磁流体油膜轴承油的粘度特性研究

姜宏伟，张亚南,王建梅,左正平,张艳娟

(1太原重工技术中心太原重型机械集团，太原 030024；2 太原科技大学机械工程学院,太原 030024)



磁流体油膜轴承油的粘度特性研究

姜宏伟1，张亚南2,王建梅2,左正平2,张艳娟2

(1太原重工技术中心太原重型机械集团，太原 030024；2 太原科技大学机械工程学院,太原 030024)

为了研究磁流体油膜轴承油的粘度特性，采用NDJ-5S数显旋转粘度计测定了不同磁场和温度作用下其粘度大小的变化情况；理论计算得到了磁流体的粘温特性以及磁粘特性曲线，结果表明，理论值与实验值相吻合。同时磁流体粘度随着磁场的增大而增大，随着温度的升高而减小。磁场较弱时会出现磁粘滞后现象，分析原因是外加磁场对链状结构的形成和分裂影响结果。当温度高于T℃后，粘度的增加主要取决于外加磁场的大小，与温度关系较小，说明在高温条件下通过控制磁场调节粘度是可行的。提供了一种通过电流控制磁场来改变磁流体粘度的方法，为油膜轴承油磁流体润滑性能的分析提供参考和依据。

磁流体；磁场；粘度特性；理论验证

油膜轴承具有承载能力大、速度范围宽、抗冲击性强等优点，广泛应用于钢铁、矿山、航空等系统高、精、尖关键设备上[1]。磁流体是一种稳定的混合物，在外磁场的作用下，性能会发生变化，如摩擦系数减小、承载能力增大等，不仅可以磨损减少而且能实现连续润滑，使其润滑状态稳定。

近年来一些学者对磁流体的现状、研制、性能和应用做了大量的研究。Hiroshi Yamaguchi等[4]发现磁场和磁性粒子的浓度影响粘弹性磁性液体的粘度和弹性。杨春成等[5]分析了硅油基磁性液体的粘度-磁场滞回曲线，得出粘度的变化与链状结构和滴状结构的形成和破裂有关。S.A. Vshivkov等[6]研究发现外加磁场的变化是相对粘度变化的1.3～4倍。Haobo Cheng等[7]研究了微米级羰基铁粒子磁悬浮液的粘度在磁场作用下的粘度与电压的函数关系。Qiang Li等[8]通过实验研究表明磁性液体的粘度在垂直磁场的粘度要大于平行磁场时的粘度。Shigemitsu Shuchi等[9]研究发现聚合物混合磁性流体粘度高于原来磁性流体的粘度，随着应用大幅度剪切速率的磁场时,聚合物的粘度有轻微的降低。

外磁场可直接改变磁流体的粘度，故准确掌握磁流体粘度随温度、磁场的变化规律对其润滑特性分析具有重要意义。 近年来关于影响磁流体粘度因素的研究多为理论研究和定性分析，也有通过实验测量不同磁场强度下磁流体粘度特性的研究。但是很少对磁场和温度影响程度的定量研究。本文主要针对用于油膜轴承润滑的磁流体，理论计算出其粘度特性，并与实验数据进行比较，发现两者相吻合。对试验数据进行处理，得出粘度增长率的分布情况，并对其进行曲线拟合。

1 磁流体粘度特性

1.1 无外磁场作用时的粘度

温度和压力是影响润滑油粘度的重要因素。当同时考虑两者对粘度的影响时，常用的表达式为Roelands粘度方程：

ηt=ηoexp{(lnη0+9.67)[(1+1.5×10-9P)Z.

(1)

对于稀疏的磁性流体而言，以及体积分数不是很小的条件下，磁流体的动力粘度系数可以按可用Rosensweig修正的Einstein公式表述：

(2)

式中：ηfo是无磁场作用时铁磁流体的粘性系数，ηc是磁流体基载液的动力粘性系数，φ是磁流体中固相颗粒的体积分量。由此可得，无外磁场作用时的磁流体粘度为：

ηc=(1-2.5φ+1.55φ2)·

η0exp{(lnη0+9.67)[(1+5.1×10-9P)z·

(3)

1.2 外磁场作用时的粘度

根据Shliomis转动粘度理论，管流涡旋矢量ω与管流流速v在方向上符合右手定则，且磁场强度H对磁流体粘度的影响与管流涡旋矢量和外加磁场强度的夹角β有关。当外加磁场作用时，磁流体粘度增量Δη与基载液粘度ηc的关系为：

(4)

由此可得，磁场存在时的磁流体粘度为：

(5)

2 油膜轴承磁流体粘度测试设备

如图1(a)、(b)所示为磁流体粘度测试系统示意图以及实物图，系统主要由粘度计、温度计、螺线管、计算机以及磁流体柱状容器组成。采用数显旋转粘度计(NDJ-5S)测量油膜轴承油的粘度。测量过程中，通过加热带对磁流体进行加热，由于高温时难以保持温度恒定，故选取温度相对较高的34 ℃和37 ℃进行试验。螺线管安装在充满了磁流体的柱状容器的外部为其提供外磁场，螺线管的参数如表1所示。

1-粘度计，2-屏磁装置，3-温度计，4-转子，5-磁流体，6-计算机

(b)磁流体粘度测试系统实物图

表1 螺线管相关参数

磁场由通电螺线管装置施加，外部电路由直流电源、变阻器、开关及若干导线组成，如图2所示。磁场的大小的测量是通过外部的霍尔芯片实现的。如图3所示，为不同通电电流下的磁场变化情况。分析可得当温度不同时，随着电流增大，其磁场增大。

图3 磁场随通电电流的变化图

3 结果和分析

3.1 结果分析

图4 有无磁场作用时的粘温特性曲线

在有无磁场作用下，理论计算出磁流体的粘温特性曲线，并与试验结果相比较，如图4所示。分析可知理论计算结果与试验测试结果吻合，当磁场强度不变时，随着温度的升高，其粘度呈现下降的趋势。在同一温度下，有磁场作用的磁流体的粘度明显高于无磁场作用磁流体的粘度。这是因为磁流体是一种特殊的流体，具有流体的一般性质。和流体相同，磁流体粘性主要取决于分子间的内聚力，当温度升高时，液体的内聚力减小，使得其粘度随温度的升高而减小，随温度降低而增大。

图5 温度恒定时的磁粘特性曲线

为了更直观地研究磁场与粘度的关系，从理论计算以及试验中获取了磁粘特性曲线，如图5所示。可以得出理论计算结果与试验测试结果吻合，当温度一定时，随着磁场强度的增大粘度也增大，这是因为磁性液体中所存在的纳米级磁性颗粒在外加磁场的作用下,会聚集在一起形成链状结构,磁性颗粒所形成的链对于磁性液体粘度有很大的影响,其影响因素是链的长度与方向。链的长度变长,链的方向与磁性液体流动方向的夹角变大时,链状结构对于磁性液体流动的阻碍就会变大,宏观上就可以观察到磁性液体的粘度变大。磁场会促使链状结构的形成，宏观表现为有磁场的粘度大于无磁场时的粘度。

为了更好地研究磁场与粘度的关系，绘制了磁流体的磁粘滞后曲线。图6、图7分别为平均温度为34℃、37℃时，磁场和粘度的滞后曲线，可以得出当磁场较弱时，磁场减小过程中的粘度要大于磁场增加过程中的粘度；当磁场变强时，出现了增加过程中的粘度与磁场减小过程中的粘度相等的现象。

图6 平均温度34℃时磁场-粘度滞后曲线

图7 平均温度37℃时磁场-粘度滞后曲线

正如上面提到的，磁场是影响链状结构的一个重要因素，磁场增大会促进链状的形成，表现为粘度的增加；磁场减小会使链状结构分裂，表现为粘度的减小。这里可以用链状结构的形成和破裂来解释这种滞回现象。当磁场强度较大时，链状结构趋于稳定，宏观表现为粘度相同。在磁场强度较弱的阶段,磁性液体在磁场减小阶段的粘度之所以高于增加磁场阶段的粘度,可以理解为链状结构的尺寸大于磁场强度增加阶段的尺寸。即使减小阶段使链状结构分裂,但尺寸仍大于增加阶段的尺寸,因此出现了这种现象。随着磁场强度降低到最初的最低值时,磁性液体几乎无链状结构的存在,因而粘度值也相同,恢复到开始的情况。

图8 磁场不变时粘度增加率随温度变化的曲线和拟合曲线

ψ=3.96659exp(-T/12.81591)+0.32925

(6)

可以得出，温度越高其粘度增长率越小，当温度到了一定的数值T ℃以后，拟合曲线的指数项趋向于0，即粘度增长率将不再变化。这说明T ℃以后，磁场的增加情况主要取决于外加磁场的大小，与温度的关系较小,说明高温条件下用磁场对粘度进行调节是可行的。

3.2 理论验证

通过查阅文献[10]得到,外加磁场条件下磁流体粘度ηH可表示为：

ηH(T,P,H)=ηf0+K1·Δη(H)

(7)

式中ηf0为无磁场作用时的磁流体润滑油膜粘度(Pa·s)，Δη为外加磁场作用下磁流体润滑油膜的粘度增量(Pa·s).考虑到温度和磁场对其影响，对式(6)进行修整得：

ηH(T,P,H)=ηf0+(KH·KT)·Δη(H)

(8)

其中，KH为只考虑磁场时的比例系数，KT为只考虑温度时的比例系数，均可通过实验获得。

当只虑磁场对粘度变化的影响时，根据磁场强度对粘度变化率的定义，可以得出:

KiH=(ηH-ηf0)/ΔB

(9)

其中i=1,2,…，n,取平均值为其影响系数，可得

(10)

表2 比例系数k的取值

(11)

将一系列温度下的磁场影响系数取平均值，即可得到磁场的影响系数

(12)

此外，测试了一组磁场和温度都变化的粘度实验，根据定义式(7)可得KH·KT=1.337，将表2所得KH带入KH·KT=1.337，可得KT=0.682.综上可知，KH>1，说明磁场对粘度的增加起到积极作用，KT<1，说明温度对粘度的增加起到了消极作用。

4 结 论

(1)理论计算了磁流体的粘温特性以及磁粘特性曲线，通过与实验值的对比，发现两者吻合。研究表明磁流体是一种特殊的流体，具有流体普遍的特性，即当磁场大小不变时，粘度随着温度的升高而降低。在外磁场的作用下，粘度随着磁场的增加而增大，呈现出非牛顿流体的性质，主要是磁场会促使链状结构的形成，链状结构对于磁性液体流动的阻碍变大，宏观表现为有磁场的粘度增加。

(2)当磁场较弱的时候，出现了磁粘滞后现象，这是由外加磁场对链状结构的形成和分裂的影响结果。

[1] 王建梅，黄庆学，丁光正. 轧机油膜轴承润滑理论研究进展[J].润滑与密封, 2012,37(10):112-116.

[2] 池长青. 均匀磁场中铁磁流体润滑的轴颈轴承[J]. 航空动力报, 2000,15(2):174-178.

[3] 王淼，王建梅，蔡敏. 油膜轴承润滑油温度特性实验研究[J]. 太原科技大学学报: 2014,35(1):44-48.

[4] HIROSHI YAMAGUCHI, XIAO-DONG Niu. Dynamic rheological properties of viscoelastic magnetic fluids in uniform magnetic fields[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2012， 324 (20): 3238-3244.

[5] CHUNCHENG YANG, XIUFANG BIAN. An investigation of a viscosity-magnetic field hysteretic effect in nano-ferrofluid[J]. Journal of Molecular Liquids , 2014,196 (8) :357-362.

[6] Vshivkov S A, Rusinova E V. Phase diagrams and rheological properties of cellulose ether solutions in magnetic field[J].European Polymer Journal , 2014,59 (10) :326-332.

[7] HAOBO CHENG, YAM YEUNG. Viscosity behavior of magnetic suspensions in fluid-assisted finishing[J].Progress in Natural Science, 2008,18 (1) :91-96.

[8] QIANG LI, YIMIN XUAN. Experimental investigations on transport properties of magnetic fluids[J].Experimental Thermal and Fluid Science, 2005, 30 (2): 109-116.

[9] SHIGEMITSU SHU CHI, HIROSHI YAMAGUCHI. Viscosity characteristics of water based magnetic fluids mixing a water soluble polymer[J].Physics Procedia, 2010,9(7):117-120.

[10] WANG JIANMEI, KANG JIAN fENG. Viscosity monitoring and control on oil-film bearing lubrication with ferrofluids[J].Tribology Internationa,2014, 75 (7): 61-68.

Research and Analysis of Viscosity Properties for Magnetic-fluid-lubrication Oil-film Bearing Oil

JIANG Hong-wei1, ZHANG Ya-nan2, WANG Jian-mei2,ZUO Zheng-ping2, ZHANG Yan-juan2

(1.Taiyuan Heavy Industry Engneering Center, Taiyuan Heavy Mahcinery Group, Taiyuan 030024, China;2.School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

In order to study the viscosity properties of magnetic fluid used in oil-film bearing, the NDJ-5S digital viscometer was adopted to measure the viscosity of magnetic fluid under different magnetic field and different temperature. The results show that compared with the experimental value, the curve of viscosity-temperature properties and magnetic-viscosity properties for magnetic fluid in theoretical calculation shows that both are coincident with each other. Meanwhile, the oil-film viscosity will increase with the increase of the magnetic field, and decrease with the increase of the temperature. The appearance of magnetic stick hysteresis with the weakening magnetic field is the result of the formation and division of the chain structure affected by magnetic field. When the temperature is higher than T ℃, viscosity increase mainly depends on the applied magnetic field, and has less relationship with the temperature, which means that controlling the magnetic field to adjust viscosity under the high temperature condition is feasible. This paper provides a method which can change magnetic liquid viscosity by current control field, and can provide reference and basis for further research on the lubricating performances of oil film.

magnetic fluid， magnetic field， viscosity properties， theoretical proof.

2015-12-15

山西省自然科学基金项目(201601D011049)；山西省专利推广实施资助专项(20161005)；山西省研究生教育创新项目(2015113)

姜宏伟(1978-)，男，工程师，主要研究方向为先进制造技术；通信作者：王建梅教授，E-mail: wjmhdb@163.com

1673-2057(2016)05-0400-06

TM714

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.013