顆粒沉降對磁流變液傳遞扭矩的影響研究

吳向凡，田祖織，黃咸康，季錦杰，郭陽陽

（1.徐州工程學院 機電工程學院，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著科學技術的不斷進步和生產力的不斷提高，現代機電裝備對傳動裝置的功能和性能也提出了更高的要求[1,2]。磁流變液（Magnetorheological fluid，MR fluid）是一種微米級軟磁性顆粒均勻分散在基載液中形成的新型智能材料，這種顆粒懸浮液在無外加磁場作用時，呈現自由流動狀態（液態），而在外加磁場作用下，發生“固化”現象，表現為具有一定剪切力的粘塑性流體（半固態），這種現象稱為磁流變效應[3,4]。

磁流變液傳動裝置是一種利用磁流變液可控流變性能開發出的新型動力傳遞器件，與現有其它傳動技術相比，具有響應速度快、傳動部件磨損較小、控制簡單、調速范圍寬、體積小、控制能源消耗低、對外界雜質的干擾不敏感、對電網無污染等特點，是一種較為理想的動力傳遞器件[5,6]。

目前國內外學者對磁流變液材料的沉降性能和磁流變液傳動技術進行了深入研究。陳維清等[7]測試了油酸、聚乙二醇表面活性劑和觸變劑對磁流變液沉降穩定性的影響；唐龍等[8]通過氣體滲氮在羰基鐵顆粒表面形成的氮化物薄層，用高速分散的方法制備了高穩定磁流變液；鄒剛[9]對杯狀磁流變液離合器進行了研究，分析了不同轉速、溫度情況下傳遞轉矩的變化情況，并將磁流變離合器與磁粉離合器的傳動性能進行了對比分析；王鴻云[10]設計了一種基于擠壓-剪切混合模式磁流變離合器，建立了用于測試其傳動性能的實驗裝置。

對于磁流變液聯軸器、磁流變液離合器等動力傳遞器件，在長期靜置后，磁流變液中顆粒將產生沉降，目前針對其扭矩傳遞穩定性的研究較少。因此本文探索顆粒沉降對扭矩傳遞的影響機理，分析沉降后工作間隙磁場變化規律，搭建磁流變液傳動實驗臺，觀測磁流變液顆粒沉降效果，并開展扭矩傳遞實驗，以期得到顆粒沉降對磁流變液傳遞扭矩的影響規律，為磁流變液傳動裝置的設計提供參考。

1 顆粒沉降對磁流變液傳遞扭矩的影響機理

顆粒沉降對磁流變液扭矩傳遞影響機理如圖1所示。主要包括2方面：

（1）顆粒沉降影響磁流變液的磁致扭矩，其影響機理為：當顆粒沉降后，顆粒向工作間隙下部聚集，導致上部磁流變液磁導率降低，下部分磁導率增加，磁場向高磁導率區域集中，進而引起磁致扭矩波動；

（2）沉降影響磁流變液的黏性扭矩，其影響機理為：顆粒向下部沉降后，顆粒體積分數分布發生改變，引起磁流變液表觀粘度分布的變化，進而導致黏性扭矩波動，但在磁流變液聯軸器等突然通電時，主從動部件間無轉速差，其黏性扭矩波動可以忽略。因此，顆粒沉降主要影響磁流變液的磁致扭矩，將對其開展進一步分析。

2 顆粒沉降前后工作間隙磁場分析

2.1 磁流變液傳動機理

磁流變液傳動裝置工作原理如圖2所示，由主動軸、主動盤、從動軸、從動盤、勵磁線圈、磁流變液等組成，其中，磁流變液被密封在主從動盤間工作間隙內，當主動軸和主動盤旋轉時，由于磁流變液在可調外加磁場作用下具有一定的剪切屈服應力，能夠傳遞一定扭矩，進而帶動從動盤和從動軸旋轉。

圖2 磁流變液傳動裝置工作原理

2.2 顆粒沉降分布規律

磁流變液長期靜置后顆粒產生沉降，其沉降過程如圖3所示。在初始階段，磁流變液中顆粒分布較為均勻，隨著時間的推移顆粒逐漸下沉，在工作間隙上部析出基載液，直至沉降顆粒相互接觸，沉降過程基本結束，總體上，沉降后的傳動區間可以分為上部基載液區域V1和下部分顆粒聚集區域V2。磁流變液體積分數φp可以表示為：

圖3 顆粒沉降過程

其中，l為兩相鄰顆粒表面最近點距離，R為磁流變液軟磁性顆粒半徑。

由式（1）可知，磁流變液體積分數隨顆粒間距l減小而增加，當l為0時，得到最大體積分數為52.3%，此時的質量分數為89.5%。磁流變液常用質量分數通常在75%～80%之間，假設工作間隙上部顆粒完全沉降，而下部達到磁流變液最大體積分數（52.3%），當質量分數分別為75%，78%和80%，即體積分數分別為27%，31.25%和33.9%時，圓盤下部分磁流變液占工作間隙總體積比分別為51.6%，59.8%和64.8%。

2.3 工作間隙磁場分布

當工作間隙磁流變液無沉降時，磁流變液傳動裝置近似為軸對稱結構如圖2所示。其2-D軸對稱電磁場分析模型如圖4所示。將二維模型導入至ANSYS電磁場分析模塊，并對模型進行勵磁電源賦值，經多次仿真分析可知，當在勵磁線圈中施加0.5 A電流，得到的裝置磁場分布云，如圖5所示。此時，工作間隙磁感應強度分布基本均勻，平均磁感應強度可達0.45 T，滿足磁流變液工作磁場強度需求。

圖4 分析模型

圖5 電磁場分布云圖

以磁流變液質量分數為75%為例，研究顆粒沉降對磁流變液動力穩定性的影響規律，假設顆粒完全沉降，并近似認為高濃度磁流變液占工作間隙總體積的50%，即工作間隙上半部分為基載液，下半部分為高濃度磁流變液區域。此外，由于顆粒沉降導致整個裝置為非軸對稱結構，因此，建立該磁流變液傳動裝置的三維分析模型，如圖6所示。其中，圖6（a）為裝置結構模型，圖6（b）為增加電流源后網格劃分模型。

圖6 顆粒沉降后磁流變液傳動裝置分析模型

設置勵磁線圈電流為0.5A，采用ANSYS軟件中電磁場模塊對上述模型進行仿真分析，得到顆粒完全沉降后的磁流變液傳動裝置磁場分布情況，如圖7所示。

圖7 顆粒沉降完全后磁場分布

由圖7（a）可以看出，以傳動模型中傳動軸中心軸線為邊界，沉降后的磁流變液工作間隙磁場分布均勻性較差，上半部分區域由于不導磁的基載液作用而磁場較小，與下半部分區域相比差距顯著，且與圖5的均勻分布顆粒相比，由于磁場積聚作用，工作間隙最高磁場增強，最大磁場強度可達到2.1T（特斯拉）。由圖7（b）可以看出，磁場在下部分靠近軸線位置存在積聚，原因是除下半部分的磁場通過該區域外，上部分也有部分磁場通過，但由于該處磁場靠近軸心，并不能顯著提高磁流變液傳遞扭矩；與均勻顆粒磁場相比，雖然磁場在顆粒沉降區域有所增強，但其位置靠近傳動中心，且在整個基載液區域磁場大幅降低，因此，根據磁場分布規律，顆粒沉降容易造成扭矩傳遞能力降低。

3 顆粒沉降對傳遞扭矩影響實驗

根據上述仿真分析結果，設計并裝配磁流變液動力傳遞裝置，搭建磁流變液動力傳遞裝置性能測試平臺，如圖8所示。其主要由交流伺服電機、傳動樣機（包含有機玻璃傳動組件）、扭矩傳感器、固定支架、伺服驅動器、電流源、扭矩顯示儀、紅外熱成像儀、壓力變送器、特斯拉計、信號記錄儀等組成。實驗過程中，通過伺服驅動器調節交流伺服電機的轉速，勵磁電流源調整磁流變液的工作磁場，進而改變傳遞扭矩，其扭矩值可通過扭矩傳感器測得。

圖8 磁流變液傳動實驗臺

采用有機玻璃傳動圓盤，測試顆粒沉降對磁流變液扭矩傳遞穩定性的影響，其中，兩組實驗間隔1個月，以使磁流變液顆粒充分沉降，如圖9所示，采用手動低速方式旋轉圓盤，以排除轉速和溫度影響，實驗時溫度均為26℃，得到兩種工況下磁流變液扭矩傳遞情況，如圖10所示。

圖9 磁流變液顆粒沉降照片

圖10 顆粒沉降導致磁流變液傳遞扭矩變化情況

由圖9和圖10可以看出，顆粒沉降后圓盤上部基本為基載液，此外，沉降前后，磁流變液傳遞扭矩波動明顯，沉降1個月內扭矩值下降了20%，如沉降時間延長，傳遞扭矩波動將更加顯著。

4 結論

（1）建立了磁流變液傳動裝置二維及三維模型，并開展了電磁場仿真分析，通過對比沉降前后磁流變液工作間隙的磁場分布發現，沉降后的磁流變液將導致電磁場向顆粒聚集區集中，整個基載液區域磁場大幅降低。

（2）搭建磁流變液傳動實驗臺，測試顆粒沉降對磁流變液傳遞扭矩的影響，可以得出，磁流變液顆粒沉降率越高，兩傳動盤之間的傳遞扭矩越小，沉降1個月內傳遞扭矩下降20%。