磁性液体轴承润滑研究进展

2022-09-16王建梅

轴承 2022年9期

王建梅

(太原科技大学重型机械教育部工程研究中心，太原 030024)

1 概述

随着工业技术的发展，传统润滑介质在高载荷、高低温和真空等极端工况下已无法满足高端装备对轴承高性能、高可靠性、高精度、无污染、超润滑、长寿命等的需求，如在航空航天、深海探测、国防武器装备等领域的严苛工作条件下，轴承寿命急剧缩短，给设备的安全运行带来不可估量的损失。磁性液体作为一种智能化纳米润滑介质，具备良好的承载能力、自清洁能力和自我修复能力等特性，其中的纳米颗粒可以填补工作表面的划痕和凹槽，在外部磁场的作用下，通过给定区域精准润滑，有助于保证润滑的稳定性，避免润滑剂对外界的污染，实现润滑系统的智能化[1]。

磁性液体是由分散剂、磁性颗粒和基载液组成的胶体悬浮液(图1)，既具有流动性也具有磁性。在外磁场的作用下[2]，磁性液体的润滑性能会显著提高，通过控制和定位磁性颗粒，可以显著降低摩擦阻力，提高设备的工作效率，而且能延长服役寿命，降低能量损耗，满足绿色润滑技术的发展需求，因此在诸多高科技领域具有潜在的应用前景。

图1 磁性液体的组成[3]

近年来，国内外学者对磁性液体轴承润滑机理进行了相关研究：1)理论研究方面，对磁性液体动力学理论、磁性液体轴承润滑模型等做了探讨与改进；2)数值模拟方面，采用有限差分法、有限元法、多重网格法、Elrod空化算法等分析了磁性液体润滑问题；3)试验方面，不同程度地研究了各关键因素对磁性液体润滑特性的影响。然而，磁性液体润滑的应用仍处于理论探索与初步试验研究阶段，缺乏完善的润滑理论与全面的试验验证，亟待更加深入的科学研究，本文就国内外磁性液体轴承润滑理论、数值模拟和试验研究等工作进展进行综述。

2 磁性液体轴承简介

磁性液体轴承是磁性液体润滑技术的重要工程应用之一，通常由轴、端盖、磁场发生装置、磁性液体及轴承座等组成，结构如图2所示。其工作原理是由磁场发生器产生磁场，将磁性液体控制在承载区域内，磁性颗粒随着磁场的方向进行有序排列，进而动态调控磁性液体的黏度，随着磁场强度的增加，磁性液体的黏度和承载能力会有不同程度的提升。磁性液体轴承的润滑特性与磁场强度、温度、载荷、磁性液体的体积浓度和黏度以及轴承结构参数等诸多因素密切相关。

1—轴；2—端盖；3—磁场发生器；4—液体注入孔；5—轴承座；6—轴套；7—磁性液体。

磁性液体轴承主要有以下特点：由于磁性液体能够被控制在承载区域内，在接触区不会出现干摩擦，有助于减小或消除磨损，提高轴承的使用寿命；具有良好的自密封性能，对外界不产生污染，同时外界的污染物也难以进入轴承间隙；在低速重载、高温、真空等条件下仍可形成润滑油膜；无需供油系统，节省润滑油；但磁性液体轴承结构复杂，技术要求高，高饱和磁化强度的磁性液体制备难度大，导致磁性液体润滑技术无法得到广泛应用，仅在航空航天、卫星与潜艇制导等尖端科学技术中有所应用。

3 磁性液体润滑理论

磁性液体润滑理论是研究磁性液体实际工程应用的基础，对磁性液体轴承的设计和研究具有重要的指导意义。对磁性液体轴承润滑而言，油膜的润滑性能以及轴承的承载能力受外磁场强度、磁性颗粒间耦合应力、轴承表面粗糙度、磁性液体黏度、固液界面的相互作用等多因素的影响。

3.1 磁性液体动力学理论

磁性液体动力学理论主要是关于磁性液体的运动规律及其与边界相互作用的研究。磁性液体动力学模型是研究磁性液体润滑的基础，典型的磁性液体动力学模型有：1) Gogosov相流模型，将基载液和磁性颗粒看作2个不同的相，应用复杂且磁性颗粒直径较小，两相不易区分开；2)Shliomis微极模型，考虑磁性颗粒在外加磁场作用下的微极旋转作用，与润滑油膜的剪切率相比，磁性颗粒之间的微极旋转作用较小；3)Rosensweig简化模型，形式简单，应用方便，符合磁流体作为润滑介质的力学本质[3]。

国内外学者针对典型的磁性液体动力学模型开展了相关的磁性液体动力学理论应用研究：文献[4]应用Shliomis模型，在磁场的作用下推导了磁性液体润滑的动态雷诺方程，获得动态特性解析解；文献[5]考虑磁性颗粒的旋转，使用Shliomis模型研究了磁性液体滑动轴承的流体动力润滑，分析了轴承的静态特性，发现随着旋转黏度、磁化强度和铁磁性颗粒的体积浓度的增大，油膜压力、承载能力、姿态角和侧泄漏量增大，摩擦因数减小；文献[6]基于R E Rosensweig的铁磁流体动力学理论和连续性方程，推导了修正的雷诺方程，研究了圆形多孔挤压油膜轴承设计系统的承载能力，考虑磁场和挤压速度的影响，运用磁性液体流动的Shliomis模型和连续性方程，研究了不同滑动轴承润滑的修正雷诺方程；文献[8]研究了振荡磁场对不可压缩磁性液体非定常流动的流变效应，应用Shliomis理论推导圆盘旋转而产生的磁性液体流动的控制方程，分析不同磁化参数和磁性颗粒体积分数对速度分布的影响，发现外加磁场和流动涡度不共线时，磁化参数会对轴向速度产生额外的阻力；文献[9]利用Shliomis模型研究磁性液体润滑的粗糙短轴颈轴承的性能，运用雷诺方程导出量纲一形式的压力和承载能力的表达式，发现基于Shliomis模型的磁性液体润滑可以显著抵消轴承表面粗糙度对其承载能力的负面影响；文献[10]采用Neuringer- Roseinweig的磁流体流动模型，研究了耦合应力影响下横向粗糙阶梯板上磁性液体油膜的润滑性能，研究结果表明磁性液体润滑能够显著增加耦合应力的积极作用，改善孔隙率和表面粗糙度带来的负面效应。

以上磁性液体动力学理论的应用研究是深入开展磁性液体润滑研究的前提，为建立准确、可靠的磁性液体动力学模型提供了科学依据；但是，如何针对具体研究对象，建立适用于不同实际工况要求，尤其是极端工况与特殊环境下的磁性液体动力学模型，仍然是深入开展磁性液体动力学理论研究的难点和重点。

3.2 磁性液体轴承润滑理论

磁性液体轴承润滑是磁性液体动力学理论的典型应用，是油润滑轴承的特点与纳米磁性液体优势的完美结合。磁性液体因其独特的性能在润滑领域具有极大的潜质，本节结合油膜轴承的应用工况，对外磁场作用下磁性液体的体积浓度、黏度以及轴承偏心率、宽径比等诸多因素对磁性液体轴承润滑性能的影响进行说明。

文献[11]基于磁性液体润滑特性建立油膜轴承动静特性的数学模型，研究了轴承几何参数、材料物理参数与外加磁场强度之间的关系。文献[12]建立磁性液体轴承模型并结合随机模型改进雷诺方程，推导了轴承润滑性能的解析表达式，发现在体积浓度、磁参数、表面粗糙度和偏心率较高的情况下，轴承的承载能力增大和摩擦因数减小更为显著。文献[3]基于油膜轴承润滑理论，引入磁性液体油膜刚度的概念，建立磁场、流场、固体场耦合的数学关系模型，给出了磁性液体润滑性能参数的关联度和权重关系，推导了有限螺线管任意点磁感应强度的数学模型，得到了轴承缠绕螺线管内部磁感应强度，定量给出了距离衬套内壁1 mm范围内的轴向磁感应强度，同时对比研究了不同外加磁场设计时的磁感应强度分布，不同外加磁场模型结构简图如图3所示。

(a)永磁铁磁场模型

文献[14]对磁性液体轴承进行数值分析，研究了轴承参数对油膜压力、承载力以及偏位角的影响。文献[15]基于滑动轴承挤压动力效应和旋转效应耦合作用，研究了滑动轴承挤压动力效应、磁性液体内聚力和磁性液体耦合应力对滑动轴承润滑性能的影响，径向磁性液体轴承及磁场分布如图4所示。文献[16]研究了在随机表面粗糙度和磁场共同作用下磁性液体对长轴颈轴承润滑性能的影响，研究表明在较高的幂律指数和磁场强度下，横向表面粗糙度可以提高油膜压力和承载能力。文献[17]分析了在外磁场作用下，非牛顿磁性液体润滑有限轴颈轴承的静态和动态特性，结合动量方程和连续性方程，得到控制油膜压力的雷诺方程，研究了轴承性能参数对润滑系统稳定性的影响规律。文献[18]研究了考虑轴承变形的旋转弯曲横向粗糙多孔圆板中磁性液体油膜的润滑性能，发现使用磁性流体润滑会改善横向表面粗糙度对润滑性能的影响，轴颈变形会降低轴承的承载能力。文献[19]考虑滑动和挤压速度、入口-出口膜厚比及材料特性等的影响，建立了综合计入摩擦力、摩擦因数、承载能力和压力中心位置等因素的磁性液体轴承润滑数学模型，有助于滑动轴承的设计和改进。

图4 径向磁性液体轴承及其磁场分布[15]

以上文献建立了综合考虑多因素影响的磁性液体轴承润滑模型，开展了不同外加磁场的结构设计与仿真研究，从理论上不同程度地阐述了磁性液体轴承润滑的可行性和合理性。考虑到外加磁场的施加对磁性液体润滑油膜的性能有着重要影响，因此，磁性液体轴承润滑需要重点关注如何合理施加磁场和设计磁路，同时结合非牛顿磁性液体润滑介质特性和固液润滑界面作用机制开展相关研究工作。

4 磁性液体润滑数值模拟

4.1 磁性液体润滑数值分析

不同流体力学数值分析方法的基本原理都是采用离散化方法，求解固定几何空间内的流体质量、动量、能量等方程，以得到任意一点的速度、压强、应力等物理量。

文献[20]利用格子玻尔兹曼方法研究热导率比、瑞利数和达西数等参数对流动和传热特性的影响，解决了装配过程中磁性液体变形以及磁性液体被轴携带的难题。文献[21]考虑热效应改进雷诺方程，建立磁性液体滑动轴承的弹流润滑模型，运用多重网格法对比了不同基载液磁性液体的膜厚和压力分布。文献[22]采用有限差分法研究了磁性液体润滑油膜应力分布和稳定状态时的偏位角，分析了轴承的结构参数对磁性液体轴承油膜承载特性的影响规律。文献[23]应用多重网格法和多重网格积分法建立弹流磁性液体润滑模型，分析冲击载荷对磁性液体弹流润滑的影响。文献[24]考虑高斯随机粗糙度、时变效应和热效应，使用多重网格法提出修正的混合润滑模型，求解了磁性颗粒尺寸和磁场强度对粗糙椭圆接触成膜及磨损的影响。文献[3]利用多重网格法和有限元法求解磁性液体润滑油膜轴承的油膜方程，获得油膜特性参数，研究了不同油膜特性参数与磁场强度之间的关系，如图5 所示。

图5 有无磁场作用时油膜参数的变化[3]180-181

以上数值分析方法已成为磁性液体润滑数值分析的重要工具，但是现有的润滑理论忽略了高低温和真空等众多实际因素。因此，如何依据实际情况构建合理的假设条件，尤其是考虑极端工况与特殊环境的影响，综合诸多因素的相互作用，是开发高精度计算算法的重要前提。

4.2 磁性液体润滑有限元模拟

有限元方法是将整个求解域划分为若干个连通单元，取近似解为单元节点的插值函数，得到节点处未知场函数的值，进而得到问题的解。

文献[25]建立了油膜轴承润滑油膜的数学模型，开发了磁性液体润滑油膜计算软件，分析了磁性液体润滑油膜轴承的承载特性，得到了磁场强度与油膜压力及温度的关系。文献[26]建立磁场有限元模型，分析了不同外磁场作用下磁性液体油膜轴承的磁场分布特性。文献[27]考虑黏温效应计算了动压滑动轴承的润滑油黏度，对比等黏度与变黏度情况下动压滑动轴承的油膜压力与承载力、油膜的轴向与周向温度分布。文献[28]对磁场作用下的直角三角形腔体内磁性液体流动和传热进行研究，基于有限元方法模拟研究了磁性颗粒(Fe3O4)的体积分数、加热元件的长度和无量纲数(包括瑞利数和哈特曼数)、对流线、等温线和努塞尔数的影响。文献[29]运用分子动力学模拟构建了磁性液体分子动力学模型，从微观尺度分析了磁性液体对轴承润滑性能的影响，磁性液体固液界面润滑过程如图6所示，结果表明：磁性液体润滑摩擦因数相比油润滑下降约50%，磁性液体分子间相互作用较强具有较好的黏度特性。

(a)分子动力学润滑模型

以上磁性液体润滑有限元模拟研究涵盖了宏观和微观尺度的求解问题，为磁性液体润滑的工程应用提供了一定的理论依据。后续的研究难点在于跨尺度微观建模，高精度网格划分以及离散方法的优化，以提高有限元模拟的真实性和计算结果的可靠性。

5 磁性液体润滑试验

上述磁性液体润滑理论和润滑数值模拟研究为磁性液体应用于高端轴承润滑提供了理论基础，但理论模型的合理性以及数值方法的可行性必须经过试验验证。现结合磁性液体润滑与摩擦试验，说明磁性液体物理性能、外加磁场条件等对磁性液体轴承润滑的影响。

5.1 磁性液体润滑性能试验

在磁场作用下，磁性液体内部剪切应力及外加载荷等因素对磁性液体黏度和其流动性能有着重要的影响。

文献[30]分析了不同浓度油基磁性液体的蠕变行为和磁性液体流变的微观作用机理，试验发现了磁场强度、应力和温度对磁性液体蠕变的影响规律。文献[31]研究了黏弹性磁性液体在外部均匀磁场作用下的动态流变特性，分析了不同质量比黏弹性流体的流动性能。文献[32]设计了一种为磁性液体提供磁场的螺线管，采用单因素研究方法分析了油膜参数以及磁场强度对磁性液体黏度的影响规律，螺线管磁场测试示意图如图7所示。文献[33]制备了Fe3O4-Ag油基磁性液体，用旋转流变仪测量Fe3O4磁性液体和Fe3O4-Ag磁性液体的剪切应力和黏度，发现相比Fe3O4磁性液体，Fe3O4-Ag磁性液体的黏度显著增加。文献[34]研究外磁场作用下的磁性液体轴承承载能力及摩擦性能，发现承载力可以将摩擦副分离，使摩擦副之间的摩擦力减少。文献[35]研究了磁性液体对推力球轴承润滑性能的影响，发现在轴承润滑不足的情况下，外磁场的作用会减少磁性液体的磨损。文献[36]介绍了磁性液体润滑滑动轴承的研究成果，发现在局部恒定磁场作用下，磁性液体能够改善轴承的局部流动阻力和压力，相比油润滑，使用磁性液体润滑的轴承在低速时可以观察到相对更厚的流体膜以及有利的压力分布。

图7 螺线管磁场测试示意图[32]35

由磁性液体润滑性能试验可知，外磁场的作用和磁性液体内的纳米颗粒不仅能提高磁性液体的黏度，而且有助于提高磁性液体的承载能力。

5.2 磁性液体摩擦特性

磁性液体中存在大量纳米级磁性颗粒，可以起到近似微型滚动体的作用，在滑动轴承润滑中也能同时发挥滚动轴承的优点，不仅有利于修复轴承表面的磨损，还能起到抗磨减摩的作用。

文献[37]提出一种具有磁性表面织构的新型磁性流体润滑结构，研究了磁性表面织构对磁性液体摩擦特性的影响。文献[38]通过对四球摩擦磨损试验机改进实现了磁场的连续可调，研究磁性液体在磁场作用下的摩擦学性能，发现在连续变磁场作用下，摩擦因数随磁场强度的增大而增大，随磁场强度的减小而减小。文献[39]制备了油基Fe3O4磁性液体，运用旋转摩擦的测试方法进行摩擦磨损试验，如图8所示，发现在磁性液体润滑状态下，摩擦表面磨损与犁沟明显改善，平均摩擦因数最低，其原因可能为：磁性液体中的纳米磁性颗粒填充在表面沟壑、凹坑中起到了一定的修复作用；纳米磁性颗粒在磨损过程中发生一系列物理化学反应，在摩擦表面形成一层氧化膜，从而提高了摩擦表面的抗磨减摩能力。文献[40]研究了磁性液体在一定磁场强度和振荡频率范围内的微动摩擦磨损特性，结果表明磁流变液的摩擦磨损性能随磁场强度和振动频率的变化而变化。

图8 摩擦磨损试验[39]39

文献[41]制备了一种用于高温钢-钢滑动副的磁性液体润滑剂，发现摩擦副在滑动过程中会发生摩擦化学反应，在摩擦盘表面形成边界润滑膜，滑动区过量的Fe3O4颗粒可能导致滑动副的磨粒磨损。文献[42]在边界润滑条件下，运用摩擦试验机研究了磁性液体的摩擦学性能。文献[43]在聚甲基丙烯酸甲酯点接触中开展磁性液体摩擦学特性试验研究，发现颗粒尺寸和外加磁场对摩擦因数和磨痕体积均有影响，磁场存在时磨损略有减小。文献[44]使用高频往复式试验台对超顺磁性液体进行了摩擦学试验，分析了磁场、粒度和浓度对摩擦学性能的影响，试验表明磁场作用下磨损表面的凹槽和深度都会减小。

以上研究通过试验证实磁性液体应用在不同材料摩擦副中确实能够起到抗磨减摩的作用；但磁性液体在工程中的应用必须结合中试运行评价其润滑性能，目前缺乏结合实际工况的各类台架试验，尤其是模拟高温、真空等极端环境的试验。