磁流體在軸承中的應(yīng)用研究

熊樂(lè)，胡瑞，等

磁流體是一種新興的納米流體潤(rùn)滑材料，是由表面活性劑、基載液和納米磁性顆?；旌隙傻哪z狀懸浮液體，納米磁性顆粒通常采用鐵氧體(Fe3O4)顆粒，所以磁流體普遍為鐵磁流體。磁流體作為一種新型材料，具有超強(qiáng)的順磁性，可被磁場(chǎng)穩(wěn)定控制，而且磁場(chǎng)梯度作用下的磁流體在軸承摩擦副中具有減摩抗磨作用，可以改善軸承的性能。

磁流體以其良好的減摩、耐磨及抗壓性能在軸承潤(rùn)滑領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，包括軸承減振，提高軸承承載性能以及減小軸承摩擦磨損等。目前研究較多的是油潤(rùn)滑方式的滑動(dòng)軸承。如對(duì)于軸承轉(zhuǎn)子的振動(dòng)問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]提出了一種以磁流體為潤(rùn)滑液的油膜阻尼可控的浮動(dòng)環(huán)軸承，該軸承利用磁流體在外部磁場(chǎng)作用下油膜黏度的可控性，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承剛度和阻尼的控制，從而抑制轉(zhuǎn)子振幅。文獻(xiàn)[2]將磁流體應(yīng)用于靜壓軸承，該軸承主要通過(guò)外部磁場(chǎng)對(duì)磁流體潤(rùn)滑劑施加外力。從而產(chǎn)生局部流動(dòng)阻力和壓力。為了檢測(cè)磁流體軸承的承載和減磨性能，文獻(xiàn)[3]將磁流體直接置于環(huán)形磁鐵表面，形成圓環(huán)油膜，進(jìn)行玻璃與磁環(huán)對(duì)壓試驗(yàn)，結(jié)果表明，磁流體提供的液化氣體支承將兩接觸面隔開(kāi)，從而減小摩擦磨損。該試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭皇菍?duì)壓測(cè)試，沒(méi)有加入旋轉(zhuǎn)，檢測(cè)磁流體承載能力具有可行性，但對(duì)于檢測(cè)減磨性能缺乏說(shuō)服力。

為防止漏油，形成高強(qiáng)度的油膜，滾動(dòng)軸承大多采用脂潤(rùn)滑方式；但相較于油潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑脂摩擦力矩較大，不適用于高速工況，此外，其降溫效果差，容易導(dǎo)致軸承過(guò)熱。在安裝有良好供油裝置的情況下，采用油潤(rùn)滑的滾動(dòng)軸承雖可克服上述難點(diǎn)，但操作和維護(hù)方面不如脂潤(rùn)滑方便，增加了成本。而磁流體可以克服潤(rùn)滑脂和潤(rùn)滑油的難點(diǎn)，互補(bǔ)兩者優(yōu)勢(shì)，既不甩油又能調(diào)節(jié)油黏度，適用于不同工況下的滾動(dòng)軸承。

在高速下，推力球軸承溝道經(jīng)常出現(xiàn)乏油的狀況，甚至形成干摩擦。文獻(xiàn)[4]將磁流體應(yīng)用于推力球軸承定點(diǎn)潤(rùn)滑進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，溝道內(nèi)磨損表面和三維輪廓如圖1所示，由圖可知：在干摩擦情況下，溝道內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重的塑性變形、剝落和黏附現(xiàn)象，體現(xiàn)了點(diǎn)接觸干摩擦的磨損機(jī)理；隨著常規(guī)潤(rùn)滑油的加入，溝道內(nèi)磨損情況明顯改善；在無(wú)磁場(chǎng)作用的磁流體潤(rùn)滑情況下，相較于常規(guī)潤(rùn)滑油磨損大幅加劇，甚至接近干摩擦情況；但隨著磁場(chǎng)的添加，溝道磨損大大減少，明顯低于常規(guī)潤(rùn)滑油的磨損情況，其三維形貌和沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)的套圈溝道非常接近，平整光滑。該研究結(jié)果不僅證實(shí)了磁場(chǎng)作用下磁流體具有減緩甩油且減磨效果極佳的特點(diǎn)，還拓寬了磁流體軸承潤(rùn)滑的應(yīng)用研究范圍。

磁流體潤(rùn)滑理論豐富，目前研究側(cè)重于運(yùn)用磁流體動(dòng)力學(xué)基本方程以及磁流體黏度方程，研究中結(jié)合了多孔結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑效應(yīng)，但對(duì)磁流體孔-液擠壓薄膜潤(rùn)滑效應(yīng)認(rèn)識(shí)尚不完全清楚，亟需突破；磁流體油膜特性取決于其磁場(chǎng)作用下的黏度可控性，研究中考慮到了磁流體應(yīng)力耦合效應(yīng)、孔隙率以及工況參數(shù)等影響因素，普遍是以面接觸為潤(rùn)滑模型，需拓展對(duì)點(diǎn)/線接觸下磁流體潤(rùn)滑機(jī)理的研究才能完善磁流體潤(rùn)滑理論，從而逐步推進(jìn)其在軸承上的應(yīng)用研究。

（節(jié)選自《軸承》2020年7期）

參考文獻(xiàn)：

[1] WANG X,LI H, MENG G. Rotordynamic coefficients ofa controllable magnetorheological fluid lubricated floating ring bearing[J]. Tribology International ,2017,114:1-14.

[2] LAMPAERTSG E,VAN OSTAYEN R A J. Experimental results on a hydrostatic bearing lubricated with amagnetorheological fluid [J]. Current Applied Physics,2019,19(12):1441 - 1448.

[3] HU Z, WANG Z, HUANG W,et al. Supporting and friction properties of magnetic fluids bearings[J]. Tribology International ,2019,130:334 -338.

[4] XU M,DAI Q, HUANG W ,et al. Using magnetic fluids to improve the behavior of ball bearings under starved lubrication [J]. Tribology International, 2020, 141:105950.

（來(lái)源：軸承雜志社）