磁流變液工程應(yīng)用綜述

吳坡　楊書根　華秋楊　顏杭

摘 要：磁流變液作為一種智能材料，以其響應(yīng)快、操作簡(jiǎn)單、控制精確等優(yōu)良特性，已成為智能材料發(fā)展的一個(gè)重要分支。本文綜述了磁流變液的研究現(xiàn)狀及其在工程上的部分應(yīng)用，對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：磁流變液 綜述

Review of the Magnetorheological Fluid Engineering Application

Wu Po Yang Shugen Hua Qiuyang Yan Hang

Abstract：Magnetorheological fluid， as a kind of smart material， has become an important branch of smart material development due to its excellent characteristics such as fast response， simple operation and precise control. This article summarizes the current research status of magnetorheological fluids and some of their applications in engineering， and the most active prospects for their development.

Key words：magnetorheological fluid， review

1 引言

磁流變液（MRF）是一種具有良好發(fā)展前景的智能材料。在無磁場(chǎng)的情況下，表現(xiàn)出良好的液體流動(dòng)特性;在強(qiáng)磁場(chǎng)中，它會(huì)迅速（毫秒級(jí)）地變?yōu)楣腆w，當(dāng)去掉外部磁場(chǎng)后，它又會(huì)變成液體。這種液-固-液轉(zhuǎn)換過程速度快、能耗低、且易于控制，推動(dòng)其成為智能材料發(fā)展的一個(gè)重要分支，廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航天、建筑、儀器儀表、精密加工、控制工程等領(lǐng)域。

2 磁流變效應(yīng)

由于磁流變過程響應(yīng)速度快、可逆可控，可以解決一些傳統(tǒng)材料無法解決的動(dòng)力響應(yīng)問題，磁流變液的社會(huì)關(guān)注度越來越高。

磁流變液的種種優(yōu)良特性給各行各業(yè)帶來驚喜的同時(shí)也帶來一系列的問題，即磁流變機(jī)理缺乏準(zhǔn)確的技術(shù)說明，這也就意味著磁流變液的制備和應(yīng)用沒有準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)做支撐。而現(xiàn)今對(duì)磁流變效應(yīng)現(xiàn)象的解釋多采用磁疇理論，即把磁性顆粒當(dāng)成磁性單元體，鄰近單元體間通過強(qiáng)交換耦合作用致使粒子磁矩成列，逐漸產(chǎn)生磁化飽和區(qū)域，即磁疇。在零磁場(chǎng)時(shí)，單個(gè)磁疇內(nèi)的粒子磁矩方向具有統(tǒng)一性，不同磁疇內(nèi)則不同，這樣能夠保證系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)粒子不具有磁性。在有磁場(chǎng)條件下，粒子具有磁性并形成鏈狀結(jié)構(gòu)，磁流變機(jī)理如圖1所示。

3 磁流變液的應(yīng)用

3.1 精密零件加工

在一些技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)平面工件的精度要求在納米級(jí)，大多數(shù)拋光裝置難以滿足精度要求，而能夠達(dá)到精度要求的裝置，其拋光過程難以控制。磁流變磨料流精加工（MRAFF）系統(tǒng)將磨料顆粒與磁流變液（MRF）混合，其控制裝置由一對(duì)外部電磁鐵組成，不僅解決了加工精度問題，而且使拋光過程可以通過外部裝置進(jìn)行控制。如圖2所示。

裝置如圖2所示，其中1-電磁鐵;2-固定裝置;3-拋光液;3（b）-磁性粒子;3-磨粒;4-工件;5-活塞;6-液壓控制單元。拋光系統(tǒng)中的液體是磨料顆粒和磁流變液的混合物，磨?？偸欠谴判缘模ㄈ鏢iO2）。在磁場(chǎng)作用下，磁性顆粒沿磁力線方向分布，研磨劑嵌入磁鏈中，形成體心立方結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。當(dāng)該結(jié)構(gòu)與工件表面接觸時(shí)，磁鏈頂住磨粒形成柔性磨頭，多層柔性磨頭形成像刷子一樣的結(jié)構(gòu)，該柔性刷進(jìn)而對(duì)工件表面進(jìn)行拋光。一方面，柔性刷具有粘彈性，所以在加工過程中不會(huì)損壞工件表面;另一方面，只要液壓?jiǎn)卧ぷ?，?duì)工件表面的拋光就會(huì)一直持續(xù)，最終得到表面均勻、高精度的工件;最后，由于體心立方結(jié)構(gòu)是按照磁力線分布的，這樣就使自由磨料顆粒均勻穩(wěn)定地分布在工件表面，這是傳統(tǒng)磨料加工工藝所不能做到的。

3.2 磁流變液阻尼器

如圖4所示，MRF有三種工作模式，分別是剪切模式、擠壓模式和壓力驅(qū)動(dòng)模式。

MRF阻尼器是利用磁流變液的壓力驅(qū)動(dòng)方式，一般用作減震緩沖裝置。MRF阻尼器具有輸出量大、能耗低、響應(yīng)速度快和連續(xù)的性能特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于車輛、機(jī)械施工和醫(yī)療領(lǐng)域。

MRF阻尼器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中：1-缸體，2-阻尼通道，3-磁流變液， 4-線圈，5-磁通，6-活塞，7-活塞桿。工作時(shí)，通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用在磁流變液上，磁流變液在外加磁場(chǎng)作用下形成鏈狀結(jié)構(gòu)，甚至可能形成復(fù)雜的王各莊結(jié)構(gòu)。鏈結(jié)構(gòu)的物質(zhì)是磁化粒子，其運(yùn)動(dòng)基本上與磁力線方向基本一致?；钊倪\(yùn)動(dòng)導(dǎo)致其與缸壁之間形成壓力差，該壓差作用在活塞上，產(chǎn)生一個(gè)阻尼力，這個(gè)力可以通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度來控制，從而達(dá)到不同的減震緩沖效果。

3.3 磁流變液制動(dòng)器

制動(dòng)器的主要作用是使機(jī)器或機(jī)械裝置減速或停止，是保證機(jī)械裝置正常工作的重要安全部件，磁流變液制動(dòng)器是剪切模式的應(yīng)用。與傳統(tǒng)制動(dòng)器相比，MRF制動(dòng)器具有制動(dòng)力可控;振動(dòng)、沖擊和噪聲很小;響應(yīng)速度快;使用壽命長;能耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。MRF制動(dòng)器通常有三種形式，如圖6所示，分別為：盤式、柱式和錐式。

圖7為盤式MRF制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)圖，其中：1-驅(qū)動(dòng)軸，2-制動(dòng)盤，3-線圈，4-磁通，5-磁流變液，6-殼體，7-軸承。無制動(dòng)效果時(shí)，制動(dòng)盤與驅(qū)動(dòng)軸同步旋轉(zhuǎn)，此時(shí)線圈不通電，MRF為牛頓流體，MRF的粘性力產(chǎn)生的制動(dòng)力矩幾乎為0。線圈通電時(shí)，電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下，磁流變液的磁粒子沿磁場(chǎng)方向相互吸引形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，使磁流變液從液體變?yōu)楣腆w，增加剪切應(yīng)力并對(duì)制動(dòng)盤產(chǎn)生扭矩，從而使制動(dòng)盤與驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速降低直至停轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

為了使磁流變液在工程中得到廣泛應(yīng)用，磁流變液必須穩(wěn)定可靠，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在許多問題，其中最大的問題是沉降的穩(wěn)定性，即如何使磁流變液不變質(zhì)。MRF的三種工作模式，其中剪切模式（應(yīng)用于制動(dòng)器、離合器）和壓力驅(qū)動(dòng)模式（應(yīng)用于阻尼器）的相關(guān)裝置正在逐步進(jìn)入市場(chǎng)，而擠壓模式的研究進(jìn)展緩慢。隨著時(shí)代的進(jìn)步科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相信磁流變液材料的應(yīng)用也悔越來越成熟廣泛，智能材料也會(huì)為人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步做出更多貢獻(xiàn)。

基金項(xiàng)目：2020年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：ycgy2020012

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