颗粒沉降对磁流变液传递扭矩的影响研究

吴向凡，田祖织，黄咸康，季锦杰，郭阳阳

（1.徐州工程学院 机电工程学院，江苏 徐州 221000；
2.中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221000）

随着科学技术的不断进步和生产力的不断提高，现代机电装备对传动装置的功能和性能也提出了更高的要求[1,2]。磁流变液（Magnetorheological fluid，MR fluid）是一种微米级软磁性颗粒均匀分散在基载液中形成的新型智能材料，这种颗粒悬浮液在无外加磁场作用时，呈现自由流动状态（液态），而在外加磁场作用下，发生“固化”现象，表现为具有一定剪切力的粘塑性流体（半固态），这种现象称为磁流变效应[3,4]。

磁流变液传动装置是一种利用磁流变液可控流变性能开发出的新型动力传递器件，与现有其它传动技术相比，具有响应速度快、传动部件磨损较小、控制简单、调速范围宽、体积小、控制能源消耗低、对外界杂质的干扰不敏感、对电网无污染等特点，是一种较为理想的动力传递器件[5,6]。

目前国内外学者对磁流变液材料的沉降性能和磁流变液传动技术进行了深入研究。陈维清等[7]测试了油酸、聚乙二醇表面活性剂和触变剂对磁流变液沉降稳定性的影响；
唐龙等[8]通过气体渗氮在羰基铁颗粒表面形成的氮化物薄层，用高速分散的方法制备了高稳定磁流变液；
邹刚[9]对杯状磁流变液离合器进行了研究，分析了不同转速、温度情况下传递转矩的变化情况，并将磁流变离合器与磁粉离合器的传动性能进行了对比分析；
王鸿云[10]设计了一种基于挤压-剪切混合模式磁流变离合器，建立了用于测试其传动性能的实验装置。

对于磁流变液联轴器、磁流变液离合器等动力传递器件，在长期静置后，磁流变液中颗粒将产生沉降，目前针对其扭矩传递稳定性的研究较少。因此本文探索颗粒沉降对扭矩传递的影响机理，分析沉降后工作间隙磁场变化规律，搭建磁流变液传动实验台，观测磁流变液颗粒沉降效果，并开展扭矩传递实验，以期得到颗粒沉降对磁流变液传递扭矩的影响规律，为磁流变液传动装置的设计提供参考。

颗粒沉降对磁流变液扭矩传递影响机理如图1所示。主要包括2方面：

（1）颗粒沉降影响磁流变液的磁致扭矩，其影响机理为：当颗粒沉降后，颗粒向工作间隙下部聚集，导致上部磁流变液磁导率降低，下部分磁导率增加，磁场向高磁导率区域集中，进而引起磁致扭矩波动；

（2）沉降影响磁流变液的黏性扭矩，其影响机理为：颗粒向下部沉降后，颗粒体积分数分布发生改变，引起磁流变液表观粘度分布的变化，进而导致黏性扭矩波动，但在磁流变液联轴器等突然通电时，主从动部件间无转速差，其黏性扭矩波动可以忽略。因此，颗粒沉降主要影响磁流变液的磁致扭矩，将对其开展进一步分析。

2.1 磁流变液传动机理

磁流变液传动装置工作原理如图2所示，由主动轴、主动盘、从动轴、从动盘、励磁线圈、磁流变液等组成，其中，磁流变液被密封在主从动盘间工作间隙内，当主动轴和主动盘旋转时，由于磁流变液在可调外加磁场作用下具有一定的剪切屈服应力，能够传递一定扭矩，进而带动从动盘和从动轴旋转。

图2 磁流变液传动装置工作原理

2.2 颗粒沉降分布规律

磁流变液长期静置后颗粒产生沉降，其沉降过程如图3所示。在初始阶段，磁流变液中颗粒分布较为均匀，随着时间的推移颗粒逐渐下沉，在工作间隙上部析出基载液，直至沉降颗粒相互接触，沉降过程基本结束，总体上，沉降后的传动区间可以分为上部基载液区域V1和下部分颗粒聚集区域V2。磁流变液体积分数φp可以表示为：

图3 颗粒沉降过程

其中，l为两相邻颗粒表面最近点距离，R为磁流变液软磁性颗粒半径。

由式（1）可知，磁流变液体积分数随颗粒间距l减小而增加，当l为0时，得到最大体积分数为52.3%，此时的质量分数为89.5%。磁流变液常用质量分数通常在75%～80%之间，假设工作间隙上部颗粒完全沉降，而下部达到磁流变液最大体积分数（52.3%），当质量分数分别为75%，78%和80%，即体积分数分别为27%，31.25%和33.9%时，圆盘下部分磁流变液占工作间隙总体积比分别为51.6%，59.8%和64.8%。

2.3 工作间隙磁场分布

当工作间隙磁流变液无沉降时，磁流变液传动装置近似为轴对称结构如图2所示。其2-D轴对称电磁场分析模型如图4所示。将二维模型导入至ANSYS电磁场分析模块，并对模型进行励磁电源赋值，经多次仿真分析可知，当在励磁线圈中施加0.5 A电流，得到的装置磁场分布云，如图5所示。此时，工作间隙磁感应强度分布基本均匀，平均磁感应强度可达0.45 T，满足磁流变液工作磁场强度需求。

图4 分析模型

图5 电磁场分布云图

以磁流变液质量分数为75%为例，研究颗粒沉降对磁流变液动力稳定性的影响规律，假设颗粒完全沉降，并近似认为高浓度磁流变液占工作间隙总体积的50%，即工作间隙上半部分为基载液，下半部分为高浓度磁流变液区域。此外，由于颗粒沉降导致整个装置为非轴对称结构，因此，建立该磁流变液传动装置的三维分析模型，如图6所示。其中，图6（a）为装置结构模型，图6（b）为增加电流源后网格划分模型。

图6 颗粒沉降后磁流变液传动装置分析模型

设置励磁线圈电流为0.5A，采用ANSYS软件中电磁场模块对上述模型进行仿真分析，得到颗粒完全沉降后的磁流变液传动装置磁场分布情况，如图7所示。

图7 颗粒沉降完全后磁场分布

由图7（a）可以看出，以传动模型中传动轴中心轴线为边界，沉降后的磁流变液工作间隙磁场分布均匀性较差，上半部分区域由于不导磁的基载液作用而磁场较小，与下半部分区域相比差距显著，且与图5的均匀分布颗粒相比，由于磁场积聚作用，工作间隙最高磁场增强，最大磁场强度可达到2.1T（特斯拉）。由图7（b）可以看出，磁场在下部分靠近轴线位置存在积聚，原因是除下半部分的磁场通过该区域外，上部分也有部分磁场通过，但由于该处磁场靠近轴心，并不能显著提高磁流变液传递扭矩；
与均匀颗粒磁场相比，虽然磁场在颗粒沉降区域有所增强，但其位置靠近传动中心，且在整个基载液区域磁场大幅降低，因此，根据磁场分布规律，颗粒沉降容易造成扭矩传递能力降低。

根据上述仿真分析结果，设计并装配磁流变液动力传递装置，搭建磁流变液动力传递装置性能测试平台，如图8所示。其主要由交流伺服电机、传动样机（包含有机玻璃传动组件）、扭矩传感器、固定支架、伺服驱动器、电流源、扭矩显示仪、红外热成像仪、压力变送器、特斯拉计、信号记录仪等组成。实验过程中，通过伺服驱动器调节交流伺服电机的转速，励磁电流源调整磁流变液的工作磁场，进而改变传递扭矩，其扭矩值可通过扭矩传感器测得。

图8 磁流变液传动实验台

采用有机玻璃传动圆盘，测试颗粒沉降对磁流变液扭矩传递稳定性的影响，其中，两组实验间隔1个月，以使磁流变液颗粒充分沉降，如图9所示，采用手动低速方式旋转圆盘，以排除转速和温度影响，实验时温度均为26℃，得到两种工况下磁流变液扭矩传递情况，如图10所示。

图9 磁流变液颗粒沉降照片

图10 颗粒沉降导致磁流变液传递扭矩变化情况

由图9和图10可以看出，颗粒沉降后圆盘上部基本为基载液，此外，沉降前后，磁流变液传递扭矩波动明显，沉降1个月内扭矩值下降了20%，如沉降时间延长，传递扭矩波动将更加显著。

（1）建立了磁流变液传动装置二维及三维模型，并开展了电磁场仿真分析，通过对比沉降前后磁流变液工作间隙的磁场分布发现，沉降后的磁流变液将导致电磁场向颗粒聚集区集中，整个基载液区域磁场大幅降低。

（2）搭建磁流变液传动实验台，测试颗粒沉降对磁流变液传递扭矩的影响，可以得出，磁流变液颗粒沉降率越高，两传动盘之间的传递扭矩越小，沉降1个月内传递扭矩下降20%。