曳引電梯磁流制動器的磁流變液摩擦學性能分析

陳 郴，李雨錚，黃 惠，陳凱峰，陳淑梅

(福州大學a. 機械工程及自動化學院；b.流體動力與電液智能控制福建省高校重點實驗室，福州350108)

磁流變液是一種能量消耗少，無環(huán)境污染的智能材料，其流變效應使其具有毫秒級響應時間和良好的實時可控性，并能應用于由外加磁場控制的器件[1-3]。其中磁流變制動裝置是一種較為理想的動力制動器件,該技術為電梯曳引制動裝置性能改善與優(yōu)化提供了新的思路。然而，磁流變液中磁性顆粒存在的摩擦磨損，導致摩擦系數(shù)不斷增大的問題也不可忽視。磁流變液在制動過程中引起運動部件的磨損直接關系到器件密封問題，且內(nèi)部磁性顆粒的自磨損決定了磁流變液的使用壽命[4]。因此，磁流變液摩擦性能成為影響磁流變液器件發(fā)展和應用的關鍵因素。目前國內(nèi)外學者主要通過對磁流變液組成中的分散相與添加劑以及磁流變液邊界潤滑接觸條件進行研究，分析磁流變液的摩擦磨損特性。

磁流變液中的分散相為磁性顆粒，作為比較堅硬的成分對磁流變液的摩擦磨損起到重要的作用。胡志德等[5]研究不同類型羰基鐵粉的磁流變液摩擦性，通過利用四球摩擦磨損試驗機進行實驗發(fā)現(xiàn)，含磷化型羰基鐵粉在硅油基和礦物油磁流變液中都表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦性能。Song等[6-7]研究顆粒含量和磁場對磁流變液摩擦學行為的影響，發(fā)現(xiàn)在無磁場的作用下，顆粒含量高的磁流變液的摩擦磨損性能比顆粒含量低的差，而在磁場作用下則效果相反。Upadhyay[8]研究了片狀磁性顆粒磁流變液摩擦學，發(fā)現(xiàn)顆粒表面的磨損顆粒在片狀顆粒之間起潤滑作用，減少顆粒間的摩擦。

同時,在磁流變液中加入添加劑對其摩擦性也具有一定的影響。其中文獻[9-10]通過加入添加劑對磁流變液進行改性，發(fā)現(xiàn)改進型磁流變液在高負荷、低滑動速度下的潤滑效果優(yōu)于普通型，表現(xiàn)出更好的摩擦學性能。胡志德等[11-12]選擇高嶺土和納米二氧化硅作為觸變劑，制備磁流變液，發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅在磁流變液中的抗磨性能優(yōu)于高嶺土。楊健健等[13]以不同粒徑的二氧化硅作為觸變劑，制備磁流變液，發(fā)現(xiàn)含有平均粒徑為100 nm的二氧化硅粒子的磁流變液有良好的摩擦性能。還有不少學者研究磁流變液在邊界潤滑接觸條件下的磨損特性，Sohn等[14]使用銷盤式摩擦試驗機，發(fā)現(xiàn)鋁銅銷的磨損率比鋼銷大。Zhang等[15-16]研究磁流變液在不同涂層表面的摩擦特性，結果表明，類金剛石摩擦系數(shù)大于聚四氟乙烯。

以上研究證明了分散相與添加劑及邊界潤滑接觸條件均會對磁流變液的摩擦磨損特性產(chǎn)生影響，并在這方面取得了一定的成果。其中利用材料涂層改變邊界接觸條件與顆粒改性成本較高，改變顆粒形狀及大小會在一定程度上使磁流變液效應減少，而添加劑種類豐富，通過選用不同的添加劑可以避免以上兩種方法出現(xiàn)的問題，并具有不同的減摩效果。

電梯制動裝置采用磁流變液作為工作介質,需要具備以下特征：明顯的磁流變效應、良好的物理穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性與摩擦學性能。目前，所使用的磁流變液摩擦學性能并不能良好地滿足使用條件，需要配制適用于曳引電梯制動裝置的磁流變液，同時能在長時間工作時保持材料性能的穩(wěn)定性。通過使用添加劑能有效提高摩擦學性能，以往研究尚未在磁流變液中分別添加石墨和油脂，對其流變性能進行對比分析，并模擬磁流變液在曳引電梯制動裝置中的工作狀態(tài)進行摩擦實驗測試，對其摩擦性能進行對比分析。因此，筆者通過選擇具有良好性價比的石墨和油脂作為添加劑，配制不同比例添加劑的磁流變液，利用四球摩擦試驗機模擬電梯正常運行的工況下，記錄摩擦系數(shù)變化，同時采用影像顯微鏡觀測磨斑大小，分析磁流變液的摩擦磨損特性，并對摩擦前后磁流變液的性能進行分析，探究石墨和油脂添加劑對磁流變液的摩擦學性能的影響，以及摩擦磨損對磁流變液的流變性能的影響，為磁流變液的選用提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 磁流變液材料準備

以體積分數(shù)為35%，型號為GH-MRF-350的磁流變液作為編號1，其性能參數(shù)如表1所示，具有良好的耐磨性和使用壽命，滿足磁流變液在模擬電梯工況下的摩擦實驗需求。在編號1為基礎的條件下，添加不同配比的石墨及油脂，如表2所示，利用顆粒均質儀對其進行攪拌混合分散，制備不同磁流變液。

表1 GH-MRF-350磁流變液的性能參數(shù)

表2 磁流變液額外添加劑成分

1.2 實驗測試方法

在進行摩擦測試前，采用安東帕公司里具有磁流變模塊的MCR-302流變儀設備，如圖1(a)為MCR-302流變儀測試主機，圖1(b)為流變儀測試模塊結構圖，對不同樣品磁流變液進行性能測試。在溫度40 ℃，剪切速率400 s-1，磁場強度范圍在0～0.8 T的條件下，測試磁流變液的剪切應力τ與磁感應強度B之間的關系。在溫度40 ℃，磁場強度0 T，剪切速率范圍在0～400 s-1的條件下，測試磁流變液的黏度與剪切速率之間的關系。

圖1 流變儀及其測試模塊圖Fig. 1 Rheometer and the test module diagram

其次，采用廈門天機自動化有限公司生產(chǎn)的多功能四球摩擦磨損試驗機(型號MS-10A)，使用直徑大小為12.7 mm，硬度為HRC58-62的GCrl5標準試球，對不同磁流變液進行摩擦實驗測試。如圖2所示，其中圖2(a)為天機四球摩擦試驗機的四球摩擦模塊；圖2(b)為四球摩擦試驗機結構原理圖，由底部3個固定試球以及夾頭上的旋轉試球組成，磁流變液填充在其間隙中，通過旋轉夾頭上的試球進行實驗。

圖2 四球摩擦磨損實驗機Fig. 2 Four ball friction and wear tester

磁流變液經(jīng)過摩擦實驗1之后，在MCR302流變儀相同的實驗條件下進行性能測試，對摩擦前后的流變性能進行對比分析。

2 結果與討論

2.1 磁流變液摩擦實驗結果

通過摩擦實驗1測試，選取同一個位置的鋼球，采用高倍影像顯微鏡進行觀測，拍攝到各個編號的磁流變液，在100 N的作用力下摩擦后的試球磨斑直徑，如圖3所示。從圖3中試球磨斑全貌可以看出，磨痕遍布整個磨斑，密布于溝槽之間的細小顆粒即為羰基鐵顆粒。由此可知，羰基鐵粉是磁流變液摩擦過程的主要成分，主要表現(xiàn)在對摩擦表面上的磨粒磨損。摩擦的機理為犁溝效應，當硬金屬的粗糙峰鑲入在軟金屬上后，在滑動的過程中推擠軟金屬，使之塑性流動并犁出一條條的溝槽。其中編號1磁流變液磨斑直徑為0.453 mm，編號2磁流變液的磨斑直徑是0.398 mm，編號3磁流變液的磨斑直徑是0.409 mm，編號4為0.433 mm?？梢钥闯?，在摩擦力不大的作用下，有添加額外添加劑的磁流變液磨斑直徑都相對減小，其中編號2減小了12%，編號3和編號4分別減小了9%與4%。由此可以得出，加入添加劑后對磁流變液的磨損具有改善的作用。

圖4是在載荷100 N作用下，并進行多次實驗求均的磁流變液的摩擦系數(shù)及擬合曲線。由圖4(a)可以看出，4種磁流變液的摩擦系數(shù)隨著時間變化，沒有發(fā)生明顯的驟變。由此可知，模擬電梯正常運行情況，即在施加100 N的恒定載荷實驗下，盡管進行長期運轉，磁流變液摩擦系數(shù)仍十分穩(wěn)定。如圖4(b)所示，添加了添加劑的編號2、編號3、編號4磁流變液摩擦系數(shù)，在初始階段都比編號1大，主要由于磁流變液中添加劑混合不均勻導致，但隨著測試的進行，編號1磁流變液的摩擦系數(shù)不斷增大，而隨測試時間添加劑不斷混合均勻的編號2、編號3、編號4磁流變液摩擦系數(shù)呈減小趨勢。據(jù)此可得，加入添加劑的磁流變液摩擦系數(shù)得到一定程度的改善。

圖3 鋼球磨斑圖(實驗1)Fig. 3 Wear pattern of steel ball (Experiment one)

圖4 摩擦系數(shù)和擬合曲線(實驗1)Fig. 4 Friction coefficient and the fitting curves (Experiment one)

通過摩擦實驗2測試，選取同一個位置的鋼球，采用高倍影像顯微鏡進行觀測，拍攝到各個編號的磁流變液，在變載荷的作用下試球的磨斑直徑，如圖5所示。通過施加不同載荷實驗，測得各個樣品試球磨斑直徑分別為1.275，0.980，1.056，1.202 mm。對比實驗1的測試結果，實驗2在測試時間更少的情況下，試球磨斑直徑增大，可知是由于施加的載荷作用增大導致。在4個磁流變液試球磨斑直徑對比中，編號2磁流變液磨斑直徑相比編號1磁流變液的磨斑直徑減小了23%，編號3和編號4磁流變液磨斑直徑分別減小17%與6%。實驗結果表明，添加劑能在一定程度上提高磁流變液的耐磨性，其中油脂效果最好，且添加少量石墨的編號3材料要比編號4的效果好。

圖5 鋼球磨斑圖(實驗2)Fig. 5 Wear pattern of steel ball (Experiment two)

如圖6為實驗2進行多次求均的摩擦系數(shù)變化曲線以及各階段擬合曲線。按照施加載荷從200 N開始，每階段進行實驗60 min，依次疊加100 N的載荷進行實驗。從圖6中可以得到，編號1磁流變液在試驗140 min時，摩擦系數(shù)產(chǎn)生驟變進而停止實驗，編號3磁流變液在240 min產(chǎn)生驟變進而停止實驗，編號4則在230 min停止實驗，而編號2磁流變液未出現(xiàn)突變現(xiàn)象。實驗結果表明，磁性固體顆粒和添加劑參與了磁流變材料在器件中的摩擦磨損過程，添加劑能使磁流變液具有更穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，并在一定程度上能增加磁流變液的潤滑性。

圖6 摩擦系數(shù)曲線和擬合曲線(實驗2)Fig. 6 Friction coefficient and the segmented fitting curves (Experiment two)

由實驗1與實驗2的結果可以發(fā)現(xiàn)，在恒載荷摩擦作用下，磁流變液的摩擦系數(shù)相對穩(wěn)定，鋼球磨斑直徑差異較小，即說明在電梯長期正常運行工況下，磁流變液在電梯“零速抱閘”制動時的摩擦磨損未表現(xiàn)出有明顯差異，使用添加劑的磁流變液具有相對較小的磨斑直徑，且摩擦系數(shù)呈減小趨勢，使磁流變液制動器性能更穩(wěn)定。在變載荷摩擦作用下，磁流變液的摩擦系數(shù)隨載荷變化發(fā)生變動，但使用添加劑的磁流變液具有更優(yōu)良的潤滑性與耐磨性，在曳引電梯磁流變制動器中，則能有效提高制動器的使用壽命。其中油脂的作用效果最好，且添加0.5%石墨的編號3磁流變液相比添加1%石墨的效果要好。

2.2 磁流變液性能測試結果

圖7 不同磁流變液性能曲線Fig. 7 Performance curves of MRF with different additives

經(jīng)過摩擦實驗1測試后，對磁流變液進行剪切性能測試，并將測試前后的數(shù)據(jù)進行對比分析。從圖8中可以看出，摩擦過后各編號的磁流變液在低磁場強度時，磁流變液剪切應力變化較小，而在高磁場強度時，增大較為明顯。根據(jù)現(xiàn)有理論分析[18-20]，磁流變液的剪切屈服應力與顆粒粒徑及顆粒磁化率成正相關，顆粒粒徑與磁化率越大，磁流變液的剪切屈服應力越大，反之則會相反。當顆粒磨損嚴重時，顆粒粒徑減小起主要作用，導致磁流變液剪切屈服應力變小，當顆粒輕微磨損時，磨損破壞顆粒表面包覆起主要作用，提高磁化率，會使磁流變液剪切屈服應力增大。摩擦后，如圖8所示，磁流變液剪切應力增大，表明磁流變液經(jīng)過摩擦磨損后，顆粒磨損破壞顆粒表面包覆起主要作用，提高顆粒磁化率。編號1磁流變液在0.8 T的磁場條件作用下，磁致剪切應力達到了99 kPa，相比測試前增大了23%；編號2磁流變液，在磁場條件為0.8 T的作用下，磁致剪切應力達到了85 kPa，相比測試前增大了36%，比測試前編號1磁流變液的磁致剪切應力稍大；編號3和編號4的磁流變液在磁場強度為0.8 T時，未進行摩擦測試前，其磁致剪切應力相對編號1增大明顯，而在摩擦后剪切性能相比測試前增大13%和15%，分別達到了100.9 kPa和115.2 kPa。

圖8 測試前后磁流變液剪切應力與磁感應強度關系曲線(實驗1)Fig. 8 Shear yield stress of MRF versus magnetic before and after testing (Experiment one)

圖9 測試前后剪切速率與黏度關系曲線(實驗1)Fig. 9 The zero-field viscosity of MRF before and after testing (Experiment one)

通過以上對磁流變液性能測試結果分析，不同的添加劑對磁流變液的流變性能的影響不同，有油脂添加劑的磁流變液磁致剪切應力減小，零場黏度也減小，而有石墨添加劑的能有效增大磁流變液磁致剪切應力，且使零場黏度的變化不明顯，使磁流變液的性能更滿足曳引電梯磁流變制動裝置的需求。在摩擦實驗進行后發(fā)現(xiàn)，磁流變液輕微磨損破壞顆粒表面包覆起主要的作用，提高顆粒磁化率，使4種磁流變液磁致剪切應力和零場黏度都有所增大，且顆粒的磨損會使顆粒的粒徑減小，對磁流變液的沉降過程有一定的緩解作用。

3 結 論

以石墨和油脂2種添加劑，共配制了4種不同的磁流變液。通過四球摩擦試驗機進行恒載荷與變載荷摩擦試驗測試，并利用高倍影像顯微鏡觀測試球表面磨斑，對在進行摩擦試驗前后的磁流變液磁致剪切應力和零場黏度2種性能進行測量對比；總體實驗結果表明，添加劑在一定程度上對磁流變液具有減摩作用，油脂的潤滑性能比石墨的更好，但增加一定的石墨含量能有效增大磁流變液的剪切應力。在摩擦實驗進行后發(fā)現(xiàn)，4種磁流變液的磁致剪切應力和零場黏度都有所增大，但有油脂添加劑的磁流變液的磁致剪切應力與零場黏度都比有石墨添加劑小。通過對4種磁流變液的摩擦及流變性能的對比分析后，發(fā)現(xiàn)編號3磁流變液具有更大的磁致剪切應力、較小的零場黏度、良好的穩(wěn)定性，是適用于曳引電梯磁流變制動裝置的磁流變液。