外磁場對(duì)磁流體油膜軸承性能影響研究

趙雅琪，王建梅，侯定邦，羅永成

(太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心;山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，太原 030024)

油膜軸承由于其承載能力大，速度范圍寬，抗沖擊性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、礦山、冶金、電力、航空航天等關(guān)鍵設(shè)備上[1-3]。重載、高溫、高速的工作環(huán)境要求軋機(jī)油膜軸承在工作過程保持運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性且不失效。軸承襯套與軋輥之間的潤滑介質(zhì)將對(duì)軸承工作性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。新型鐵磁流體潤滑油的應(yīng)用能有效地改善油膜軸承的工作性能。

磁流體是一種新型的具有磁性的液固兩相流液體，其磁性遵循電磁學(xué)規(guī)律可受磁場控制。其組成成分中的磁性顆粒尺寸極其微小，粒度基本在8～10 nm范圍之間，且只占磁流體總體積的10%以下，鐵磁流體的最終形態(tài)是一種穩(wěn)定的膠體混合物。通過合理施加外磁場作用力，鐵磁流體可保持在軸承潤滑區(qū)域，改善軸承潤滑性能，提高軸承承載能力，提高軸承運(yùn)行穩(wěn)定性。

近年來，許多專家與學(xué)者對(duì)磁流體在外磁場作用下的性能變化做了大量的研究。Tze-Chi Hsu等研究表明外磁場作用力會(huì)對(duì)軸承潤滑性能產(chǎn)生顯著影響[4-5]；Shah，R.C等通過實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)均勻磁場對(duì)軸承不產(chǎn)生任何影響[6]；Osman等采用有限差分法計(jì)算，用計(jì)算所得油膜壓力值來研究多種外加磁場模型作用于軸承是的靜態(tài)行為[7-8]；Yanjuan Z等基于Biot-Savar定理計(jì)算推導(dǎo)出一螺線管外磁場數(shù)學(xué)模型[9-10]；Wang J等研究了鐵磁流體粘度在油膜溫度、油膜壓力、磁場強(qiáng)度三種影響因素下的性能變化，發(fā)現(xiàn)油膜壓力對(duì)磁流體粘度影響相對(duì)較小，磁場強(qiáng)度的粘度增量可以改善溫度升高時(shí)的粘度下降[11-12]。

磁流體油膜軸承因其結(jié)構(gòu)、安裝問題等問題，目前大量研究仍停留在理論階段。本文基于我校大型油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)一螺線管外磁場模型，通過實(shí)驗(yàn)研究其外磁場的磁場分布以及磁流體粘度與溫度、粘度與磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)油膜工作區(qū)域外磁場強(qiáng)度最大，合理施加外磁場作用力可有效提高磁流體粘度特性改善軸承工作性能。

1 磁流體油膜軸承外磁場設(shè)計(jì)與計(jì)算

油膜軸承作為關(guān)鍵承載部件多在高速重載的惡劣工況下工作。在連續(xù)工作過程中潤滑油溫度升高，致使?jié)櫥驼扯仁艿接绊懚档?，潤滑油粘度的降低?huì)進(jìn)一步導(dǎo)致承載油膜變薄甚至發(fā)生破裂。轉(zhuǎn)軸與襯套之間無潤滑油作用，兩者之間將會(huì)相互擠壓、磨損導(dǎo)致襯套磨損、剝落從而致使軸承失效。與傳統(tǒng)潤滑方式相比，磁流體潤滑方式可以有效提高軸承潤滑性能以及其承載性能。磁流體潤滑油與傳統(tǒng)潤滑油最大的不同之處就在于其具有磁性，其磁性來源于其組成成分中的固相磁性微粒。為了有效地控制磁流體的行為，外加磁場對(duì)其施加的作用力是決定性的。合理的外部磁場能提高油膜粘度，改善油膜軸承潤滑環(huán)境，延長軸承使用壽命。本文設(shè)計(jì)了一多層密匝螺線圈為磁流體軸承提供外磁場作用力，見圖1。

圖1 螺線管實(shí)物圖Fig.1 The multilayer-turn solenoid

采用CA6140型號(hào)的車床加工螺線管，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求確定螺線管相關(guān)尺寸及特性參數(shù)，見表1。

表1 螺線管相關(guān)參數(shù)
Tab.1 The relative parameters of the solenoid

參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)線圈材料紅銅螺線管長度/mm180螺線管外半徑/mm/154線圈電阻6.2螺線管內(nèi)半徑/mm123線圈電阻率1.75e-8軸向線圈匝數(shù)85線圈直徑/mm2徑向線圈匝數(shù)14相對(duì)磁導(dǎo)率0.999979

根據(jù)Boit-Savar定理由單線圈上某一電流源推導(dǎo)得到多層密匝螺線管所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在笛卡爾坐標(biāo)系下，將螺線管所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分解至x,y，z三個(gè)方向。由于螺線管結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，周向方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0(Bz=0)，軸向與徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度公式如下[9-10]：

(1)

(2)

其中,

L——螺線管長度/m，R1——螺線管內(nèi)徑/m，μ0——相對(duì)磁導(dǎo)率，R2——螺線管外徑/m，n2——螺線管層數(shù)，n1——螺線管匝數(shù)。

2 外磁場性能實(shí)驗(yàn)研究

2.1 外磁場實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究

實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理基于霍爾效應(yīng)。當(dāng)霍爾感應(yīng)器受到磁場作用時(shí)，其中的帶電粒子因受洛倫茲力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，感應(yīng)片固體材料中的帶電粒子在與磁場垂直的方向產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚集，電荷聚集形成附加的橫向霍爾電場并將這種電場強(qiáng)度輸出為該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。實(shí)驗(yàn)裝置圖見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置Fig.2 The device of the experiment

實(shí)驗(yàn)過程通過水平尺與豎直尺來確定要測(cè)量的位置點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)霍爾感應(yīng)片的方向可分別測(cè)量出軸向與徑向方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度?；谠搶?shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，在螺線管通電電流強(qiáng)度分別為3A，4A，5A三種情況下測(cè)量通電螺線管內(nèi)部的磁場感應(yīng)強(qiáng)度。測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3為實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。(a)為螺線管內(nèi)部空間不同軸向與徑向位置處的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度。由圖可知，Bx分別關(guān)于軸向與徑向方向?qū)ΨQ，沿軸向方向呈先減小后急劇增大的變化趨勢(shì)。沿徑向方向自中心處起向兩邊逐漸減小，越靠近襯套處減小幅度越大，在襯套軸向邊緣處出現(xiàn)Bx激增情況，最大值出現(xiàn)在襯套邊緣處。(b)為螺線管內(nèi)部空間不同軸向與徑向位置處的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度。由圖可知,By沿軸向方向關(guān)于中心對(duì)稱，中心處By=0，自中心處向兩側(cè)逐漸增大，靠近襯套的區(qū)域內(nèi)增加速率較大。沿徑向方向呈數(shù)值相互對(duì)稱但方向相反的情況。最大值出現(xiàn)在襯套邊緣處。

對(duì)比圖3(a)與圖3(b)，在螺線管內(nèi)部區(qū)域內(nèi)Bx要遠(yuǎn)大于By，Bx在外磁場模型螺線管產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度中占主導(dǎo)作用。

圖3 外磁場測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 The result of the experiment

(c)為不同電流強(qiáng)度下軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比圖。(d)為不電流強(qiáng)度下徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比圖。由圖可知，軸向與徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著電流強(qiáng)度增大而增大。

如上所述，螺線管內(nèi)部區(qū)域磁場強(qiáng)度可通過調(diào)節(jié)螺線管通電電流的大小進(jìn)行控制。軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度大于徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度，起到主導(dǎo)作用，徑向磁場強(qiáng)度可忽略，這與文獻(xiàn)[9]吻合。螺線管所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度在襯套邊緣處達(dá)到最大，可起到加強(qiáng)軸承密封性能的作用。

2.2 粘溫實(shí)驗(yàn)研究

粘度是評(píng)價(jià)潤滑油性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在軸承工作過程中，潤滑油粘度指標(biāo)的變化規(guī)律對(duì)軸承工作性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。粘溫實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

根據(jù)Shilioms轉(zhuǎn)動(dòng)粘度理論，磁流體在外加磁場作用下的粘度為[13]：

ηH=ηf0+Δη=

(3)

其中，β——管流渦旋矢量與外加磁場強(qiáng)度之間的夾角，η——磁流體的粘度增量。

圖4 粘度測(cè)試系統(tǒng)示意圖

Fig.4 The test system of viscosity

圖5 不同溫度外加磁場作用下磁流體的粘度特性曲線

Fig.5 The viscosity characteristic curve of magnetic fluid under the effect of magnetic field at different temperatures

圖5所示為磁流體潤滑油粘度在磁場強(qiáng)度影響之下的變化趨勢(shì)。根據(jù)(3)理論計(jì)算溫度為30 ℃是的粘度變化值并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了磁流體在溫度為34 ℃與37 ℃時(shí)的粘度。通過對(duì)比分析，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相互吻合，并且工作溫度會(huì)對(duì)磁流體產(chǎn)生消極影響而磁場強(qiáng)度對(duì)磁流體產(chǎn)生積極影響，這種變化趨勢(shì)在一定程度上抵消了溫度對(duì)粘度所稱生的影響，提高了油膜壓力改善了軸承工作性能。

如上所述，溫度一定時(shí)隨著磁場強(qiáng)度的增加磁場區(qū)域內(nèi)的磁流體粘度增加。磁場強(qiáng)度一定時(shí)隨著溫度增加磁場區(qū)域內(nèi)的磁流體粘度減小。外磁場所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以有效地增加磁流體潤滑油粘度，提高油膜承載能力降低軸承失效率。

3 結(jié)論

(1)螺線管作為磁流體油膜軸承外磁場模型，可通過改變電流強(qiáng)度來調(diào)節(jié)外磁場所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)磁場可控性。

(2)螺線管內(nèi)部磁場強(qiáng)度呈對(duì)稱分布，軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度是徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度值的3倍，因此軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度在軸承工作過程中起主導(dǎo)作用。

(3)螺線管邊緣處磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大，能夠起到加強(qiáng)軸承的密封性。

(4)外磁場作用可以提高磁流體潤滑油的粘度，改善軸承潤滑性能，提高軸承承載能力。