傳動裝置磁流變液瞬態溫度場研究

摘 要：磁流變液是一種特殊的懸浮液，將其應用在傳動裝置中，具有能耗低、結構簡單等等優點。在滑差工況下，磁流變液中的磁性顆粒會因為主從動摩擦副間的轉速差發生摩擦，進而放熱導致其溫度上升，會影響到傳動裝置的性能。本文主要介紹一種多盤式磁流變傳動裝置并針對該裝置對磁流變液的瞬態溫度場進行研究分析。

關鍵詞：傳動裝置；磁流變液；瞬態溫度場

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.257

0 引言

微米級的軟磁性顆粒均勻的分散在基載液及穩定劑中形成的一種懸浮液，即磁流變液。一般情況下，磁流變液為自由流動狀態，受到外加磁場作用后會迅速轉變為半固體狀態，且這種狀態下，磁流變液具有可控剪切屈服強度，因此在傳動裝置中常常會以該種懸浮液作為傳動介質。但當在滑差工況下，磁流變液中的磁性顆粒會因為主從動摩擦副間的轉速差發生摩擦，進而放熱導致其溫度上升，一定程度上影響了裝置的傳動性能。本文主要以多盤式磁流變傳動裝置為基礎，研究磁流變液的瞬態溫度場。

1 多盤式磁流變傳動裝置簡介

多盤式磁流變傳動裝置中存在多組圓盤，結構如圖1所示。該傳動裝置中，主動轉子與主動軸相連，從動轉子與從動軸相連，圓盤插于轉子上，并使用隔離環將相鄰的圓盤分隔開來，形成一個個工作間隙，間隙中密封有磁流變液。未通電狀態下，磁流變液自由流動，主動盤與從動盤分離；通電狀態下，工作間隙內會產生磁場，磁流變液在磁場作用下迅速轉變為半固體狀態，具有一定的可控剪切屈服強度，主動盤與從動盤結合，電流大小不同，主從動盤之間的結合程度不同，傳動裝置的狀態不同。一般情況下，磁流變傳動裝置都處于同步運轉狀態，但偶爾也會出現滑差狀態，滑差工況下，傳送裝置的磁流變液溫度會迅速升高。

2 數值仿真

2.1 基本參數

某多盤式磁流變傳動裝置有8個工作間隙，圓盤內徑為76mm，外徑為116mm，圓盤結構及邊界具有對稱性，二維軸對稱熱分析模型使用ANSYS 軟件建立，選取四節點二維平面單元 PLANE55，模型建立過程中采用網格將工作間隙進行劃分并局部細化，可以得到一個有限元模型，仿真過程中假設所有材料的物理參數恒定不變。

2.2 邊界條件

當t=0時，將傳動裝置各點溫度T0設置為25℃；考慮到傳動裝置周圍空氣與裝置外表之間存在著熱輻射換熱及對流換熱，復合換熱系數α取為 9. 7 W/（m 2·K）；傳動裝置各個工作間隙區域的生熱率與圓盤半徑呈線性關系，因此，通過徑向梯度載荷的方式將其施加在節點上。

2.3 仿真結果

（1）溫度場分布規律

（2）軸向間隙溫度分布。將傳動裝置的8個工作間隙由左至右依次編號，各個間隙的生熱率相同，但外界換熱條件受到軸向位置的影響存在著一定的差別。① ～ ④號間隙的磁流變液溫度隨滑差時間的變化情況見圖2，由圖可以看出，②、③號間隙介于① 、④號間隙之間，①號為最邊緣間隙，滑差工況下，④號間隙磁流變液的溫度較高，①號間隙最低，且越靠近邊緣，溫度越低?；顒傞_始時，四個間隙的磁流變液溫度差異較小，隨著時間的推移，溫差逐漸拉大。

（3）磁流變液溫度場。分析磁流變液溫度場時將傳動裝置的滑差功率設定為5 kW，下文主要分析④號間隙內部的磁流變液的溫度場，分別記錄10 s、 30 s及60 s時磁流變液溫度分布規律可以知道，不同時刻磁流變液表面溫度場的分布規律大體一致，由于工作間隙邊緣處磁流變液與外界的對流換熱效果較好，因此外徑處產生的大部分熱量已經散出去，反而是工作半徑中心處散熱較慢因此溫度最高。

2.4 影響溫度分布的主要因素

（1）滑差功率。在④號間隙的磁流變液中取3個不同的點，三點與圓盤原點的距離分別為76mm、96 mm、116 mm。分析滑差功率為5kW、10 kW及15 kW時各點的溫度變化情況，可以得到以下結論：隨著滑差時間的不斷增加，磁流變液的溫度變化趨勢近似線性增長，且功率越大，增長的越快。主要是因此滑差功率越大，單位時間內工作間隙先生的熱量越多，但散熱的效率基本一致，因此功率越大，磁流變液溫度上升越快；滑差功率圍為15 kW時，距離圓盤原點96 mm處的磁流變液在30s時間內上升了270℃左右，在實際的使用過程中，為了避免大功率滑差工況下磁流變液溫度過高應該盡可能縮短傳動裝置啟動及制定時間，并采取一定的散熱降溫方法，保護傳動裝置。

（2）工作間隙。在④號間隙的磁流變液中取一點，該點與圓盤原點的距離為96 mm，改變隔離環厚度調節工作間隙尺寸，分別設置工作間隙大小為0. 5 mm、1. 0mm、1. 5mm及 2. 0 mm，設置滑差功率為5 kW，時間為30s，分析滑差工況下工作間隙不同時，磁流變液溫度變化情況，得到結果如下：同樣的時間內，工作間隙越大，磁流變液的溫度越低，隨著時間的增加，溫差會變大，工作間隙增加后，單位時間內磁流變液的溫度上升幅度會降低。

3 試驗研究

為了驗證上述仿真結果，還需要進行試驗，下文簡單就實驗儀器、方法及結果進行分析。

3.1 試驗方法

試驗過程中首先使用電動機、磁流變傳動裝置、溫度傳感器、激勵電源、變頻器、 扭矩傳感器、固定支架等等裝置搭建起一個磁流變傳動溫升試驗臺。試驗開始時，使用固定支架將從動盤固定住，激勵電源將勵磁電流提供給線圈，滑差功率通過調節變頻器改變，檢測時將溫度傳感器的探頭插入到①號間隙中，主要用于測量磁流變液的溫度變化情況，系統的滑差轉速及傳遞扭矩由扭矩傳感器測量，試驗設置兩個測點，測點距離圓盤圓心的位置分別為90 mm 和 110 mm，試驗過程中記錄各狀態下的試驗數據。

3.2 結果與討論

（1）滑差功率為7 kW 時，記錄兩個測點磁流變液溫度變化情況，試驗發現90 mm處的溫度始終低于110 mm處的溫度，且隨著時間的延長，兩個測點之間的溫度差值越來越大，且110 mm處的試驗值比仿真值大，90 mm處的試驗值比仿真值小，主要是因為圓盤轉動時磁性顆粒在離心力的作用下會逐漸向間隙外徑移動，開進外徑處磁性顆粒的體積分數會有一定程度的升高導致剪切應力增加，因此單位時間內產生的熱量也會有所增加；

（2）測試不同滑差功率下磁流變液的溫度變化情況可以發現，試驗測得的兩測點的溫度變化情況與仿真值基本一致，但由于溫度傳感器的測量誤差、仿真模型及邊界條件簡化等等原因，試驗值與仿真值之間還存在一些誤差；

（3）滑差功率設置為7 kW，分別測量工作間隙為0. 5mm、 1. 0mm及1. 5 mm時磁流變液的溫度變化情況，可以發現試驗結果與仿真模擬結果基本一致，即工作間隙較小時溫度上升較快，工作間隙較大時溫度上升較慢，但由于工作間隙增大時，磁流變液的流動性會受到影響，周圍部件與磁流變液的對流換熱會加速，因此試驗結果比仿真值相比略小。

4 結束語

本文簡單介紹了多盤式磁流變傳動裝置的結構，并通過數值仿真及實驗研究分析了多盤式磁流變傳動裝置的磁流變液瞬態溫度場，研究發現在磁流變裝置中，滑差功率及軸向間隙的位置、尺寸都會影響到磁流變液溫度，軸向間隙由外向里，磁流變液的溫度逐漸上升，且隨著滑差時間的增長，各間隙之間磁流變液溫度的差異會逐漸增加；磁流變裝置中，工作半徑中心處的溫度最高，兩端處的溫度逐漸降低；滑差功率較大時，磁流變液的溫度上升較快，增大工作間隙尺寸可以在一定程度上減緩溫度的上升。

參考文獻：

[1]王建，汪永強，魏忠才等.磁流變液傳動裝置瞬態溫度場分析[J]. 煤礦機械，2015，36（10）：129-131.

[2]陳松，李峰，黃金等.溫度對磁流變液材料及傳力性能的影響？[J].材料導報，2015（16）：151-155.

作者簡介：楊建軍（1968—），男，河北平泉人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：機電生產設備及生產線自動化。