外磁场对磁流体油膜轴承性能影响研究

2019-10-23赵雅琪王建梅侯定邦罗永成

太原科技大学学报 2019年5期

赵雅琪，王建梅，侯定邦，罗永成

(太原科技大学重型机械教育部工程研究中心;山西省冶金设备设计理论与技术省部共建国家重点实验室培育基地，太原 030024)

油膜轴承由于其承载能力大，速度范围宽，抗冲击性强等优点被广泛应用于钢铁、矿山、冶金、电力、航空航天等关键设备上[1-3]。重载、高温、高速的工作环境要求轧机油膜轴承在工作过程保持运转的稳定性且不失效。轴承衬套与轧辊之间的润滑介质将对轴承工作性能产生至关重要的影响。新型铁磁流体润滑油的应用能有效地改善油膜轴承的工作性能。

磁流体是一种新型的具有磁性的液固两相流液体，其磁性遵循电磁学规律可受磁场控制。其组成成分中的磁性颗粒尺寸极其微小，粒度基本在8～10 nm范围之间，且只占磁流体总体积的10%以下，铁磁流体的最终形态是一种稳定的胶体混合物。通过合理施加外磁场作用力，铁磁流体可保持在轴承润滑区域，改善轴承润滑性能，提高轴承承载能力，提高轴承运行稳定性。

近年来，许多专家与学者对磁流体在外磁场作用下的性能变化做了大量的研究。Tze-Chi Hsu等研究表明外磁场作用力会对轴承润滑性能产生显著影响[4-5]；Shah，R.C等通过实验研究证实均匀磁场对轴承不产生任何影响[6]；Osman等采用有限差分法计算，用计算所得油膜压力值来研究多种外加磁场模型作用于轴承是的静态行为[7-8]；Yanjuan Z等基于Biot-Savar定理计算推导出一螺线管外磁场数学模型[9-10]；Wang J等研究了铁磁流体粘度在油膜温度、油膜压力、磁场强度三种影响因素下的性能变化，发现油膜压力对磁流体粘度影响相对较小，磁场强度的粘度增量可以改善温度升高时的粘度下降[11-12]。

磁流体油膜轴承因其结构、安装问题等问题，目前大量研究仍停留在理论阶段。本文基于我校大型油膜轴承试验台设计生产一螺线管外磁场模型，通过实验研究其外磁场的磁场分布以及磁流体粘度与温度、粘度与磁场强度之间的关系，发现油膜工作区域外磁场强度最大，合理施加外磁场作用力可有效提高磁流体粘度特性改善轴承工作性能。

1 磁流体油膜轴承外磁场设计与计算

油膜轴承作为关键承载部件多在高速重载的恶劣工况下工作。在连续工作过程中润滑油温度升高，致使润滑油粘度受到影响而降低，润滑油粘度的降低会进一步导致承载油膜变薄甚至发生破裂。转轴与衬套之间无润滑油作用，两者之间将会相互挤压、磨损导致衬套磨损、剥落从而致使轴承失效。与传统润滑方式相比，磁流体润滑方式可以有效提高轴承润滑性能以及其承载性能。磁流体润滑油与传统润滑油最大的不同之处就在于其具有磁性，其磁性来源于其组成成分中的固相磁性微粒。为了有效地控制磁流体的行为，外加磁场对其施加的作用力是决定性的。合理的外部磁场能提高油膜粘度，改善油膜轴承润滑环境，延长轴承使用寿命。本文设计了一多层密匝螺线圈为磁流体轴承提供外磁场作用力，见图1。

图1 螺线管实物图Fig.1 The multilayer-turn solenoid

采用CA6140型号的车床加工螺线管，根据实验要求确定螺线管相关尺寸及特性参数，见表1。

表1 螺线管相关参数
Tab.1 The relative parameters of the solenoid

参数数据参数数据线圈材料红铜螺线管长度/mm180螺线管外半径/mm/154线圈电阻6.2螺线管内半径/mm123线圈电阻率1.75e-8轴向线圈匝数85线圈直径/mm2径向线圈匝数14相对磁导率0.999979

根据Boit-Savar定理由单线圈上某一电流源推导得到多层密匝螺线管所产生的磁感应强度。在笛卡尔坐标系下，将螺线管所产生的磁感应强度分解至x,y，z三个方向。由于螺线管结构的对称性，周向方向的磁感应强度为0(Bz=0)，轴向与径向磁感应强度公式如下[9-10]：

(1)

(2)

其中,

L——螺线管长度/m，R1——螺线管内径/m，μ0——相对磁导率，R2——螺线管外径/m，n2——螺线管层数，n1——螺线管匝数。

2 外磁场性能实验研究

2.1 外磁场实验测量研究

实验测量原理基于霍尔效应。当霍尔感应器受到磁场作用时，其中的带电粒子因受洛伦兹力作用发生偏转，感应片固体材料中的带电粒子在与磁场垂直的方向产生正负电荷的聚集，电荷聚集形成附加的横向霍尔电场并将这种电场强度输出为该点的磁感应强度值。实验装置图见图2。

图2 实验测量装置Fig.2 The device of the experiment

实验过程通过水平尺与竖直尺来确定要测量的位置点，通过调节霍尔感应片的方向可分别测量出轴向与径向方向的磁感应强度。基于该实验测量装置，在螺线管通电电流强度分别为3A，4A，5A三种情况下测量通电螺线管内部的磁场感应强度。测量结果如图3所示。

图3为实验测量结果。(a)为螺线管内部空间不同轴向与径向位置处的轴向磁感应强度。由图可知，Bx分别关于轴向与径向方向对称，沿轴向方向呈先减小后急剧增大的变化趋势。沿径向方向自中心处起向两边逐渐减小，越靠近衬套处减小幅度越大，在衬套轴向边缘处出现Bx激增情况，最大值出现在衬套边缘处。(b)为螺线管内部空间不同轴向与径向位置处的轴向磁感应强度。由图可知,By沿轴向方向关于中心对称，中心处By=0，自中心处向两侧逐渐增大，靠近衬套的区域内增加速率较大。沿径向方向呈数值相互对称但方向相反的情况。最大值出现在衬套边缘处。

对比图3(a)与图3(b)，在螺线管内部区域内Bx要远大于By，Bx在外磁场模型螺线管产生的磁感应强度中占主导作用。

图3 外磁场测量实验结果Fig.3 The result of the experiment

(c)为不同电流强度下轴向磁感应强度对比图。(d)为不电流强度下径向磁感应强度对比图。由图可知，轴向与径向磁感应强度随着电流强度增大而增大。

如上所述，螺线管内部区域磁场强度可通过调节螺线管通电电流的大小进行控制。轴向磁感应强度大于径向磁感应强度，起到主导作用，径向磁场强度可忽略，这与文献[9]吻合。螺线管所产生的磁感应强度在衬套边缘处达到最大，可起到加强轴承密封性能的作用。

2.2 粘温实验研究

粘度是评价润滑油性能的一个重要指标。在轴承工作过程中，润滑油粘度指标的变化规律对轴承工作性能产生至关重要的影响。粘温实验装置如图4所示。

根据Shilioms转动粘度理论，磁流体在外加磁场作用下的粘度为[13]：

ηH=ηf0+Δη=

(3)

其中，β——管流涡旋矢量与外加磁场强度之间的夹角，η——磁流体的粘度增量。

图4 粘度测试系统示意图

Fig.4 The test system of viscosity

图5 不同温度外加磁场作用下磁流体的粘度特性曲线

Fig.5 The viscosity characteristic curve of magnetic fluid under the effect of magnetic field at different temperatures

图5所示为磁流体润滑油粘度在磁场强度影响之下的变化趋势。根据(3)理论计算温度为30 ℃是的粘度变化值并通过实验测定了磁流体在温度为34 ℃与37 ℃时的粘度。通过对比分析，理论计算结果与实验测量结果相互吻合，并且工作温度会对磁流体产生消极影响而磁场强度对磁流体产生积极影响，这种变化趋势在一定程度上抵消了温度对粘度所称生的影响，提高了油膜压力改善了轴承工作性能。

如上所述，温度一定时随着磁场强度的增加磁场区域内的磁流体粘度增加。磁场强度一定时随着温度增加磁场区域内的磁流体粘度减小。外磁场所产生的磁感应强度可以有效地增加磁流体润滑油粘度，提高油膜承载能力降低轴承失效率。