是無磁場(chǎng)作用時(shí)鐵磁流體的粘性系數(shù)，ηc是磁流體基載液的動(dòng)力粘性系數(shù)，φ是磁流體中固相顆粒的體積分量。由此可得，無外磁場(chǎng)作用時(shí)的磁流體粘度為：

ηc=(1-2.5φ+1.55φ2)·

η0exp{(lnη0+9.67)[(1+5.1×10-9P)z·

(3)

1.2 外磁場(chǎng)作用時(shí)的粘度

根據(jù)Shliomis轉(zhuǎn)動(dòng)粘度理論，管流渦旋矢量ω與管流流速v在方向上符合右手定則，且磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)磁流體粘度的影響與管流渦旋矢量和外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的夾角β有關(guān)。當(dāng)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，磁流體粘度增量Δη與基載液粘度ηc的關(guān)系為：

(4)

由此可得，磁場(chǎng)存在時(shí)的磁流體粘度為：

(5)

2 油膜軸承磁流體粘度測(cè)試設(shè)備

如圖1(a)、(b)所示為磁流體粘度測(cè)試系統(tǒng)示意圖以及實(shí)物圖，系統(tǒng)主要由粘度計(jì)、溫度計(jì)、螺線管、計(jì)算機(jī)以及磁流體柱狀容器組成。采用數(shù)顯旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(NDJ-5S)測(cè)量油膜軸承油的粘度。測(cè)量過程中，通過加熱帶對(duì)磁流體進(jìn)行加熱，由于高溫時(shí)難以保持溫度恒定，故選取溫度相對(duì)較高的34 ℃和37 ℃進(jìn)行試驗(yàn)。螺線管安裝在充滿了磁流體的柱狀容器的外部為其提供外磁場(chǎng)，螺線管的參數(shù)如表1所示。

1-粘度計(jì)，2-屏磁裝置，3-溫度計(jì)，4-轉(zhuǎn)子，5-磁流體，6-計(jì)算機(jī)

(b)磁流體粘度測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

表1 螺線管相關(guān)參數(shù)

磁場(chǎng)由通電螺線管裝置施加，外部電路由直流電源、變阻器、開關(guān)及若干導(dǎo)線組成，如圖2所示。磁場(chǎng)的大小的測(cè)量是通過外部的霍爾芯片實(shí)現(xiàn)的。如圖3所示，為不同通電電流下的磁場(chǎng)變化情況。分析可得當(dāng)溫度不同時(shí)，隨著電流增大，其磁場(chǎng)增大。

圖3 磁場(chǎng)隨通電電流的變化圖

3 結(jié)果和分析

3.1 結(jié)果分析

圖4 有無磁場(chǎng)作用時(shí)的粘溫特性曲線

在有無磁場(chǎng)作用下，理論計(jì)算出磁流體的粘溫特性曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果相比較，如圖4所示。分析可知理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度不變時(shí)，隨著溫度的升高，其粘度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在同一溫度下，有磁場(chǎng)作用的磁流體的粘度明顯高于無磁場(chǎng)作用磁流體的粘度。這是因?yàn)榇帕黧w是一種特殊的流體，具有流體的一般性質(zhì)。和流體相同，磁流體粘性主要取決于分子間的內(nèi)聚力，當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的內(nèi)聚力減小，使得其粘度隨溫度的升高而減小，隨溫度降低而增大。

圖5 溫度恒定時(shí)的磁粘特性曲線

為了更直觀地研究磁場(chǎng)與粘度的關(guān)系，從理論計(jì)算以及試驗(yàn)中獲取了磁粘特性曲線，如圖5所示?？梢缘贸隼碚撚?jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合，當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大粘度也增大，這是因?yàn)榇判砸后w中所存在的納米級(jí)磁性顆粒在外加磁場(chǎng)的作用下,會(huì)聚集在一起形成鏈狀結(jié)構(gòu),磁性顆粒所形成的鏈對(duì)于磁性液體粘度有很大的影響,其影響因素是鏈的長度與方向。鏈的長度變長,鏈的方向與磁性液體流動(dòng)方向的夾角變大時(shí),鏈狀結(jié)構(gòu)對(duì)于磁性液體流動(dòng)的阻礙就會(huì)變大,宏觀上就可以觀察到磁性液體的粘度變大。磁場(chǎng)會(huì)促使鏈狀結(jié)構(gòu)的形成，宏觀表現(xiàn)為有磁場(chǎng)的粘度大于無磁場(chǎng)時(shí)的粘度。

為了更好地研究磁場(chǎng)與粘度的關(guān)系，繪制了磁流體的磁粘滯后曲線。圖6、圖7分別為平均溫度為34℃、37℃時(shí)，磁場(chǎng)和粘度的滯后曲線，可以得出當(dāng)磁場(chǎng)較弱時(shí)，磁場(chǎng)減小過程中的粘度要大于磁場(chǎng)增加過程中的粘度；當(dāng)磁場(chǎng)變強(qiáng)時(shí)，出現(xiàn)了增加過程中的粘度與磁場(chǎng)減小過程中的粘度相等的現(xiàn)象。

圖6 平均溫度34℃時(shí)磁場(chǎng)-粘度滯后曲線

圖7 平均溫度37℃時(shí)磁場(chǎng)-粘度滯后曲線

正如上面提到的，磁場(chǎng)是影響鏈狀結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素，磁場(chǎng)增大會(huì)促進(jìn)鏈狀的形成，表現(xiàn)為粘度的增加；磁場(chǎng)減小會(huì)使鏈狀結(jié)構(gòu)分裂，表現(xiàn)為粘度的減小。這里可以用鏈狀結(jié)構(gòu)的形成和破裂來解釋這種滯回現(xiàn)象。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，鏈狀結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，宏觀表現(xiàn)為粘度相同。在磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱的階段,磁性液體在磁場(chǎng)減小階段的粘度之所以高于增加磁場(chǎng)階段的粘度,可以理解為鏈狀結(jié)構(gòu)的尺寸大于磁場(chǎng)強(qiáng)度增加階段的尺寸。即使減小階段使鏈狀結(jié)構(gòu)分裂,但尺寸仍大于增加階段的尺寸,因此出現(xiàn)了這種現(xiàn)象。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度降低到最初的最低值時(shí),磁性液體幾乎無鏈狀結(jié)構(gòu)的存在,因而粘度值也相同,恢復(fù)到開始的情況。

圖8 磁場(chǎng)不變時(shí)粘度增加率隨溫度變化的曲線和擬合曲線

ψ=3.96659exp(-T/12.81591)+0.32925

(6)

可以得出，溫度越高其粘度增長率越小，當(dāng)溫度到了一定的數(shù)值T ℃以后，擬合曲線的指數(shù)項(xiàng)趨向于0，即粘度增長率將不再變化。這說明T ℃以后，磁場(chǎng)的增加情況主要取決于外加磁場(chǎng)的大小，與溫度的關(guān)系較小,說明高溫條件下用磁場(chǎng)對(duì)粘度進(jìn)行調(diào)節(jié)是可行的。

3.2 理論驗(yàn)證

通過查閱文獻(xiàn)[10]得到,外加磁場(chǎng)條件下磁流體粘度ηH可表示為：

ηH(T,P,H)=ηf0+K1·Δη(H)

(7)

式中ηf0為無磁場(chǎng)作用時(shí)的磁流體潤滑油膜粘度(Pa·s)，Δη為外加磁場(chǎng)作用下磁流體潤滑油膜的粘度增量(Pa·s).考慮到溫度和磁場(chǎng)對(duì)其影響，對(duì)式(6)進(jìn)行修整得：

ηH(T,P,H)=ηf0+(KH·KT)·Δη(H)

(8)

其中，KH為只考慮磁場(chǎng)時(shí)的比例系數(shù)，KT為只考慮溫度時(shí)的比例系數(shù)，均可通過實(shí)驗(yàn)獲得。

當(dāng)只慮磁場(chǎng)對(duì)粘度變化的影響時(shí)，根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)粘度變化率的定義，可以得出:

KiH=(ηH-ηf0)/ΔB

(9)

其中i=1,2,…，n,取平均值為其影響系數(shù)，可得

(10)

表2 比例系數(shù)k的取值

(11)

將一系列溫度下的磁場(chǎng)影響系數(shù)取平均值，即可得到磁場(chǎng)的影響系數(shù)

(12)

此外，測(cè)試了一組磁場(chǎng)和溫度都變化的粘度實(shí)驗(yàn)，根據(jù)定義式(7)可得KH·KT=1.337，將表2所得KH帶入KH·KT=1.337，可得KT=0.682.綜上可知，KH>1，說明磁場(chǎng)對(duì)粘度的增加起到積極作用，KT<1，說明溫度對(duì)粘度的增加起到了消極作用。

4 結(jié) 論

(1)理論計(jì)算了磁流體的粘溫特性以及磁粘特性曲線，通過與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者吻合。研究表明磁流體是一種特殊的流體，具有流體普遍的特性，即當(dāng)磁場(chǎng)大小不變時(shí)，粘度隨著溫度的升高而降低。在外磁場(chǎng)的作用下，粘度隨著磁場(chǎng)的增加而增大，呈現(xiàn)出非牛頓流體的性質(zhì)，主要是磁場(chǎng)會(huì)促使鏈狀結(jié)構(gòu)的形成，鏈狀結(jié)構(gòu)對(duì)于磁性液體流動(dòng)的阻礙變大，宏觀表現(xiàn)為有磁場(chǎng)的粘度增加。

(2)當(dāng)磁場(chǎng)較弱的時(shí)候，出現(xiàn)了磁粘滯后現(xiàn)象，這是由外加磁場(chǎng)對(duì)鏈狀結(jié)構(gòu)的形成和分裂的影響結(jié)果。

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Research and Analysis of Viscosity Properties for Magnetic-fluid-lubrication Oil-film Bearing Oil

JIANG Hong-wei1, ZHANG Ya-nan2, WANG Jian-mei2,ZUO Zheng-ping2, ZHANG Yan-juan2

(1.Taiyuan Heavy Industry Engneering Center, Taiyuan Heavy Mahcinery Group, Taiyuan 030024, China;2.School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

In order to study the viscosity properties of magnetic fluid used in oil-film bearing, the NDJ-5S digital viscometer was adopted to measure the viscosity of magnetic fluid under different magnetic field and different temperature. The results show that compared with the experimental value, the curve of viscosity-temperature properties and magnetic-viscosity properties for magnetic fluid in theoretical calculation shows that both are coincident with each other. Meanwhile, the oil-film viscosity will increase with the increase of the magnetic field, and decrease with the increase of the temperature. The appearance of magnetic stick hysteresis with the weakening magnetic field is the result of the formation and division of the chain structure affected by magnetic field. When the temperature is higher than T ℃, viscosity increase mainly depends on the applied magnetic field, and has less relationship with the temperature, which means that controlling the magnetic field to adjust viscosity under the high temperature condition is feasible. This paper provides a method which can change magnetic liquid viscosity by current control field, and can provide reference and basis for further research on the lubricating performances of oil film.

magnetic fluid， magnetic field， viscosity properties， theoretical proof.

2015-12-15

山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(201601D011049)；山西省專利推廣實(shí)施資助專項(xiàng)(20161005)；山西省研究生教育創(chuàng)新項(xiàng)目(2015113)

姜宏偉(1978-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)；通信作者：王建梅教授，E-mail: wjmhdb@163.com

1673-2057(2016)05-0400-06

TM714

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.013