离合器用磁流变液的制备液及固体含量对传递扭矩的影响*

2011-02-07迟佳龙布赫巴特尔刘晓红

化学工程师 2011年4期

迟佳龙，布赫巴特尔，黄波，刘晓红

(黑龙江省化工研究院，黑龙江哈尔滨 150078)

磁流变液(Magneto-rheological Fluid简称MRF)是一种具有良好发展前景和工程应用价值的新型智能材料。最早是由几十年前的J.Rabinow提出的[1]。它是固体微颗粒在基液中形成的悬浮液,主要由载液、磁流变响应粒子,磁流变效应粒子,表面活性剂组成,在外加磁场作用下，会产生明显的磁流变效应：在固体与液态之间进行毫秒(ms)级快速可逆转化，其粘度保持连续无级变化，可实现实时主动控制，耗能小[2]。因而磁流变液广泛应用于机械、汽车、航空、精密加工、建筑、医疗等领域[3]。在磁场的作用下，磁流变液的流变特性会发生快速可逆的变化，这种现象被称为磁流变效应。而磁流变液离合器是利用磁流变液剪切应力来进行离合的一种装置，它传递的扭矩随外加磁场的变化迅速变化。磁流变液离合器以其长寿命、运转平稳、结构简单、优良控制特性等优点将成为传统离合器的理想替代品[4，5]。

磁流变液虽然有以上优点，但是它也有自己的缺点，主要是磁流变液传递扭矩的离合器的工作性能会受到磁流变液里的固体含量的影响，因此，研究固体含量对传递扭矩的影响是有必要。

本文着重介绍离合器用磁流变液的制备及固体含量对传递扭矩的影响。

1 磁流变液的制备

1.1 原料及仪器

羰基铁；碱；烃类合成油；有机膨润土；沉降剂；表面活性剂等。

烧瓶；电动搅拌机；真空泵；控温装置。

1.2 磁流变液的制备

将2份粒径为3-5μm羰基铁粉，4份投入适量烃类合成油中,然后在80℃温度下定量加入2份表面活性剂、1份有机膨润土、0.5份碱、0.5沉降剂混合搅拌、静置得到磁流变液。

2 固体含量对磁流变液传递扭矩的影响

2.1 磁流变效应机理

磁流变液当有外加磁场作用时，颗粒产生有序化的运动，这些颗粒在磁场力作用下相互吸引，沿着N极和S极之间的磁力线方向形成链状结构。磁流变液中的颗粒磁极化后的链化过程主要与外加磁场强度有关系，链化过程的模型见图1。

图1 磁流变液施加磁场前后结构对比示意图[6]Fig.1 Comparison of structures of MR fluids containing polystyrene spheres before and after magnetic field applied

无磁场作用时，粒子自由分散在载液中，处于一种无序分布状态，此时动态屈服应力几乎为零；当外加磁场的瞬间，磁性颗粒被极化为偶极子；在10ms后，即“固化”反应后，这些粒子在磁场作用下相互吸引，沿着N极和S极之间的磁力线在两极形成粒子桥，从而产生了动态抗剪应力的作用（即产生传递扭矩），外观表现为粘稠的特性，液体的粘度随磁场变化而无级变化；当磁场强度增加后，磁链的直径也跟着变粗，磁流变液的动态屈服应力和表面粘度增大，对外所表现的传递扭矩增强；当外加磁场被撤销后，磁流变液迅速还原成一般流体特性，反应时间在几毫秒之内，非常迅速[3]。

在这一过程中影响传递扭矩的因素主要是固体含量（磁流变效应粒子与磁流变响应粒子）。配比不同固体含量的磁流变液，从中分析不同固体含量的对传递扭矩的影响。通常磁流变液的固体含量常用的主要有羰基铁粉、纯铁粉或铁合金等；本文是以羰基铁粉为固体粒子。

2.2 磁流变液离合器性能实验设备

交流电动机、变频器、磁粉制动器、扭矩转速传感器、磁流变液离合器。

图2 磁流变液离合器性能测试示意图Fig.2 Overall sketch of the test system for MR fluid clutch

图3 磁流变液离合器性能测试装置Fig.3 Test system of the properties for MR fluid clutch

不同的转速下传递扭矩也不同，本文选取转速为 500r·min-1做参考。

2.3 不同固体含量磁流变液的传递扭矩的对比分析

按照1.2磁流变液的制备方法，分别按照固体含量为 1∶10、1.5∶10、2∶10、2.5∶10、3∶10 的比例，制备出磁流变液。然后在磁流变液离合器性能实验设备上，在转速为500r·min-1的条件下，测试出以下数据，并根据数据制成图表（表1、图4），进行分析。

表1 不同固体含量的磁流变液在不同励磁电流下的传递扭矩Tab.1 Torque transmission of magneto-rheological(MR)fluid with kinds of solids content with different field corrent

图4 不同固体含量的传递扭矩Fig.4 Torque transmission with different solid content

根据数据和图表的对比分析得出，在零磁场的时候传递扭矩主要是磁流变液的粘度，从5个图的数据得知，固体含量越大，粘度越大，传递扭矩就越高。从图4（a）、（b）、（c）可见，传递扭矩和励磁电流基本呈线性正比关系，传递扭矩不断变大。这说明，在固体含量为 1∶10、1.5∶10、2∶10的含量时，磁流变液在外加磁场条件下的传递扭矩与励磁电流成正比，电流越大，传递扭矩越大。同时，固体含量的百分比对传递扭矩也有很大影响，固体含量越大，磁流变液中磁流变效应粒子与磁流变响应粒子的量越多，在磁场下形成的磁链数量越多，磁链直径也越大；磁流变液的动态屈服应力和表面粘度就越大，其磁流变液传递扭矩就越高。然而，4（d）、（e）中可知，电流越大，其传递扭矩增长量越小。这说明固体含量百分率越大，磁流变流中的磁流变效应粒子与磁流变响应粒子就越容易抱团，在磁流变液中形成沉淀和结块。这就影响磁链在外加磁场条件下的形成，从而影响磁流变液整体的传递扭矩。