顆粒沉降對磁流變液傳遞扭矩的影響研究

吳向凡，田祖織，黃咸康，季錦杰，郭陽陽

（1.徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和生產(chǎn)力的不斷提高，現(xiàn)代機(jī)電裝備對傳動(dòng)裝置的功能和性能也提出了更高的要求[1,2]。磁流變液（Magnetorheological fluid，MR fluid）是一種微米級軟磁性顆粒均勻分散在基載液中形成的新型智能材料，這種顆粒懸浮液在無外加磁場作用時(shí)，呈現(xiàn)自由流動(dòng)狀態(tài)（液態(tài)），而在外加磁場作用下，發(fā)生“固化”現(xiàn)象，表現(xiàn)為具有一定剪切力的粘塑性流體（半固態(tài)），這種現(xiàn)象稱為磁流變效應(yīng)[3,4]。

磁流變液傳動(dòng)裝置是一種利用磁流變液可控流變性能開發(fā)出的新型動(dòng)力傳遞器件，與現(xiàn)有其它傳動(dòng)技術(shù)相比，具有響應(yīng)速度快、傳動(dòng)部件磨損較小、控制簡單、調(diào)速范圍寬、體積小、控制能源消耗低、對外界雜質(zhì)的干擾不敏感、對電網(wǎng)無污染等特點(diǎn)，是一種較為理想的動(dòng)力傳遞器件[5,6]。

目前國內(nèi)外學(xué)者對磁流變液材料的沉降性能和磁流變液傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了深入研究。陳維清等[7]測試了油酸、聚乙二醇表面活性劑和觸變劑對磁流變液沉降穩(wěn)定性的影響；唐龍等[8]通過氣體滲氮在羰基鐵顆粒表面形成的氮化物薄層，用高速分散的方法制備了高穩(wěn)定磁流變液；鄒剛[9]對杯狀磁流變液離合器進(jìn)行了研究，分析了不同轉(zhuǎn)速、溫度情況下傳遞轉(zhuǎn)矩的變化情況，并將磁流變離合器與磁粉離合器的傳動(dòng)性能進(jìn)行了對比分析；王鴻云[10]設(shè)計(jì)了一種基于擠壓-剪切混合模式磁流變離合器，建立了用于測試其傳動(dòng)性能的實(shí)驗(yàn)裝置。

對于磁流變液聯(lián)軸器、磁流變液離合器等動(dòng)力傳遞器件，在長期靜置后，磁流變液中顆粒將產(chǎn)生沉降，目前針對其扭矩傳遞穩(wěn)定性的研究較少。因此本文探索顆粒沉降對扭矩傳遞的影響機(jī)理，分析沉降后工作間隙磁場變化規(guī)律，搭建磁流變液傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，觀測磁流變液顆粒沉降效果，并開展扭矩傳遞實(shí)驗(yàn)，以期得到顆粒沉降對磁流變液傳遞扭矩的影響規(guī)律，為磁流變液傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1 顆粒沉降對磁流變液傳遞扭矩的影響機(jī)理

顆粒沉降對磁流變液扭矩傳遞影響機(jī)理如圖1所示。主要包括2方面：

（1）顆粒沉降影響磁流變液的磁致扭矩，其影響機(jī)理為：當(dāng)顆粒沉降后，顆粒向工作間隙下部聚集，導(dǎo)致上部磁流變液磁導(dǎo)率降低，下部分磁導(dǎo)率增加，磁場向高磁導(dǎo)率區(qū)域集中，進(jìn)而引起磁致扭矩波動(dòng)；

（2）沉降影響磁流變液的黏性扭矩，其影響機(jī)理為：顆粒向下部沉降后，顆粒體積分?jǐn)?shù)分布發(fā)生改變，引起磁流變液表觀粘度分布的變化，進(jìn)而導(dǎo)致黏性扭矩波動(dòng)，但在磁流變液聯(lián)軸器等突然通電時(shí)，主從動(dòng)部件間無轉(zhuǎn)速差，其黏性扭矩波動(dòng)可以忽略。因此，顆粒沉降主要影響磁流變液的磁致扭矩，將對其開展進(jìn)一步分析。

2 顆粒沉降前后工作間隙磁場分析

2.1 磁流變液傳動(dòng)機(jī)理

磁流變液傳動(dòng)裝置工作原理如圖2所示，由主動(dòng)軸、主動(dòng)盤、從動(dòng)軸、從動(dòng)盤、勵(lì)磁線圈、磁流變液等組成，其中，磁流變液被密封在主從動(dòng)盤間工作間隙內(nèi)，當(dāng)主動(dòng)軸和主動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于磁流變液在可調(diào)外加磁場作用下具有一定的剪切屈服應(yīng)力，能夠傳遞一定扭矩，進(jìn)而帶動(dòng)從動(dòng)盤和從動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。

圖2 磁流變液傳動(dòng)裝置工作原理

2.2 顆粒沉降分布規(guī)律

磁流變液長期靜置后顆粒產(chǎn)生沉降，其沉降過程如圖3所示。在初始階段，磁流變液中顆粒分布較為均勻，隨著時(shí)間的推移顆粒逐漸下沉，在工作間隙上部析出基載液，直至沉降顆粒相互接觸，沉降過程基本結(jié)束，總體上，沉降后的傳動(dòng)區(qū)間可以分為上部基載液區(qū)域V1和下部分顆粒聚集區(qū)域V2。磁流變液體積分?jǐn)?shù)φp可以表示為：

圖3 顆粒沉降過程

其中，l為兩相鄰顆粒表面最近點(diǎn)距離，R為磁流變液軟磁性顆粒半徑。

由式（1）可知，磁流變液體積分?jǐn)?shù)隨顆粒間距l(xiāng)減小而增加，當(dāng)l為0時(shí)，得到最大體積分?jǐn)?shù)為52.3%，此時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為89.5%。磁流變液常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在75%～80%之間，假設(shè)工作間隙上部顆粒完全沉降，而下部達(dá)到磁流變液最大體積分?jǐn)?shù)（52.3%），當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為75%，78%和80%，即體積分?jǐn)?shù)分別為27%，31.25%和33.9%時(shí)，圓盤下部分磁流變液占工作間隙總體積比分別為51.6%，59.8%和64.8%。

2.3 工作間隙磁場分布

當(dāng)工作間隙磁流變液無沉降時(shí)，磁流變液傳動(dòng)裝置近似為軸對稱結(jié)構(gòu)如圖2所示。其2-D軸對稱電磁場分析模型如圖4所示。將二維模型導(dǎo)入至ANSYS電磁場分析模塊，并對模型進(jìn)行勵(lì)磁電源賦值，經(jīng)多次仿真分析可知，當(dāng)在勵(lì)磁線圈中施加0.5 A電流，得到的裝置磁場分布云，如圖5所示。此時(shí)，工作間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度分布基本均勻，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)0.45 T，滿足磁流變液工作磁場強(qiáng)度需求。

圖4 分析模型

圖5 電磁場分布云圖

以磁流變液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%為例，研究顆粒沉降對磁流變液動(dòng)力穩(wěn)定性的影響規(guī)律，假設(shè)顆粒完全沉降，并近似認(rèn)為高濃度磁流變液占工作間隙總體積的50%，即工作間隙上半部分為基載液，下半部分為高濃度磁流變液區(qū)域。此外，由于顆粒沉降導(dǎo)致整個(gè)裝置為非軸對稱結(jié)構(gòu)，因此，建立該磁流變液傳動(dòng)裝置的三維分析模型，如圖6所示。其中，圖6（a）為裝置結(jié)構(gòu)模型，圖6（b）為增加電流源后網(wǎng)格劃分模型。

圖6 顆粒沉降后磁流變液傳動(dòng)裝置分析模型

設(shè)置勵(lì)磁線圈電流為0.5A，采用ANSYS軟件中電磁場模塊對上述模型進(jìn)行仿真分析，得到顆粒完全沉降后的磁流變液傳動(dòng)裝置磁場分布情況，如圖7所示。

圖7 顆粒沉降完全后磁場分布

由圖7（a）可以看出，以傳動(dòng)模型中傳動(dòng)軸中心軸線為邊界，沉降后的磁流變液工作間隙磁場分布均勻性較差，上半部分區(qū)域由于不導(dǎo)磁的基載液作用而磁場較小，與下半部分區(qū)域相比差距顯著，且與圖5的均勻分布顆粒相比，由于磁場積聚作用，工作間隙最高磁場增強(qiáng)，最大磁場強(qiáng)度可達(dá)到2.1T（特斯拉）。由圖7（b）可以看出，磁場在下部分靠近軸線位置存在積聚，原因是除下半部分的磁場通過該區(qū)域外，上部分也有部分磁場通過，但由于該處磁場靠近軸心，并不能顯著提高磁流變液傳遞扭矩；與均勻顆粒磁場相比，雖然磁場在顆粒沉降區(qū)域有所增強(qiáng)，但其位置靠近傳動(dòng)中心，且在整個(gè)基載液區(qū)域磁場大幅降低，因此，根據(jù)磁場分布規(guī)律，顆粒沉降容易造成扭矩傳遞能力降低。

3 顆粒沉降對傳遞扭矩影響實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述仿真分析結(jié)果，設(shè)計(jì)并裝配磁流變液動(dòng)力傳遞裝置，搭建磁流變液動(dòng)力傳遞裝置性能測試平臺(tái)，如圖8所示。其主要由交流伺服電機(jī)、傳動(dòng)樣機(jī)（包含有機(jī)玻璃傳動(dòng)組件）、扭矩傳感器、固定支架、伺服驅(qū)動(dòng)器、電流源、扭矩顯示儀、紅外熱成像儀、壓力變送器、特斯拉計(jì)、信號(hào)記錄儀等組成。實(shí)驗(yàn)過程中，通過伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁電流源調(diào)整磁流變液的工作磁場，進(jìn)而改變傳遞扭矩，其扭矩值可通過扭矩傳感器測得。

圖8 磁流變液傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

采用有機(jī)玻璃傳動(dòng)圓盤，測試顆粒沉降對磁流變液扭矩傳遞穩(wěn)定性的影響，其中，兩組實(shí)驗(yàn)間隔1個(gè)月，以使磁流變液顆粒充分沉降，如圖9所示，采用手動(dòng)低速方式旋轉(zhuǎn)圓盤，以排除轉(zhuǎn)速和溫度影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度均為26℃，得到兩種工況下磁流變液扭矩傳遞情況，如圖10所示。

圖9 磁流變液顆粒沉降照片

圖10 顆粒沉降導(dǎo)致磁流變液傳遞扭矩變化情況

由圖9和圖10可以看出，顆粒沉降后圓盤上部基本為基載液，此外，沉降前后，磁流變液傳遞扭矩波動(dòng)明顯，沉降1個(gè)月內(nèi)扭矩值下降了20%，如沉降時(shí)間延長，傳遞扭矩波動(dòng)將更加顯著。

4 結(jié)論

（1）建立了磁流變液傳動(dòng)裝置二維及三維模型，并開展了電磁場仿真分析，通過對比沉降前后磁流變液工作間隙的磁場分布發(fā)現(xiàn)，沉降后的磁流變液將導(dǎo)致電磁場向顆粒聚集區(qū)集中，整個(gè)基載液區(qū)域磁場大幅降低。

（2）搭建磁流變液傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測試顆粒沉降對磁流變液傳遞扭矩的影響，可以得出，磁流變液顆粒沉降率越高，兩傳動(dòng)盤之間的傳遞扭矩越小，沉降1個(gè)月內(nèi)傳遞扭矩下降20%。