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磁流体在轴承中的应用研究

磁流体在轴承中的应用研究

 

磁流体是一种新兴的纳米流体润滑材料,是由表面活性剂、基载液和纳米磁性颗粒混合而成的胶状悬浮液体,纳米磁性颗粒通常采用铁氧体(Fe3O4)颗粒,所以磁流体普遍为铁磁流体。磁流体作为一种新型材料,具有超强的顺磁性,可被磁场稳定控制,而且磁场梯度作用下的磁流体在轴承摩擦副中具有减摩抗磨作用,可以改善轴承的性能。

 

磁流体以其良好的减摩、耐磨及抗压性能在轴承润滑领域得到广泛关注,包括轴承减振,提高轴承承载性能以及减小轴承摩擦磨损等。目前研究较多的是油润滑方式的滑动轴承。如对于轴承转子的振动问题,文献[1]提出了一种以磁流体为润滑液的油膜阻尼可控的浮动环轴承,该轴承利用磁流体在外部磁场作用下油膜黏度的可控性,实现对轴承刚度和阻尼的控制,从而抑制转子振幅。文献[2]将磁流体应用于静压轴承,该轴承主要通过外部磁场对磁流体润滑剂施加外力。从而产生局部流动阻力和压力。为了检测磁流体轴承的承载和减磨性能,文献[3]将磁流体直接置于环形磁铁表面,形成圆环油膜,进行玻璃与磁环对压试验,结果表明,磁流体提供的液化气体支承将两接触面隔开,从而减小摩擦磨损。该试验模型只是对压测试,没有加入旋转,检测磁流体承载能力具有可行性,但对于检测减磨性能缺乏说服力。

 

为防止漏油,形成高强度的油膜,滚动轴承大多采用脂润滑方式;但相较于油润滑方式,润滑脂摩擦力矩较大,不适用于高速工况,此外,其降温效果差,容易导致轴承过热。在安装有良好供油装置的情况下,采用油润滑的滚动轴承虽可克服上述难点,但操作和维护方面不如脂润滑方便,增加了成本。而磁流体可以克服润滑脂和润滑油的难点,互补两者优势,既不甩油又能调节油黏度,适用于不同工况下的滚动轴承。

 

在高速下,推力球轴承沟道经常出现乏油的状况,甚至形成干摩擦。文献[4]将磁流体应用于推力球轴承定点润滑进行摩擦试验,沟道内磨损表面和三维轮廓如图1所示,由图可知:在干摩擦情况下,沟道内出现了严重的塑性变形、剥落和黏附现象,体现了点接触干摩擦的磨损机理;随着常规润滑油的加入,沟道内磨损情况明显改善;在无磁场作用的磁流体润滑情况下,相较于常规润滑油磨损大幅加剧,甚至接近干摩擦情况;但随着磁场的添加,沟道磨损大大减少,明显低于常规润滑油的磨损情况,其三维形貌和没有进行试验的套圈沟道非常接近,平整光滑。该研究结果不仅证实了磁场作用下磁流体具有减缓甩油且减磨效

果极佳的特点,还拓宽了磁流体轴承润滑的应用研究范围。

 

磁流体润滑理论丰富,目前研究侧重于运用磁流体动力学基本方程以及磁流体黏度方程,

研究中结合了多孔结构润滑效应,但对磁流体孔-液挤压薄膜润滑效应认识尚不完全清楚,亟需突破;磁流体油膜特性取决于其磁场作用下的黏度可控性,研究中考虑到了磁流体应力耦合效应、孔隙率以及工况参数等影响因素,普遍是以面接触为润滑模型,需拓展对点/线接触下磁流体润滑机理的研究才能完善磁流体润滑理论,从而逐步推进其在轴承上的应用研究。


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