磁流變液發(fā)熱機理綜述及其影響因素*

黃仕彪

(浙江工商職業(yè)技術學院，浙江寧波315012)

0 引言

磁流變液(Magneto-rheological Fluid，MRF)主要由微米級的鐵磁性顆粒、載液及穩(wěn)定劑組成不透明的懸浮液體混合物。磁流變液是一種新型可控的智能材料，具有磁流變效應，即：磁流變液在無磁場時表現(xiàn)為流動性良好的牛頓流體，施加磁場可在毫秒級時間內轉變成低流動性的半固體狀態(tài)，黏度可增加幾個數(shù)量級，表現(xiàn)出具有可控的剪切屈服強度，當磁場撤消磁流變液又能在極短時間內恢復為牛頓流體狀態(tài)。磁流變液具有極其優(yōu)良可逆的流變性能，自20世紀40年代由Rabinow J提出以來，人們進行了廣泛深入的應用研究，目前廣泛應用于車輛、建筑、橋梁等行業(yè)的減震器、阻尼器、傳動裝置、制動器、離合器等設備中[1-5]。

然而磁流變液在工作中受各種工況作用下會發(fā)熱，溫度的升高使磁流變液的材料性能發(fā)生變化，導致磁流變液的黏性、剪切屈服特性、阻尼特性等方面產生變化，使其應用的元器件的性能衰減甚至失效，降低元器件的使用壽命，大量學者對溫升理論模型進行研究，1993年白俄羅斯學者Demchuk等研究了液體的熱物理特性隨磁場的變化。1994年Weiss等對電流變液和磁流變液材料的溫度特性進行研究。Makris等利用一維能量平衡法對黏滯流體阻尼力在不同激勵下的流體溫度進行理論求解并通過試驗驗證模型的可靠性[6-7]。研究磁流變液發(fā)熱機理及其影響因素具有重要意義。

1 溫度對磁流變液及其裝置性能的影響

磁流變液的黏度隨溫度變化的關系如圖1所示，由圖1可知，當溫度從0到100攝氏度增大時，黏度緩慢逐漸變小，但溫度超過110攝氏度時，黏度逐漸增大。黏度的顯著變化將使元器件傳動工作不穩(wěn)定[8]。

磁流變液的剪切屈服應力隨溫度的變化關系如圖2所示，由圖2可見，溫度從20攝氏度增加到220攝氏度時，磁流變液的剪切屈服應力逐漸減小。此外，隨著溫度的升高，磁流變液的沉降穩(wěn)定性變差，飽和磁化強度降低[9]。

圖1 黏度與溫度關系

圖2 溫度與剪切屈服應力的關系

圖3 阻尼器結構原理圖

磁流變液阻尼器結構圖如圖3所示。溫度變化對阻尼力的影響如圖4所示，實驗測試了在-40攝氏度到125攝氏度范圍內，阻尼器在施加0 A、0.5 A、1 A電流時最大阻尼力的變化情況，隨著溫度升高，施加不同電流的磁流變阻尼器阻尼力均有所下降。溫度的升高影響了磁流變液的黏度，進而影響了磁流變減振器的阻尼力[10]。

圖4 阻尼力與溫度關系

磁流變減振器工作時阻尼力主要由黏滯阻尼力和庫倫阻尼力組成，溫度的升高，會導致黏滯阻尼力下降，進而使減振器輸出的阻尼力下降[11]。

如圖5所示的磁流變傳動裝置，該裝置的溫度與扭矩的關系如圖6所示，顯示溫升會導致磁流變傳動裝置傳遞扭矩能力略有提高。因為傳動圓盤及磁流變液受熱后膨脹，導致相對工作間隙變小，造成磁流變液受到擠壓作用引起傳遞轉矩能力增強[12]。

圖5 磁流變傳動裝置

圖6 轉矩與溫升的關系圖

2 磁流變液發(fā)熱升溫的機理

磁流變液主要有流動、剪切和擠壓三種工作模式[13-14]，根據(jù)磁流變液的物理性質及應用裝置工況不同，磁流變液發(fā)熱升溫機理也不同，引起升溫的因素可歸結為內因和外因兩類，內因主要有磁熱效應、磁流變液與接觸壁面的摩擦磨損、磁性顆粒之間相互摩擦，外因主要是周邊外部熱源傳入等。其中磁流變液與接觸壁面的摩擦磨損、磁性顆粒之間相互摩擦是磁流變液發(fā)熱的主要原因。

2.1 磁熱效應

當磁場強度改變時，磁流體的溫度也改變。即當磁流體進入較高磁場強度區(qū)域時，磁流體被加熱，即磁場強度的升高可加熱磁流體[15]。

2.2 磁流變液與接觸壁面的摩擦磨損

磁流變阻尼器屬于一種能量耗散裝置，工作中外界輸入的動能驅動具有流變性的磁流變液運動，通過磁流變液與接觸壁面摩擦磨損產生負載阻尼力，即動能轉換為熱能耗散，導致磁流變液溫度升高。

在圖5的磁流變傳動裝置結構中，左右兩個傳動軸之間充滿磁流變液，當線圈中沒有輸入電流，即無外加磁場H時磁流變液為液態(tài)，磁流變液的黏性較小，無法傳遞兩傳動軸的扭矩；但是當在線圈中輸入電流時，兩傳動軸之間的磁流變液產生外加磁場H，磁流變液瞬間由液態(tài)變成半固態(tài)，此時磁流變液黏性較大，在磁流變液部分屈服的情況下，依靠剪切應力主動軸可以帶動從動軸傳遞轉矩，驅動負載轉動，主動軸端面與半固態(tài)的磁流變液、磁流變液與周邊接觸的壁面、磁流變液與從動軸端面之間存在摩擦或滑差，甚至磁流變液發(fā)生壁面滑移現(xiàn)象，工作中將產生大量熱量[8，12，16]。

大滑差功率下磁流變傳動裝置發(fā)熱嚴重，這對其工作穩(wěn)定性和使用壽命造成非常不利的影響，國內外學者提出一些散熱措施。美國亞利桑那大學Dogrouz采用在外殼上安裝散熱片的方式來提高散熱效率，重慶大學鄭軍采用一種回轉熱管吸收熱量。中國礦業(yè)大學王道明采用雙水冷散熱方式[14]。

摩擦磨損主要發(fā)生在磁流變液與壁面接觸部分的微觀現(xiàn)象和動態(tài)過程，磁流變液的摩擦磨損原理圖如圖7所示。當摩擦顆粒主體與壁面大多為金屬時，磨損表面形貌主要表現(xiàn)為磨料磨損、黏著磨損、侵蝕磨損和疲勞磨損，其中磨料磨損、黏著磨損和疲勞磨損為磁流變液的主要磨損形式。在磨料磨損中，摩擦副表層在磁性顆粒的切削、犁溝作用下出現(xiàn)明顯的溝槽。當磁流變液在器件周期性工作時，摩擦副受到載荷作用并周期性發(fā)熱[17]。

2.3 磁性顆粒之間相互摩擦

磁流變液在液態(tài)或黏性流動工作時，磁性顆粒之間存在相互摩擦發(fā)熱，有關研究文獻資料相對較少，有待進一步深入研究。

圖7 磁流變液的摩擦磨損原理圖

2.4 周邊外部熱源傳入

勵磁線圈通電后的電阻、磁阻等發(fā)熱，軸承、傳動軸等部件旋轉運動時摩擦發(fā)熱，磁流變液器件外部高溫環(huán)境的熱量等等，都會傳遞給磁流變液使其升溫。

3 影響磁流變液發(fā)熱的因素

通過總結分析文獻資料有關磁流變液發(fā)熱機理，影響磁流變液發(fā)熱的因素有許多，主要有：磁場強度、磁流變液與固體壁面的表面接觸情況、磁流變液裝置的工作環(huán)境熱源等。根據(jù)帕斯卡原理，當磁流變液的壓強增大時，磁流變液與接觸壁面之間正壓力增大，磁流變液內部磁性顆粒之間的作用力也增大，此時磁流變液與接觸壁面摩擦磨損、磁性顆粒之間相互摩擦將更加劇烈，因此磁流變液的壓強將影響磁流變液的發(fā)熱，但相關研究文獻比較少，需進一步研究明確結論。

4 結論

4.1 在磁流變減振器中，磁流變液在沒有變成固體狀態(tài)時具有流體性質，在工作中表現(xiàn)為流動模式，此時磁流變液與固體壁面之間的摩擦力受流體壓強影響較大，從摩擦發(fā)熱角度引起能量消耗角度分析，磁流變液的壓強變化影響磁流變液發(fā)熱，是否會進一步影響減振效率問題，目前這方面的研究資料比較少，有待進一步深入研究。

4.2 在磁流變傳動裝置中，磁流變液的壓強越高，半固態(tài)的磁流變液的磁性顆粒之間作用力增大，是否會影響剪切屈服應力有待進一步研究明確。此外，磁流變液作用在傳動軸端面的壓強越大，是否有利于提高傳遞轉矩，有待進一步深入研究。

4.3 磁流變液工作一段時間后，磁性顆粒會磨損變小，與之接觸的固體壁面表層也會磨損劃傷，磁流變液的壓強大小是否會對壁面滑移現(xiàn)象產生影響，需要做進一步比較研究。