氟醚油基磁性液體密封啟動(dòng)力矩的實(shí)驗(yàn)分析

程艷紅，李德才,2，戴榮坤

(1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044; 2.清華大學(xué) 摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

氟醚油基磁性液體密封啟動(dòng)力矩的實(shí)驗(yàn)分析

程艷紅1，李德才1,2，戴榮坤1

(1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044; 2.清華大學(xué) 摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

氟醚油基磁性液體轉(zhuǎn)軸密封的啟動(dòng)力矩隨靜置時(shí)間發(fā)生改變，限制了在特殊密封領(lǐng)域的應(yīng)用。通過粘性阻力矩的推導(dǎo)理論分析了影響啟動(dòng)力矩的因素，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了啟動(dòng)力矩隨靜置時(shí)間的變化規(guī)律，并使用Anton Paar MCR302流變儀對(duì)磁性液體的流變性能進(jìn)行測(cè)量來驗(yàn)證粘度變化的影響作用，最后從摩擦學(xué)角度分析了長(zhǎng)時(shí)間靜置后啟動(dòng)力矩的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：?jiǎn)?dòng)力矩隨靜置時(shí)間逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)剛停止時(shí)刻的啟動(dòng)力矩遠(yuǎn)小于靜置后的最大平均啟動(dòng)力矩。磁性液體粘度是影響啟動(dòng)力矩發(fā)生變化的關(guān)鍵因素，剪切稀化和團(tuán)聚現(xiàn)象是引起變化的本質(zhì)原因，接觸面的靜摩擦作用是導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間靜置后啟動(dòng)力矩仍會(huì)有微小增大的原因。

啟動(dòng)力矩； 氟醚油基； 磁性液體； 旋轉(zhuǎn)密封； 磁粘效應(yīng)； 流變性； 實(shí)驗(yàn)分析； 靜摩擦作用

磁性液體作為一種新型功能材料，用于密封具有零泄漏、長(zhǎng)壽命、無(wú)污染和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)[1]。自20世紀(jì)60年代美國(guó)NASA宇航局的S.S.Papell博士首次成功制成性能穩(wěn)定的磁性液體并隨之用于密封裝置后[2-3]，經(jīng)過短短幾十年的發(fā)展，磁性液體已被許多國(guó)家廣泛應(yīng)用于真空、軍工、航空航天、化工、能源等密封領(lǐng)域[4-6]。然而，隨著科技的進(jìn)步磁性液體在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用中越來越多地遇到高低溫、酸堿性和輻射性的密封環(huán)境。氟醚油基磁性液體相比傳統(tǒng)磁性液體因具有較高的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠很好地應(yīng)用于上述苛刻的密封環(huán)境。至今，氟碳化合物基磁性液體僅有美國(guó)、俄羅斯和德國(guó)等極少數(shù)國(guó)家制備成功，在該領(lǐng)域還有很多理論和應(yīng)用問題亟待探索。國(guó)外有關(guān)氟碳化合物基磁性液體的制備和應(yīng)用對(duì)國(guó)內(nèi)始終保持技術(shù)封鎖狀態(tài)，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的公開性報(bào)道更是屈指可數(shù)。近些年，北京交通大學(xué)磁性液體研究所對(duì)氟碳化合物基磁性液體(主要以氟醚油基磁性液體為主)的制備及應(yīng)用進(jìn)行了初步研究[7-8]。但是對(duì)于氟醚油基磁性液體在轉(zhuǎn)軸密封應(yīng)用中的理論和實(shí)驗(yàn)研究都很不成熟，急需對(duì)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行深入探索，為進(jìn)一步推廣其在重要密封場(chǎng)合的應(yīng)用提供理論和實(shí)踐參考。啟動(dòng)力矩作為影響磁性液體在轉(zhuǎn)軸密封領(lǐng)域應(yīng)用的重要因素之一，它的變化很可能會(huì)影響密封設(shè)備的正常運(yùn)行或操作，造成難以估計(jì)的后果。因此，李德才等對(duì)低溫大直徑下機(jī)油基磁性液體密封的啟動(dòng)扭矩進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究[9]，探討了影響啟動(dòng)扭矩的因素但并沒有對(duì)其觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行理論分析。何新智等則實(shí)驗(yàn)研究了影響酯基磁性液體密封啟動(dòng)力矩的因素[10]，從屈服應(yīng)力的角度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了定性分析，但對(duì)啟動(dòng)力矩的變化過程及整體變化趨勢(shì)研究不充分，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論分析也不夠深入。本文則對(duì)氟醚油基磁性液體轉(zhuǎn)軸密封的啟動(dòng)力矩進(jìn)行了較為充分的實(shí)驗(yàn)研究，得到了普適性的變化規(guī)律及較全面深入的理論分析。

1 磁性液體密封的阻力矩分析

磁性液體密封中雖然沒有固體之間的接觸摩擦，但具有一定粘度的磁性液體在間隙內(nèi)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)仍需要克服粘滯阻力矩。在密封間隙處與磁性液體內(nèi)柱面接觸的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，與外柱面接觸的極靴靜止，類似內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)、外筒靜止的模型，如圖1所示。

圖1 二維模型示意圖Fig.1 Diagram of two-dimensional model

那么，其切向速度的分析解為

(1)

在圓柱坐標(biāo)系中，Vr=0,Vz=0,Vθ=u，根據(jù)Navier-Stokes方程得到一維流動(dòng)的粘性剪切應(yīng)力：

(2)

由式(2)得到作用在內(nèi)柱面上的粘性阻力矩為

(3)

式中：η表示磁性液體的動(dòng)力粘度，Pa·s；ω表示轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；l表示磁性液體與轉(zhuǎn)軸實(shí)際接觸的軸向總長(zhǎng)度，m；r1表示轉(zhuǎn)軸半徑，m；r2表示極靴的內(nèi)徑，m。

通過對(duì)阻力矩表達(dá)式(3)的分析得出，影響磁性液體密封阻力矩的因素除與客觀條件(角速度ω、半徑r1和r2)有關(guān)，主要與變量η和l有關(guān)。影響l的因素包括密封級(jí)數(shù)和磁性液體注入量，因?yàn)槊芊饧?jí)數(shù)越多，磁性液體注入量越大，間隙處磁性液體與轉(zhuǎn)軸實(shí)際接觸的總長(zhǎng)度l越長(zhǎng)，接觸表面積越大，磁性液體密封啟動(dòng)時(shí)需要克服的阻力矩越大。因此，通過對(duì)公式的推導(dǎo)和變量的分析不難解釋密封級(jí)數(shù)和磁性液體注入量對(duì)氟醚油基磁性液體轉(zhuǎn)軸密封啟動(dòng)阻力矩的影響，這與文獻(xiàn)[9-10]的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果吻合。然而，磁性液體粘度η作為影響阻力矩的另一主要因素，它的變化與磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度、剪切速率等有關(guān)，而且在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下有著復(fù)雜的變化機(jī)理。因此，文中將著重研究粘度對(duì)氟醚油基磁性液體密封啟動(dòng)力矩的影響作用。

2 實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

測(cè)量磁性液體轉(zhuǎn)軸密封啟動(dòng)力矩的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，包括驅(qū)動(dòng)段和實(shí)驗(yàn)段。驅(qū)動(dòng)段由變頻器、開關(guān)電源、操作控制屏、電動(dòng)機(jī)和聯(lián)軸器等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)可調(diào)可控地帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；實(shí)驗(yàn)段由數(shù)顯拉力計(jì)(型號(hào)為ALIYIQI-SF-5)、過渡板、導(dǎo)軌、角鋁板、底座、周向支架、密封裝置和軸承支座等組成，達(dá)到測(cè)量密封裝置啟動(dòng)力矩的目的。每次測(cè)量在室溫下(25 ℃)進(jìn)行，將磁性液體密封裝置以200 r/min 旋轉(zhuǎn)10 min后停止，旋轉(zhuǎn)剛結(jié)束的瞬間記為t0，測(cè)量并記錄下t0時(shí)刻的啟動(dòng)力矩，再將旋轉(zhuǎn)停止后的密封裝置靜止放置，測(cè)量不同靜置時(shí)間后的啟動(dòng)力矩。測(cè)量過程緩慢勻速地拉動(dòng)測(cè)力計(jì)帶動(dòng)密封裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，近似視為準(zhǔn)靜態(tài)過程。

1.數(shù)顯拉力計(jì)，2.過渡板，3.導(dǎo)軌，4.角鋁板，5.變頻器，6.開關(guān)電源，7.操作控制屏，8.底座，9.發(fā)電機(jī)，10.聯(lián)軸器，11.周向支架，12.密封裝置，13.軸承支座.圖2 測(cè)量磁性液體轉(zhuǎn)軸密封啟動(dòng)力矩的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Diagram of experimental device for measuring starting torque of magnetic fluid rotating shaft seal

磁性液體密封裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。左右極靴、永磁體和磁性轉(zhuǎn)軸形成閉合磁路，直徑為9mm的轉(zhuǎn)軸和極靴之間的密封間隙Lg=0.1 mm，在與極靴相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)軸上開有矩形齒槽，極齒數(shù)量為24，齒寬Lt=0.2 mm、齒高Lh=0.7 mm、齒槽寬Ls=0.8 mm(見局部放大圖)，在極靴與轉(zhuǎn)軸的間隙處注入磁性液體，由于極齒處磁場(chǎng)較強(qiáng)，磁性液體在齒頂部形成“O”形密封圈。

1.端蓋,2.外殼,3.軸承,4.左極靴,5.永磁體,6.右極靴,7.密封圈,8.隔磁環(huán),9.轉(zhuǎn)軸.圖3 磁性液體密封裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of magnetic fluid sealing device

實(shí)驗(yàn)中密封裝置的間隙處注入的為氟醚油基磁性液體，其密度為2.14 g/cm3，飽和磁化強(qiáng)度為26.27 kA/m。磁性液體的粘度由于受到諸多因素的影響[11]，使用Anton Paar MCR302流變儀對(duì)氟

醚油基磁性液體的磁粘性能及粘溫性能進(jìn)行了測(cè)量。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 啟動(dòng)力矩隨靜置時(shí)間的變化關(guān)系

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了氟醚油基磁性液體轉(zhuǎn)軸密封在靜置不同時(shí)間后的啟動(dòng)力矩，如圖4、5所示。圖4(a)顯示的是從t0時(shí)刻開始靜置不同分鐘(10、20、30、40、50、60min)后啟動(dòng)力矩的變化情況，圖4(b)顯示的是從t0時(shí)刻開始靜置不同小時(shí)(1、3、6、9、12、15、18、21、24 h)后啟動(dòng)力矩的變化情況。根據(jù)圖4顯示的結(jié)果可以看出在短時(shí)間靜置過程中，啟動(dòng)力矩隨靜置時(shí)間的增加而逐漸增大，并且有一直保持增大的趨勢(shì)。靜置1 h后的啟動(dòng)力矩大約相當(dāng)于t0時(shí)刻啟動(dòng)力矩的2倍，靜置1d后的啟動(dòng)力矩約等于靜置1h后啟動(dòng)力矩的2倍。

圖5顯示的是氟醚油基磁性液體轉(zhuǎn)軸密封的啟動(dòng)力矩隨不同靜置天數(shù)的變化曲線。圖5(a)表示的是從t0時(shí)刻到靜置15d內(nèi)每隔1d測(cè)量得到的啟動(dòng)力矩變化值，圖5(b)表示的是從t0時(shí)刻到靜置30 d內(nèi)每隔5 d測(cè)量得到的啟動(dòng)力矩變化值。從圖5(a)中可以看出在靜置的前5 d內(nèi)啟動(dòng)力矩隨時(shí)間顯著增大，靜置5 d后啟動(dòng)力矩隨靜置天數(shù)的增加出現(xiàn)微小的增大趨勢(shì)并最終逐漸穩(wěn)定。圖5(b)更加清晰的表現(xiàn)了這一變化規(guī)律，結(jié)果顯示靜置25 d或30 d后的啟動(dòng)力矩與靜置5 d后的啟動(dòng)力矩相差不大，認(rèn)為靜置5 d后啟動(dòng)力矩基本趨于穩(wěn)定并達(dá)到飽和狀態(tài)，其最大值取平均值35.5 mN·m。圖5還顯示了每次測(cè)量中旋轉(zhuǎn)剛停止t0時(shí)刻的啟動(dòng)力矩，結(jié)果表明t0時(shí)刻的啟動(dòng)力矩相對(duì)很小，其平均值3.45mN·m約為最大啟動(dòng)力矩的1/10。

圖4 啟動(dòng)力矩隨不同靜置時(shí)間的變化關(guān)系Fig.4 Relation between starting torque and different standing time

2.2.2 氟醚油基磁性液體的磁粘特性

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了溫度為25 ℃，剪切速率分別為10、100、300、500、700、900s-1時(shí)氟醚油基磁性液體的粘度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線，如圖6所示。從圖中可以觀察到在同一溫度同一剪切速率下，磁性液體的粘度開始隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增大并逐漸趨于平緩，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大到一定值以后(0.6T時(shí))粘度不再增大，此時(shí)認(rèn)為粘度已經(jīng)達(dá)到最大飽和值。對(duì)比不同剪切速率下的磁粘曲線發(fā)現(xiàn)剪切速率越小，磁性液體的粘度隨磁場(chǎng)變化的趨勢(shì)越明顯，粘度值越大，粘度值達(dá)到飽和時(shí)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度也越大。進(jìn)一步對(duì)比磁性液體的粘度與剪切速率的變化關(guān)系，如圖7所示，表示的是在0.6T的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，溫度分別為10 ℃、25 ℃時(shí)氟醚油基磁性液體的粘度隨剪切速率的變化曲線。結(jié)果顯示磁性液體的粘度會(huì)隨剪切速率的增大而減小并逐漸趨于平緩，在低剪切速率(小于100s-1)下粘度減小趨勢(shì)明顯，在高剪切速率(大于300s-1)下粘度隨剪切速率減小的趨勢(shì)逐漸緩慢，當(dāng)剪切速率足夠大時(shí)(大于700s-1)粘度的變化非常小并趨于穩(wěn)定，此時(shí)認(rèn)為粘度不再隨剪切速率的增大而減小。

圖5 啟動(dòng)力矩隨靜置天數(shù)的變化關(guān)系Fig.5 Relation between starting torque and standing days

圖6 溫度為25 ℃時(shí)，不同剪切速率下氟醚油基磁性液體的磁粘曲線Fig.6 The magnetoviscous curve of perfluoro polyethers-based magnetic fluid at 25 ℃ for different shear rates

圖7 磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.6 T時(shí)，氟醚油基磁性液體的粘度與剪切速率的變化曲線Fig.7 Relation between viscosity of perfluoro polyethers-based magnetic fluid and shear rate when the magnetic flield strength is 0.6 T

2.2.3 氟醚油基磁性液體的粘溫特性

磁性液體的粘度除受到磁場(chǎng)強(qiáng)度和剪切速率的影響外，還隨溫度發(fā)生變化。如圖8所示，測(cè)量了磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.6T，剪切速率分別為100、900s-1時(shí)氟醚油基磁性液體的粘度隨溫度的變化曲線。圖中顯示的結(jié)果表明磁性液體的粘度會(huì)隨溫度的升高而逐漸減小，當(dāng)溫度較低(10 ℃以下)時(shí)磁性液體的粘度隨溫度下降的速率很快，當(dāng)溫度較高(大于25 ℃)時(shí)磁性液體的粘度隨溫度下降的趨勢(shì)變得緩慢，溫度越高，磁性液體的粘度受溫度的影響越小。

圖8 磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.6 T時(shí)，氟醚油基磁性液體的粘溫曲線Fig.8 The viscosity-temperature curve of perfluoro polyethers-based magnetic fluid when the magnetic field strength is 0.6 T

3 結(jié)果分析與討論

磁性液體轉(zhuǎn)軸密封的啟動(dòng)力矩除與密封級(jí)數(shù)、磁性液體注入量有關(guān)(在第1節(jié)中提到并進(jìn)行了分析解釋)，主要隨靜止放置的時(shí)間發(fā)生變化。本節(jié)通過分析氟醚油基磁性液體密封啟動(dòng)力矩隨靜置時(shí)間的變化結(jié)果，從磁粘效應(yīng)和摩擦學(xué)的角度討論影響啟動(dòng)力矩發(fā)生變化的原因及相關(guān)機(jī)理。

3.1 磁粘效應(yīng)對(duì)磁性液體密封啟動(dòng)力矩的影響

3.1.1 團(tuán)聚現(xiàn)象對(duì)磁性液體密封啟動(dòng)力矩的影響

根據(jù)對(duì)圖6顯示的磁性液體磁粘關(guān)系的分析，可以用磁性顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象來解釋引起這一現(xiàn)象的原因，而團(tuán)聚現(xiàn)象導(dǎo)致磁性液體粘度增大進(jìn)而影響了磁性液體密封的啟動(dòng)阻力矩。實(shí)驗(yàn)所用氟醚油基磁性液體中的固體顆粒體積分?jǐn)?shù)較高，磁性顆粒之間的相互作用會(huì)對(duì)磁性液體的磁粘效應(yīng)產(chǎn)生重要影響，符合俄羅斯學(xué)者Andrey Zubarev提出的雙分散模型[12]來描述磁性液體中出現(xiàn)凝聚態(tài)時(shí)表現(xiàn)出的流變學(xué)性質(zhì)。在外加磁場(chǎng)的作用下，磁性液體中直徑較大的磁性顆粒之間相互作用會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，形成鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得磁性液體的屈服應(yīng)力變大，導(dǎo)致流動(dòng)的阻礙變大，宏觀上表現(xiàn)為磁性液體的粘度變大。根據(jù)偶極子鏈?zhǔn)芾熳饔玫哪Ｐ停判砸后w的屈服應(yīng)力[13]為

(4)

式中：nt表示單位面積的鏈數(shù)，μ0表示真空磁導(dǎo)率，r表示固相顆粒的平均半徑，md表示固相顆粒的平均磁矩。因此，磁性液體中形成的鏈狀結(jié)構(gòu)越多，屈服應(yīng)力越大，流動(dòng)所受的阻礙也就越大。同時(shí)，鏈的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，鏈的方向與磁性液體流動(dòng)方向的夾角越大，鏈狀結(jié)構(gòu)對(duì)磁性液體流動(dòng)的阻礙作用就會(huì)越大，磁性液體的粘度也就越大。在磁場(chǎng)作用下，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，鏈狀結(jié)構(gòu)逐漸增加且變長(zhǎng)，粘度隨之逐漸變大，但是當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值后磁性顆粒團(tuán)聚達(dá)到最大程度，鏈狀結(jié)構(gòu)不再增加，粘度達(dá)到最大飽和值。

上述團(tuán)聚現(xiàn)象引起的磁性液體粘度變化趨勢(shì)恰好符合圖4、5顯示的磁性液體密封啟動(dòng)力矩隨靜置時(shí)間的變化規(guī)律。磁性液體轉(zhuǎn)軸密封停止旋轉(zhuǎn)后，磁性液體中直徑較大的磁性顆粒受到磁場(chǎng)和重力場(chǎng)的作用開始發(fā)生沉降形成聚集體，聚集體尺寸增大使得熱運(yùn)動(dòng)減弱，團(tuán)聚現(xiàn)象逐漸明顯并形成更多更大的鏈狀或水滴狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磁性液體的屈服應(yīng)力逐漸增大，對(duì)流動(dòng)的阻礙作用變大，因此磁性液體的粘度會(huì)逐漸增大進(jìn)而造成啟動(dòng)力矩逐漸變大，與圖5顯示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。靜置時(shí)間越長(zhǎng)，磁性液體中大直徑顆粒的沉降越充分，當(dāng)靜置足夠長(zhǎng)時(shí)間后，磁性顆粒沉降充分，團(tuán)聚物不再增加，因此磁性液體密封的啟動(dòng)力矩最終隨靜置時(shí)間趨于穩(wěn)定，與圖5的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吻合。圖4、5反過來也說明了磁性顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象是一個(gè)緩慢發(fā)生的過程，而在常溫強(qiáng)磁場(chǎng)作用下氟醚油基磁性液體中磁性顆粒沉降充分的時(shí)間為5d。

磁性顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象同樣可以用來解釋圖8觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并推測(cè)溫度對(duì)磁性液體密封啟動(dòng)力矩的影響。溫度升高后基載液中的液體分子Brown運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致磁性顆粒的熱運(yùn)動(dòng)也會(huì)增強(qiáng)，固相顆粒之間的吸引力[13]減小：

(5)

式中：Ca表示吸引能系數(shù)，r代表顆粒間質(zhì)心距離，d代表固體顆粒的直徑，n=6，負(fù)號(hào)代表吸引力。當(dāng)溫度升高后，固體顆粒之間的相互碰撞加劇，吸引力逐漸減小導(dǎo)致其形成的鏈狀結(jié)構(gòu)在高溫下被破壞，故磁性液體的粘度降低，磁粘效應(yīng)減弱，隨之引起磁性液體轉(zhuǎn)軸密封的啟動(dòng)力矩變小。但是，溫度對(duì)氟醚油基磁性液體粘度的影響僅在溫度較低時(shí)比較明顯，當(dāng)溫度較高時(shí)粘度變化不再顯著，因此，室溫條件下升高溫度對(duì)啟動(dòng)力矩的影響較小。

3.1.2 剪切稀化對(duì)磁性液體密封啟動(dòng)力矩的影響

圖7顯示了磁性液體的粘度隨剪切速率的變化規(guī)律，引起這一現(xiàn)象的原因可以看作是剪切稀化作用。磁性液體所受剪切力遵守牛頓定律：

(6)

當(dāng)剪切速率D增大時(shí)，剪切應(yīng)力τ也增加。磁場(chǎng)作用下，磁性液體受到剪切力的作用，偶極子長(zhǎng)鏈斷裂成較短的鏈，剪切速率越大，磁性液體中的鏈狀結(jié)構(gòu)破壞越徹底，破碎后的微結(jié)構(gòu)尺寸越小，那么對(duì)磁性液體流動(dòng)的阻礙作用越小，宏觀表現(xiàn)出的磁性液體粘度變小。當(dāng)剪切速率增大到一定值后，磁性液體中的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)基本上被完全破壞，磁性顆粒均勻分散，此時(shí)再增大剪切速率也不會(huì)使粘度降低。

靜置前氟醚油基磁性液體密封裝置以200 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，磁性液體受到的剪切速率大于900 s-1，在高剪切速率的影響下基本很難形成穩(wěn)定的長(zhǎng)鏈或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，磁性顆粒較均勻的分散于基載液中，此時(shí)磁性液體粘度相對(duì)很小。在剛停止旋轉(zhuǎn)的t0時(shí)刻磁性液體因受慣性作用會(huì)暫時(shí)受剪切速率影響并保持原有分散狀態(tài)，因此t0時(shí)刻磁性液體密封的啟動(dòng)力矩遠(yuǎn)小于靜置一段時(shí)間后的啟動(dòng)力矩，且每次測(cè)量值基本不變，符合圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)牛頓第二定律，單位體積的慣性力計(jì)算式：

(7)

式中：ρ表示磁性液體密度;v表示旋轉(zhuǎn)線速度；t表示加速度從a變?yōu)榱阈枰臅r(shí)間，即磁性液體從運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥耆o置狀態(tài)所需的時(shí)間。

3.2 其他因素對(duì)磁性液體密封啟動(dòng)力矩的影響

根據(jù)圖5的結(jié)果顯示磁性液體轉(zhuǎn)軸密封的啟動(dòng)力矩雖然在靜置5 d后變化非常小且基本趨于穩(wěn)定，但隨著時(shí)間的持續(xù)增加仍有微小的增長(zhǎng)趨勢(shì)。這一現(xiàn)象顯然不能單從磁性顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象解釋，還與靜摩擦有關(guān)，需從摩擦學(xué)角度進(jìn)行解釋。在微觀層面上，兩個(gè)相對(duì)光滑的表面接觸時(shí)，分子間主要作用以相互引力為主，靜止接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，分子間相互吸引的分子對(duì)數(shù)越多，平均相互作用力越大。根據(jù)二項(xiàng)式摩擦定理[14]，即：

(8)

式中：F代表摩擦力；α表示由摩擦表面的物理性質(zhì)(分子吸引力)所決定的系數(shù)；β表示機(jī)械性質(zhì)決定的系數(shù)，一般為常數(shù)；Ar表示實(shí)際接觸面積；表示直壓力。

當(dāng)磁性液體轉(zhuǎn)軸密封裝置停止旋轉(zhuǎn)后，磁性液體與轉(zhuǎn)軸的靜止接觸時(shí)間越長(zhǎng)，形成的分子對(duì)和化學(xué)鍵越多，接觸面間的物理和化學(xué)吸引力越大，即α越大，產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所需克服的摩擦力越大，那么導(dǎo)致啟動(dòng)阻力矩就會(huì)越大，直到靜止接觸足夠長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)趨于飽和狀態(tài)。但是這一增大趨勢(shì)較小，宏觀考慮時(shí)可以忽略。

4 結(jié)論

1)密封級(jí)數(shù)和磁性液體注入量影響了磁性液體與轉(zhuǎn)軸實(shí)際接觸的軸向長(zhǎng)度，進(jìn)而影響了磁性液體轉(zhuǎn)軸密封的啟動(dòng)阻力矩。

2)磁性液體密封的啟動(dòng)阻力矩隨靜置時(shí)間逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定達(dá)到近似飽和狀態(tài)。氟醚油基磁性液體密封在靜置5 d后達(dá)到最大啟動(dòng)力矩約相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)剛停止t0時(shí)刻的10倍。

3)粘度是影響磁性液體密封啟動(dòng)力矩隨靜置時(shí)間變化的重要因素，磁粘效應(yīng)是本質(zhì)原因，剪切稀化作用和團(tuán)聚現(xiàn)象是微觀影響機(jī)理。

4)靜摩擦是影響磁性液體密封啟動(dòng)力矩的因素之一。磁性液體與轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)時(shí)間接觸的微觀靜摩擦作用導(dǎo)致啟動(dòng)力矩在靜置一段時(shí)間后盡管趨于穩(wěn)定但仍有微小的增大趨勢(shì)。

5)啟動(dòng)力矩隨靜置時(shí)間的變化規(guī)律能夠?yàn)榇判砸后w密封的應(yīng)用設(shè)備提供啟動(dòng)力矩參考范圍，并通過適時(shí)的啟動(dòng)磁性液體密封裝置來保證密封設(shè)備在停車后仍然可以在限定的啟動(dòng)力矩范圍內(nèi)重新正常運(yùn)行。

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本文引用格式：

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Experimental analysis of starting torque of perfluoro polyethers-based magnetic fluid seal

CHENG Yanhong1, LI Decai1,2, DAI Rongkun1

(1.School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The starting torque of perfluoro polyethers-based magnetic fluid shaft seal varies with standing time, thereby limiting its applications in the military industry and other special sealing areas. This paper theoretically analyzed the factors that affect the starting torque through formula derivation of the viscous drag torque. An experiment bench was built to study the changing rule of the starting torque with standing time. Then, the rheological properties of the ferrofluid were measured by using an Anton Paar MCR302 rheometer to verify the influence of viscosity change on the starting torque. The variation trend of starting torque after a long standing time was studied from the viewpoint of tribology. Results show that the starting torque increases with the standing time and eventually becomes stable, and the starting torque oft0is much smaller than the largest average starting torque of standing for a period of time. The viscosity is the key factor that affects the change in the starting torque; shear thinning and agglomeration are the essential causes of the change. The static friction of the contact surface is the reason for the small increase in the starting torque after a long standing time.

starting torque; perfluoro polyethers based; magnetic fluid; rotating seal; magnetoviscous effect; rheological property; experimental analysis; static friction

2016-10-22.

日期：2017-04-28.

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2015YJS134).

程艷紅(1990-)，女，博士； 李德才(1965-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)江學(xué)者.

李德才，E-mail: dcli@bjtu.edu.cn.

10.11990/jheu.201610082

TB42

A

1006-7043(2017)08-1316-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170428.1338.030.html