磁性液體軸承潤滑研究進展

王建梅

(太原科技大學 重型機械教育部工程研究中心，太原 030024)

1 概述

隨著工業技術的發展，傳統潤滑介質在高載荷、高低溫和真空等極端工況下已無法滿足高端裝備對軸承高性能、高可靠性、高精度、無污染、超潤滑、長壽命等的需求，如在航空航天、深海探測、國防武器裝備等領域的嚴苛工作條件下，軸承壽命急劇縮短，給設備的安全運行帶來不可估量的損失。磁性液體作為一種智能化納米潤滑介質，具備良好的承載能力、自清潔能力和自我修復能力等特性， 其中的納米顆?？梢蕴钛a工作表面的劃痕和凹槽，在外部磁場的作用下，通過給定區域精準潤滑，有助于保證潤滑的穩定性，避免潤滑劑對外界的污染，實現潤滑系統的智能化[1]。

磁性液體是由分散劑、磁性顆粒和基載液組成的膠體懸浮液(圖1)，既具有流動性也具有磁性。在外磁場的作用下[2]，磁性液體的潤滑性能會顯著提高，通過控制和定位磁性顆粒，可以顯著降低摩擦阻力，提高設備的工作效率，而且能延長服役壽命，降低能量損耗，滿足綠色潤滑技術的發展需求，因此在諸多高科技領域具有潛在的應用前景。

圖1 磁性液體的組成[3]

近年來，國內外學者對磁性液體軸承潤滑機理進行了相關研究：1)理論研究方面，對磁性液體動力學理論、磁性液體軸承潤滑模型等做了探討與改進；2)數值模擬方面，采用有限差分法、有限元法、多重網格法、Elrod空化算法等分析了磁性液體潤滑問題；3)試驗方面，不同程度地研究了各關鍵因素對磁性液體潤滑特性的影響。然而，磁性液體潤滑的應用仍處于理論探索與初步試驗研究階段，缺乏完善的潤滑理論與全面的試驗驗證，亟待更加深入的科學研究，本文就國內外磁性液體軸承潤滑理論、數值模擬和試驗研究等工作進展進行綜述。

2 磁性液體軸承簡介

磁性液體軸承是磁性液體潤滑技術的重要工程應用之一，通常由軸、端蓋、磁場發生裝置、磁性液體及軸承座等組成，結構如圖2所示。其工作原理是由磁場發生器產生磁場，將磁性液體控制在承載區域內，磁性顆粒隨著磁場的方向進行有序排列，進而動態調控磁性液體的黏度，隨著磁場強度的增加，磁性液體的黏度和承載能力會有不同程度的提升。磁性液體軸承的潤滑特性與磁場強度、溫度、載荷、磁性液體的體積濃度和黏度以及軸承結構參數等諸多因素密切相關。

1—軸；2—端蓋；3—磁場發生器；4—液體注入孔；5—軸承座；6—軸套；7—磁性液體。

磁性液體軸承主要有以下特點：由于磁性液體能夠被控制在承載區域內，在接觸區不會出現干摩擦，有助于減小或消除磨損，提高軸承的使用壽命；具有良好的自密封性能，對外界不產生污染，同時外界的污染物也難以進入軸承間隙；在低速重載、高溫、真空等條件下仍可形成潤滑油膜；無需供油系統，節省潤滑油；但磁性液體軸承結構復雜，技術要求高，高飽和磁化強度的磁性液體制備難度大，導致磁性液體潤滑技術無法得到廣泛應用，僅在航空航天、衛星與潛艇制導等尖端科學技術中有所應用。

3 磁性液體潤滑理論

磁性液體潤滑理論是研究磁性液體實際工程應用的基礎，對磁性液體軸承的設計和研究具有重要的指導意義。對磁性液體軸承潤滑而言，油膜的潤滑性能以及軸承的承載能力受外磁場強度、磁性顆粒間耦合應力、軸承表面粗糙度、磁性液體黏度、固液界面的相互作用等多因素的影響。

3.1 磁性液體動力學理論

磁性液體動力學理論主要是關于磁性液體的運動規律及其與邊界相互作用的研究。磁性液體動力學模型是研究磁性液體潤滑的基礎，典型的磁性液體動力學模型有：1) Gogosov相流模型，將基載液和磁性顆?？醋?個不同的相，應用復雜且磁性顆粒直徑較小，兩相不易區分開；2)Shliomis微極模型，考慮磁性顆粒在外加磁場作用下的微極旋轉作用，與潤滑油膜的剪切率相比，磁性顆粒之間的微極旋轉作用較??；3)Rosensweig簡化模型，形式簡單，應用方便，符合磁流體作為潤滑介質的力學本質[3]。

國內外學者針對典型的磁性液體動力學模型開展了相關的磁性液體動力學理論應用研究：文獻[4]應用Shliomis模型，在磁場的作用下推導了磁性液體潤滑的動態雷諾方程，獲得動態特性解析解；文獻[5]考慮磁性顆粒的旋轉，使用Shliomis模型研究了磁性液體滑動軸承的流體動力潤滑，分析了軸承的靜態特性，發現隨著旋轉黏度、磁化強度和鐵磁性顆粒的體積濃度的增大，油膜壓力、承載能力、姿態角和側泄漏量增大，摩擦因數減??；文獻[6]基于R E Rosensweig的鐵磁流體動力學理論和連續性方程，推導了修正的雷諾方程，研究了圓形多孔擠壓油膜軸承設計系統的承載能力，考慮磁場和擠壓速度的影響，運用磁性液體流動的Shliomis模型和連續性方程，研究了不同滑動軸承潤滑的修正雷諾方程；文獻[8]研究了振蕩磁場對不可壓縮磁性液體非定常流動的流變效應，應用Shliomis理論推導圓盤旋轉而產生的磁性液體流動的控制方程，分析不同磁化參數和磁性顆粒體積分數對速度分布的影響，發現外加磁場和流動渦度不共線時，磁化參數會對軸向速度產生額外的阻力；文獻[9]利用Shliomis模型研究磁性液體潤滑的粗糙短軸頸軸承的性能，運用雷諾方程導出量綱一形式的壓力和承載能力的表達式，發現基于Shliomis模型的磁性液體潤滑可以顯著抵消軸承表面粗糙度對其承載能力的負面影響；文獻[10]采用Neuringer- Roseinweig的磁流體流動模型，研究了耦合應力影響下橫向粗糙階梯板上磁性液體油膜的潤滑性能，研究結果表明磁性液體潤滑能夠顯著增加耦合應力的積極作用，改善孔隙率和表面粗糙度帶來的負面效應。

以上磁性液體動力學理論的應用研究是深入開展磁性液體潤滑研究的前提，為建立準確、可靠的磁性液體動力學模型提供了科學依據；但是，如何針對具體研究對象，建立適用于不同實際工況要求，尤其是極端工況與特殊環境下的磁性液體動力學模型，仍然是深入開展磁性液體動力學理論研究的難點和重點。

3.2 磁性液體軸承潤滑理論

磁性液體軸承潤滑是磁性液體動力學理論的典型應用，是油潤滑軸承的特點與納米磁性液體優勢的完美結合。磁性液體因其獨特的性能在潤滑領域具有極大的潛質，本節結合油膜軸承的應用工況，對外磁場作用下磁性液體的體積濃度、黏度以及軸承偏心率、寬徑比等諸多因素對磁性液體軸承潤滑性能的影響進行說明。

文獻[11]基于磁性液體潤滑特性建立油膜軸承動靜特性的數學模型，研究了軸承幾何參數、材料物理參數與外加磁場強度之間的關系。文獻[12]建立磁性液體軸承模型并結合隨機模型改進雷諾方程，推導了軸承潤滑性能的解析表達式，發現在體積濃度、磁參數、表面粗糙度和偏心率較高的情況下，軸承的承載能力增大和摩擦因數減小更為顯著。文獻[3]基于油膜軸承潤滑理論，引入磁性液體油膜剛度的概念，建立磁場、流場、固體場耦合的數學關系模型，給出了磁性液體潤滑性能參數的關聯度和權重關系，推導了有限螺線管任意點磁感應強度的數學模型，得到了軸承纏繞螺線管內部磁感應強度，定量給出了距離襯套內壁1 mm范圍內的軸向磁感應強度，同時對比研究了不同外加磁場設計時的磁感應強度分布，不同外加磁場模型結構簡圖如圖3所示。

(a)永磁鐵磁場模型

文獻[14]對磁性液體軸承進行數值分析，研究了軸承參數對油膜壓力、承載力以及偏位角的影響。文獻[15]基于滑動軸承擠壓動力效應和旋轉效應耦合作用，研究了滑動軸承擠壓動力效應、磁性液體內聚力和磁性液體耦合應力對滑動軸承潤滑性能的影響，徑向磁性液體軸承及磁場分布如圖4所示。文獻[16]研究了在隨機表面粗糙度和磁場共同作用下磁性液體對長軸頸軸承潤滑性能的影響，研究表明在較高的冪律指數和磁場強度下，橫向表面粗糙度可以提高油膜壓力和承載能力。文獻[17]分析了在外磁場作用下，非牛頓磁性液體潤滑有限軸頸軸承的靜態和動態特性，結合動量方程和連續性方程，得到控制油膜壓力的雷諾方程，研究了軸承性能參數對潤滑系統穩定性的影響規律。文獻[18]研究了考慮軸承變形的旋轉彎曲橫向粗糙多孔圓板中磁性液體油膜的潤滑性能，發現使用磁性流體潤滑會改善橫向表面粗糙度對潤滑性能的影響，軸頸變形會降低軸承的承載能力。文獻[19]考慮滑動和擠壓速度、入口-出口膜厚比及材料特性等的影響，建立了綜合計入摩擦力、摩擦因數、承載能力和壓力中心位置等因素的磁性液體軸承潤滑數學模型，有助于滑動軸承的設計和改進。

圖4 徑向磁性液體軸承及其磁場分布[15]

以上文獻建立了綜合考慮多因素影響的磁性液體軸承潤滑模型，開展了不同外加磁場的結構設計與仿真研究，從理論上不同程度地闡述了磁性液體軸承潤滑的可行性和合理性?？紤]到外加磁場的施加對磁性液體潤滑油膜的性能有著重要影響，因此，磁性液體軸承潤滑需要重點關注如何合理施加磁場和設計磁路，同時結合非牛頓磁性液體潤滑介質特性和固液潤滑界面作用機制開展相關研究工作。

4 磁性液體潤滑數值模擬

4.1 磁性液體潤滑數值分析

不同流體力學數值分析方法的基本原理都是采用離散化方法，求解固定幾何空間內的流體質量、動量、能量等方程，以得到任意一點的速度、壓強、應力等物理量。

文獻[20]利用格子玻爾茲曼方法研究熱導率比、瑞利數和達西數等參數對流動和傳熱特性的影響，解決了裝配過程中磁性液體變形以及磁性液體被軸攜帶的難題。文獻[21]考慮熱效應改進雷諾方程，建立磁性液體滑動軸承的彈流潤滑模型，運用多重網格法對比了不同基載液磁性液體的膜厚和壓力分布。文獻[22]采用有限差分法研究了磁性液體潤滑油膜應力分布和穩定狀態時的偏位角，分析了軸承的結構參數對磁性液體軸承油膜承載特性的影響規律。文獻[23]應用多重網格法和多重網格積分法建立彈流磁性液體潤滑模型，分析沖擊載荷對磁性液體彈流潤滑的影響。文獻[24]考慮高斯隨機粗糙度、時變效應和熱效應，使用多重網格法提出修正的混合潤滑模型，求解了磁性顆粒尺寸和磁場強度對粗糙橢圓接觸成膜及磨損的影響。文獻[3]利用多重網格法和有限元法求解磁性液體潤滑油膜軸承的油膜方程，獲得油膜特性參數，研究了不同油膜特性參數與磁場強度之間的關系，如圖5 所示。

圖5 有無磁場作用時油膜參數的變化[3]180-181

以上數值分析方法已成為磁性液體潤滑數值分析的重要工具，但是現有的潤滑理論忽略了高低溫和真空等眾多實際因素。因此，如何依據實際情況構建合理的假設條件，尤其是考慮極端工況與特殊環境的影響，綜合諸多因素的相互作用，是開發高精度計算算法的重要前提。

4.2 磁性液體潤滑有限元模擬

有限元方法是將整個求解域劃分為若干個連通單元，取近似解為單元節點的插值函數，得到節點處未知場函數的值，進而得到問題的解。

文獻[25]建立了油膜軸承潤滑油膜的數學模型，開發了磁性液體潤滑油膜計算軟件，分析了磁性液體潤滑油膜軸承的承載特性，得到了磁場強度與油膜壓力及溫度的關系。文獻[26]建立磁場有限元模型，分析了不同外磁場作用下磁性液體油膜軸承的磁場分布特性。文獻[27]考慮黏溫效應計算了動壓滑動軸承的潤滑油黏度，對比等黏度與變黏度情況下動壓滑動軸承的油膜壓力與承載力、油膜的軸向與周向溫度分布。文獻[28]對磁場作用下的直角三角形腔體內磁性液體流動和傳熱進行研究，基于有限元方法模擬研究了磁性顆粒(Fe3O4)的體積分數、加熱元件的長度和無量綱數(包括瑞利數和哈特曼數)、對流線、等溫線和努塞爾數的影響。文獻[29]運用分子動力學模擬構建了磁性液體分子動力學模型，從微觀尺度分析了磁性液體對軸承潤滑性能的影響，磁性液體固液界面潤滑過程如圖6所示，結果表明：磁性液體潤滑摩擦因數相比油潤滑下降約50%，磁性液體分子間相互作用較強具有較好的黏度特性。

(a)分子動力學潤滑模型

以上磁性液體潤滑有限元模擬研究涵蓋了宏觀和微觀尺度的求解問題，為磁性液體潤滑的工程應用提供了一定的理論依據。后續的研究難點在于跨尺度微觀建模，高精度網格劃分以及離散方法的優化，以提高有限元模擬的真實性和計算結果的可靠性。

5 磁性液體潤滑試驗

上述磁性液體潤滑理論和潤滑數值模擬研究為磁性液體應用于高端軸承潤滑提供了理論基礎，但理論模型的合理性以及數值方法的可行性必須經過試驗驗證?，F結合磁性液體潤滑與摩擦試驗，說明磁性液體物理性能、外加磁場條件等對磁性液體軸承潤滑的影響。

5.1 磁性液體潤滑性能試驗

在磁場作用下，磁性液體內部剪切應力及外加載荷等因素對磁性液體黏度和其流動性能有著重要的影響。

文獻[30]分析了不同濃度油基磁性液體的蠕變行為和磁性液體流變的微觀作用機理，試驗發現了磁場強度、應力和溫度對磁性液體蠕變的影響規律。文獻[31]研究了黏彈性磁性液體在外部均勻磁場作用下的動態流變特性，分析了不同質量比黏彈性流體的流動性能。文獻[32]設計了一種為磁性液體提供磁場的螺線管，采用單因素研究方法分析了油膜參數以及磁場強度對磁性液體黏度的影響規律，螺線管磁場測試示意圖如圖7所示。文獻[33]制備了Fe3O4-Ag油基磁性液體，用旋轉流變儀測量Fe3O4磁性液體和Fe3O4-Ag磁性液體的剪切應力和黏度，發現相比Fe3O4磁性液體，Fe3O4-Ag磁性液體的黏度顯著增加。文獻[34]研究外磁場作用下的磁性液體軸承承載能力及摩擦性能，發現承載力可以將摩擦副分離，使摩擦副之間的摩擦力減少。文獻[35]研究了磁性液體對推力球軸承潤滑性能的影響，發現在軸承潤滑不足的情況下，外磁場的作用會減少磁性液體的磨損。文獻[36]介紹了磁性液體潤滑滑動軸承的研究成果，發現在局部恒定磁場作用下，磁性液體能夠改善軸承的局部流動阻力和壓力，相比油潤滑，使用磁性液體潤滑的軸承在低速時可以觀察到相對更厚的流體膜以及有利的壓力分布。

圖7 螺線管磁場測試示意圖[32]35

由磁性液體潤滑性能試驗可知，外磁場的作用和磁性液體內的納米顆粒不僅能提高磁性液體的黏度，而且有助于提高磁性液體的承載能力。

5.2 磁性液體摩擦特性

磁性液體中存在大量納米級磁性顆粒，可以起到近似微型滾動體的作用，在滑動軸承潤滑中也能同時發揮滾動軸承的優點，不僅有利于修復軸承表面的磨損，還能起到抗磨減摩的作用。

文獻[37]提出一種具有磁性表面織構的新型磁性流體潤滑結構，研究了磁性表面織構對磁性液體摩擦特性的影響。文獻[38]通過對四球摩擦磨損試驗機改進實現了磁場的連續可調，研究磁性液體在磁場作用下的摩擦學性能，發現在連續變磁場作用下，摩擦因數隨磁場強度的增大而增大，隨磁場強度的減小而減小。文獻[39]制備了油基Fe3O4磁性液體，運用旋轉摩擦的測試方法進行摩擦磨損試驗，如圖8所示，發現在磁性液體潤滑狀態下，摩擦表面磨損與犁溝明顯改善，平均摩擦因數最低，其原因可能為：磁性液體中的納米磁性顆粒填充在表面溝壑、凹坑中起到了一定的修復作用；納米磁性顆粒在磨損過程中發生一系列物理化學反應，在摩擦表面形成一層氧化膜，從而提高了摩擦表面的抗磨減摩能力。文獻[40]研究了磁性液體在一定磁場強度和振蕩頻率范圍內的微動摩擦磨損特性，結果表明磁流變液的摩擦磨損性能隨磁場強度和振動頻率的變化而變化。

圖8 摩擦磨損試驗[39]39

文獻[41]制備了一種用于高溫鋼-鋼滑動副的磁性液體潤滑劑，發現摩擦副在滑動過程中會發生摩擦化學反應，在摩擦盤表面形成邊界潤滑膜，滑動區過量的Fe3O4顆粒可能導致滑動副的磨粒磨損。文獻[42]在邊界潤滑條件下，運用摩擦試驗機研究了磁性液體的摩擦學性能。文獻[43]在聚甲基丙烯酸甲酯點接觸中開展磁性液體摩擦學特性試驗研究，發現顆粒尺寸和外加磁場對摩擦因數和磨痕體積均有影響，磁場存在時磨損略有減小。文獻[44]使用高頻往復式試驗臺對超順磁性液體進行了摩擦學試驗，分析了磁場、粒度和濃度對摩擦學性能的影響，試驗表明磁場作用下磨損表面的凹槽和深度都會減小。

以上研究通過試驗證實磁性液體應用在不同材料摩擦副中確實能夠起到抗磨減摩的作用；但磁性液體在工程中的應用必須結合中試運行評價其潤滑性能，目前缺乏結合實際工況的各類臺架試驗，尤其是模擬高溫、真空等極端環境的試驗。

6 結束語

磁性液體的潤滑性能受外部磁場強度、工作溫度、基載液和表面活性劑種類、納米磁性顆粒的尺寸和濃度等多種因素的綜合影響，必須系統地開展磁性液體軸承潤滑的相關研究。

1)磁性液體潤滑機理需要考慮磁性液體的分子結構、排列方式、吸附方式等，結合固體接觸表面的材料性能、表面粗糙度等性質以及潤滑油膜和固體接觸層的相互滲透性，進一步揭示潤滑表面所形成的金屬膜和流體膜的協同作用機理。

2)隨著極端環境條件對軸承潤滑性能的要求逐漸提高，磁性液體在極端工況下的潤滑性能、尺寸效應及控制方法的研究等對潤滑系統和整個裝備的穩定運行顯得越發重要。

3)完整產品研發鏈條涵蓋“基礎理論研究-試驗研究-產品中試-推廣應用”，磁性液體軸承潤滑試驗臺架與中試平臺的開發是打通磁性液體潤滑在軸承應用的“最后一公里”，是為磁性液體軸承潤滑提供試驗技術支持的重要保障。

綜上所述，面向當前世界科學前沿，結合國家重大戰略發展需求，亟需深入開展極端工況下磁性液體軸承潤滑理論、數值模擬、試驗測試與中試等研究，以期填補國內在磁性液體潤滑領域的空白，結合現有潤滑理論發展磁性液體潤滑理論體系，為我國高端軸承潤滑理論與技術進展發揮里程碑的推動作用。