基于永磁環(huán)陣列的磁流體支撐及潤滑特性研究

李晶冰, 戴慶文, 黃 巍, 王曉雷

(南京航空航天大學(xué) 直升機(jī)傳動技術(shù)重點實驗室, 江蘇 南京 210016)

在各種機(jī)械結(jié)構(gòu)中，部件之間的摩擦與磨損普遍存在. 這不僅會造成能量損耗，也將不同程度地降低機(jī)械可靠性與壽命. 實現(xiàn)低摩擦是人類追求不懈的目標(biāo). 近年來，研究人員已從減摩材料、表面設(shè)計及涂層等幾個方面著手，進(jìn)行了大量的研究并取得了顯著的成效. 隨著分子摩擦學(xué)的興起，科學(xué)家已從理論上論證了超滑狀態(tài)(Superlubricity)存在的可能性，由此推開了“零摩擦”的大門[1-2]. 經(jīng)過多年的發(fā)展，超滑研究在理論[3-5]和試驗方面[6-8]均取得了長足進(jìn)步，且已發(fā)現(xiàn)了某些具有超滑特性的材料，如富勒烯碳膜[9-10]和石墨[11-12]等，其摩擦系數(shù)在10-3量級或更低[9,11]，但上述結(jié)果大多是基于點接觸，也易受環(huán)境因素的影響，暫無法實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用[12-14].

生產(chǎn)實踐中最接近超滑狀態(tài)的是流體潤滑狀態(tài)[15-16]，且理論上無磨損，對于滑動摩擦而言是十分理想的潤滑狀態(tài). 一般來說，流體潤滑可分成流體靜壓潤滑和流體動壓潤滑，但不論是傳統(tǒng)的流體靜壓或動壓潤滑方式，均有相應(yīng)的形成條件. 流體靜壓潤滑需利用泵產(chǎn)生油壓，占用空間大；而動壓潤滑則要借助摩擦副間的相對運動使油膜內(nèi)壓升高產(chǎn)生承載能力，且運動表面間需形成楔形間隙. 如何在摩擦副間實現(xiàn)低摩擦及零磨損特性的同時，又可使油膜在低速或完全靜止的平面間依然能產(chǎn)生支撐和承載能力是亟待解決的問題.

磁流體(Magnetic fluid，下文簡稱MF)的出現(xiàn)為實現(xiàn)上述設(shè)想提供了可能，磁流體是將表面包覆有活性劑的納米級磁性顆粒分散于基載液中形成的穩(wěn)定固-液兩相超順磁性的膠狀液體[17]. 在無外磁場時，磁流體表現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì)；在外磁場中，磁流體黏度會因其被磁化而升高，從而由自由流動的液體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)[18]，與此同時，該液體還可以被控制并限定于磁場強(qiáng)度較大的位置. 這為構(gòu)建低速條件下的液體支撐潤滑，繼而實現(xiàn)低摩擦和零磨損開辟了全新的思路.

作者所在課題組前期研究表明，外磁場作用下的磁流體其液膜支撐能力和潤滑性能相比于基載液均有所提升[19]. 王等[20]發(fā)現(xiàn)，若磁場由軸向充磁的永磁環(huán)提供時，當(dāng)永磁環(huán)底部與基板連接，則上端面吸附的磁流體除了能提供液體支撐外，被磁流體密封在磁環(huán)內(nèi)的氣體也可有效提供氣體支撐，其原理如圖1所示. 該結(jié)構(gòu)所能提供的總支撐力(F)由密封氣體產(chǎn)生的支撐力(FG)及磁流體磁化所產(chǎn)生的液體支撐力(FL)兩部分組成.

伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，器件的小型化趨勢日益凸顯，上述大尺寸單環(huán)的磁流體支撐潤滑結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用方面顯然存在一定缺陷. 在此基礎(chǔ)上，本文作者提出在運動副表面布置環(huán)形微小磁體陣列的設(shè)想，通過磁體吸附磁流體形成封閉氣腔結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的精準(zhǔn)支撐與潤滑，緩減精密和低速機(jī)構(gòu)中的黏滑行為，同時運動副表面所布置的微小磁體既未改變機(jī)構(gòu)的原有結(jié)構(gòu)，又節(jié)省了產(chǎn)生磁場所需的空間.

Fig. 1 Schematic diagram of the liquid-gas support based on magnetic fluid seal圖1 磁流體密封空氣腔結(jié)構(gòu)的支撐示意圖

1 試驗部分

1.1 試樣材料及制備

選用樹脂材料為基底，在其表面嵌入正方形點陣排布的永磁環(huán)陣列(N35型NdFeB永磁體，Φ5 mm×2 mm×1 mm，磁性能列于表1中)，形成周期性的磁場分布后，將表面打磨至表面粗糙度Ra小于100 nm，并依次用無水乙醇和丙酮對試樣表面進(jìn)行清洗. 分別在各磁體表面注入磁流體(0.05 mL，磁流體性能參數(shù)見表2)，使其在各永磁環(huán)表面形成封閉的液體結(jié)構(gòu)(磁流體液體環(huán)尺寸約為Φ7.5 mm×1.9 mm×1 mm，形狀如圖2所示).試樣表面永磁環(huán)中心距及磁極排布方式列于表3中.

表1 N35型NdFeB永磁環(huán)性能參數(shù)Table 1 N35 NdFeB permanent magnet ring performance parameter

表2 磁流體物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of magnetic fluid

表3 磁環(huán)中心距及磁極排布Table 3 Magnet array spacing and arrangement

1.2 試驗方法

本文中的支撐力測試平臺如圖3所示，測力計壓頭下移，測量并記錄支撐力，其量程及分辨率分別為5 N和0.001 N，測頭下壓速度為0.01 mm/s. 摩擦試驗采用往復(fù)式摩擦磨損試驗機(jī)(日本Sinto Scientific)進(jìn)行測試，摩擦對偶材質(zhì)為玻璃. 測試負(fù)載取決于支撐試驗，往復(fù)速度為0.1 mm/s. 每次試驗前對設(shè)備進(jìn)行清潔與復(fù)位，重新注入磁流體，以確保測試試驗初始條件相同.

Fig. 2 Schematic diagram of micro magnet arrays for magnetic fluid support and lubrication圖2 用于磁流體液-氣混合支撐潤滑的磁體陣列示意圖

2 結(jié)果和討論

圖4為單個永磁環(huán)(N35型NdFeB，Φ5 mm×2 mm×1 mm)吸附磁流體后的支撐力測試曲線，可以看出，隨著壓頭下移，支撐力逐漸增大. 對于底部開放的永磁環(huán)試樣，其支撐能力(F)僅來自磁流體的液體靜磁力(FL)，就磁流體而言，其內(nèi)部每個磁性顆粒的磁偶極矩在無外磁場條件下隨機(jī)取向，但在外磁場作用下，顆粒的磁矩將沿外場取向，對外顯示宏觀磁化強(qiáng)度. 從理論上講，磁流體所能提供的液體支撐力與其磁化強(qiáng)度和所施加磁場的梯度之積成正比[21]. 隨著壓頭的下移，支撐間隙逐漸減小，相應(yīng)的磁場強(qiáng)度及梯度均逐步增加，液體的靜磁力隨之提高.

對于底部密封的永磁環(huán)試樣，在同等條件下，由于被磁流體密封在磁環(huán)內(nèi)部氣體的參與(FG)，其所提供的支撐力較底部開放試樣的更大. 當(dāng)支撐間隙h為0.01 mm時，底部密封試樣的最大支撐力約為0.061 N，約為底部開放試樣支撐力(約0.038 N)的1.63倍. 其具體的密封氣體支撐原理如圖1所示，根據(jù)磁流體密封原理，其液環(huán)內(nèi)外側(cè)的壓差[22]可表示為式(1)：

Fig. 3 Schematic diagram of support test system圖3 支撐力測試系統(tǒng)示意圖

Fig. 4 Curve of supporting force of a single ring magnet圖4 單個永磁環(huán)支撐力測試曲線圖

其中：Pi和Po分別是在磁流體的內(nèi)部和外部邊界處的氣體壓強(qiáng)，而Hi和Ho分別是磁流體內(nèi)界面和外界面的磁場強(qiáng)度，μ0為真空磁導(dǎo)率，M為磁流體的磁化強(qiáng)度，其值是外磁場的函數(shù). 由于密封間隙中的磁場強(qiáng)度高達(dá)105A/m，磁流體可以視為飽和狀態(tài)(Ms)[23]. 氣體支撐力(FG)可通過對支撐區(qū)域面積(AF=πri2n)的壓力積分獲得：

可以看出，腔室內(nèi)氣體產(chǎn)生的支撐力主要依賴于磁流體的密封能力，如圖1所示，壓頭的下移會導(dǎo)致磁流體液-氣界面的位置及其對應(yīng)的磁場強(qiáng)度發(fā)生改變，使得內(nèi)外界面磁場強(qiáng)度差值逐漸增大，進(jìn)而提升氣體支撐力. 研究過程中，對壓頭在不同間隙高度時的氣體支撐力進(jìn)行了理論計算，結(jié)果如圖4所示. 這里以液膜高度0.01 mm位置處的支撐力為例，采用Ansoft Maxwell ver. 16.0軟件分析獲得此時磁流體環(huán)內(nèi)外界面對應(yīng)的磁場強(qiáng)度分別為Hi=5.6×105A/m和Ho=5.2×104A/m；μ0為真空磁導(dǎo)率，值為4π×10-7N/A2；Ms為2.4×104A/m；AF為空氣腔面積，其值為5.7×10-8m2；根據(jù)公式(2)可計算得出FG的值為0.022 N.

Fig. 5 Effects of space and pole arrangement on the supporting force: (a) (c) original curve of support force with different spacing under N-N and N-S arrangement; (b) (d) diagram of the maximum support force with differentspacing under N-N and N-S arrangement圖5 磁環(huán)陣列不同間距和磁極排布方式對支撐力的影響：(a) (c)N-N與N-S排布下的不同間距的支撐力原始曲線圖；(b)(d)N-N與N-S排布下的不同間距的最大支撐力圖

圖5所示為永磁環(huán)陣列在不同間距及磁極排布方式下的支撐力測試曲線圖，可以看出，隨著壓頭下移，各試樣的支撐力逐漸增大. 由圖5(a)可以看出，當(dāng)永磁環(huán)陣列呈同級N-N排布時，中心距為5 mm的陣列所提供的支撐力最大，約為0.42 N；間距為20 mm時支撐力最小，僅為0.23 N，前者幾乎為后者的兩倍. 而圖5(b)是N-N排列的陣列試樣的最大支撐力隨間距變化曲線圖，由圖可見，隨著永磁環(huán)間距的增大，其支撐力逐漸減小. 這是因為當(dāng)間距較小時，除了4個磁環(huán)陣列試樣本身形成液-氣混合支撐外，四磁環(huán)邊界接觸部分形成了1個額外的氣腔[見圖5(b)中紅色線框]，會產(chǎn)生附加支撐能力，但隨著間距的增大，試樣中部的氣腔逐漸消失，這種額外的支撐能力逐漸減弱，則總支撐力逐漸減小. 而圖5(c)表明，當(dāng)永磁環(huán)陣列呈N-S排布時，中心距為5 mm的永磁環(huán)陣列所提供的支撐力約為0.54 N；間距為20 mm時支撐力約為0.25 N. 相比NN排布的永磁環(huán)陣列，N-S排布的陣列試樣在中心距較小時(d=5～10 mm)的支撐力有一定程度的提高，但隨著間距的增大(d=11～20 mm)，這兩種磁極排布方式所呈現(xiàn)的支撐力相近.

為了進(jìn)一步解釋這種現(xiàn)象，文中采用Ansoft Maxwell 3D軟件分別計算了各試樣表面的磁場分布情況，部分結(jié)果如圖6所示. 從圖6中可以看出，磁場最強(qiáng)的位置均集中在磁環(huán)邊緣，隨著永磁環(huán)中心距的增加，各環(huán)磁場互相之間的影響減弱；當(dāng)中心距增大到一定程度時，磁場基本無影響，陣列中每個磁環(huán)將各自實現(xiàn)承載. 當(dāng)永磁環(huán)中心距為5 mm時，磁極同向排布的N-N型試樣[圖6(a)]由于同極相斥的緣故，磁環(huán)接觸位置的磁場強(qiáng)度較低；而對于N-S型排布形式[圖6(d)]，磁環(huán)單元由于異極相吸的原因，在磁環(huán)接觸處的磁場強(qiáng)度急速升高，進(jìn)而使其支撐與密封能力均有所提高，宏觀上表現(xiàn)出更高的承載能力.

圖7為四永磁環(huán)陣列的單環(huán)效率比曲線圖，該曲線是將永磁環(huán)陣列所實現(xiàn)的支撐力平均分?jǐn)偟絾蝹€磁環(huán)上，再與圖4中底部密封磁環(huán)的支撐力進(jìn)行比較所得. 由圖7可見，隨著間距的增大，單環(huán)效率比逐漸降低. 當(dāng)間距較大時(大于15 mm)，永磁環(huán)陣列中的單個磁環(huán)效率比約為1，說明此時各磁環(huán)獨立實現(xiàn)承載；隨著間距減小，單環(huán)效率比逐漸提高，說明此時陣列的承載能力不僅只是單環(huán)的4倍，還有額外的增值效應(yīng)，且間距越小，增值效應(yīng)越明顯. 當(dāng)間距為5 mm時，單環(huán)效率約為1.7左右. 與此同時，改變永磁環(huán)陣列的磁極排布可進(jìn)一步的提升陣列單環(huán)的增值效率，當(dāng)間距為5 mm時，磁極N-S排布方式的效率比約為2.2，相比N-N排布方式，效率又進(jìn)一步提升.

Fig. 6 3D visualization of partial magnetic field distribution圖6 部分試樣表面磁場分布

Fig. 7 Efficiency ratio curve of single ring in permanent magnet ring array圖7 永磁環(huán)陣列單環(huán)效率比曲線圖

圖8為部分永磁環(huán)陣列試樣在0.4 N載荷下的摩擦系數(shù)曲線圖，該試驗載荷皆由支撐試驗結(jié)果選定[見圖5(a)]. 三種N-N排布試樣的試驗結(jié)果如圖8(a)所示，大間距試樣(No.10，d=20 mm)摩擦系數(shù)最高，約為0.036；小間距試樣(No.1，d=5 mm)摩擦系數(shù)較低，約為0.005；中間距試樣(No.6，d=10 mm)摩擦系數(shù)介于二者之間，約為0.022. 由支撐力測試結(jié)果可知，摩擦過程中所施加的載荷(0.4 N)可由小間距試樣No.1的支撐力完全承載(約0.42 N)，但該值略高于試樣No.6的承載極限(約0.35 N)，而遠(yuǎn)大于試樣No.10的承載能力(約0.25 N).因此可以推斷，對于試樣No.1，其上下摩擦副之間完全被液-氣分離，從而實現(xiàn)低摩擦. 同時因為磁流體在磁場中被吸附定位的原因，其他間距試樣雖無法完全承載，但接觸面也存在一定的磁流體，故摩擦系數(shù)總體較低，摩擦副處于混合潤滑狀態(tài).

圖8(b)中三種N-S排布試樣的摩擦試驗結(jié)果與N-N排布試樣的趨勢相似，這一結(jié)果表明，只要負(fù)載小于磁流體密封腔結(jié)構(gòu)的承載能力，該負(fù)載將會被磁流體與其形成的密封空氣腔完全承載，實現(xiàn)運動副之間的完全分離，從而獲得優(yōu)異的潤滑效果. 與經(jīng)典的流體動壓或靜壓潤滑不同，這種磁流體軸承結(jié)構(gòu)不依賴相對運動或泵，且在靜止?fàn)顟B(tài)下依然能夠提供承載力.

3 結(jié)論

以樹脂材料為基底，在其表面嵌入正方形點陣排布的永磁環(huán)陣列，形成周期性的磁場分布. 分別在各磁體表面注入特定體積的磁流體，使其在磁環(huán)表面形成封閉的液體結(jié)構(gòu)，隨后對各試樣進(jìn)行了支撐力及潤滑試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論：

Fig. 8 Friction curves of some magnetic array samples圖8 部分磁性陣列試樣的摩擦曲線

a. 底部密封的單個永磁環(huán)試樣與底部開放的試樣相比，可以產(chǎn)生更高的支撐力(約0.061 N)，更為重要的是，該液-氣混合支撐力不依賴于外部的泵或相對運動，即使在靜止?fàn)顟B(tài)下也依然存在.

b. 正方形點陣排布的永磁環(huán)陣列的支撐力隨著陣列間距的減小而增大，且在一定間距范圍內(nèi)，磁環(huán)的磁極排布也會對支撐力產(chǎn)生影響，相比N-N排布，N-S排布方式產(chǎn)生的支撐力更高.

c. 當(dāng)永磁環(huán)陣列的承載能力大于所加載荷時，該支撐結(jié)構(gòu)可獲得0.005的低摩擦系數(shù).