磁流变液的研究与应用_王鸿云

磁流变液的研究与应用3
王鸿云1,2,郑惠强2,李泳鲜1
(1.浙江师范大学交通学院,浙江金华　321004; 2.同济大学机械工程学院,上海　200092)
摘要:磁流变液是最有发展前景的智能材料,磁流变液技术的剪切模式(使用在离合器和制动器上)和流动模式(使用在阻尼器上)已经研究得比较深入,几种磁流变器件已经进入市场。

磁流变液响应迅速、操作简单和控制精确等优良特性,将会使其有更宽广的应用范围。

该文回顾了10年来磁流变液的研究状况,介绍了磁流变液的特性、组成、工作模式及工程应用,提出进一步要解决的问题及展望磁流变液技术的发展前景。

关键词:磁流变液;工作模式;阻尼器;离合器和制动器
中图分类号:T B329 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2008)05-0001-04
磁流变液(Magnet o2rheol ogca1Fluid,MRF)是一种具有良好发展前景和工程应用价值的新型智能材料,在外加磁场作用下,会产生明显的磁流变效应:在固体与液态之间进行毫秒(m s)级快速可逆转化,其粘度保持连续无级变化,可实现实时主动控制,耗能极小[1],因而广泛应用于机械、汽车、航空、精密加工、建筑、医疗等领域。

1945年W insl ow发现电流变效应后[2],美国学者Rabi2 now[3]于1948年发明了磁流变液。

但磁流变液在最初应用过程中遇到了稠化、沉降及磨损等难题。

因此,大部分研究人员的研究转向了电流变液。

但电流变液抗剪切屈服强度较低,对普通污染物(如水)敏感,且需要高电压,工作温度范围较窄,因而限制了它的应用。

而磁流变液的抗剪切屈服强度大约比电流变液大一个数量级,对污染不敏感,且一般采用低电压,工作温度范围较宽,因而自20世纪90年代初以来磁流变液又重新引起研究者们的兴趣(见表1)。

随着稠化等问题的解决,各工业国竞相展开了对磁流变液及器件的研究,加速了磁流变液的进展。

表1　磁流变液与电流变液特性比较
特性磁流变液电流变液
最大屈服应力/kPa50～1002～5
电压2～25V(1～2A)2～5kV(1～10mA)
场强～250kA/m～4kV/mm
反应时间毫秒级毫秒级
密度/g/c m33～41～2
稳定性不受大多数杂质影响不能有任何杂质温度范围/℃-50～+150-25～+125
耗能/J/c m30.10.001
1　磁流变液研究概况
美国Lord公司的Carls on[4～7]在磁流变液性能研究和应用开发方面取得了较为突出的成就,该公司先后报道了多种合金制备的磁流变体并有多种商品化磁流变液产品上市。

美国Ford公司的Ginder[8～10]等人对磁流变液的屈服应力用有限元进行分析并对性能的提高进行了研究。

美国通用汽车公司的U licny[11],Foister[12]和Gopals wa my[13]等人研究了磁流变液制备方法并研制了磁流变液离合器;A shour[14]对磁流变材料的沉降问题和磁流变液的制备技术进行了试验研究,取得了不少有价值的成就;Kordonsky[15]用夹杂纳米尺寸的硬磁微粒作为悬浮相来改善磁流变材料的沉降问题,这种做法突破了传统的采用表面活化剂或添加剂来改善沉降性,对改善磁流变材料的稳定性开拓了新的思路。

英国Dundee大学的W ahed[16,17]等人研究了磁流变液的挤压性能;白俄罗斯Kordonski[18,19]在磁流变液效应及磁流变抛光、密封等方面开展了研究。

德国BASF公司的Kor mann[20]等人对颗粒直径、表面层等作了适当修饰改进后,已研制出了稳定的纳米级磁流变液,在0.2T的中等磁场作用下,屈服应力可达4kPa。

法国N ice大学的Bossis[21,22]等人对磁流变液流变性,特别在微观结构分析方面取得了重大进展。

中国香港J in[23]对在外加磁场作用下链弯曲的演化过程进行了模拟研究,进行了机理解释;中国台湾chen[24]等人对所建立的描述磁流变行为的变量进行了研究。

国内对磁流变材料的研究起步较晚,但目前已在磁流变材料制备和流变学机理研究方面取得了一些成就。

重庆大学的常建[25～27]等人对磁流变液的特性应用进行了深入的理论研究。

中国科技大学张先舟[28,29]等人对在磁场作用下磁流变液结构演化过程及剪切屈服应力影响因素进行了研究。

河北工业大学的李秀错[30],利用自制的铁/聚丙稀酸锂和三氧化二铁丙稀酸锂复合粒子作为悬浮相研制成功具备电流变效应和磁流变效应的复合流变材料。

西北工业大学对磁流变材料的稳定性进行了分析,提出了一些提高磁流变材料稳定性的措施。

中国科技大学、哈尔滨工业大学和重庆大学在磁流变性能的检测方面取得了一些研究成果。

国内研究磁流变液的单位有:上海交通大学[31,32]、佛山大学[33,34]、哈尔滨工业大学[35]、同济大学[36]、重庆仪表材料研究所[37]、武汉理工大学[38,39]和浙江大学[40]等。

总体看来,国内研制的磁流变液,在材料制备、流变机理、器件制作、应用研究等很多方面与国外还有很大差距。

第25卷第5期2008年5月
机　械　设　计
JOURNAL OF MACH I N E DESI G N
Vol.25　No.5
May 2008
3收稿日期:2007-12-03;修订日期:2007-12-27
基金项目:浙江省科技攻关重点资助项目(2006C21067)
作者简介:王鸿云(1976-),女,吉林长春人,讲师,在读博士,主要从事智能材料创新设计与优化设计。

2　磁流变液的本构方程
不加磁场时,磁流变液表现出类似Ne wt on 流体行为,其本构方程可以描述为:
τ=η0γ・
(1)
式中:τ———磁流变液的剪切应力;
η0———磁流变液的零磁场粘度;γ・
———磁流变液的剪切应变率。

外加磁场时,磁流变液表现出B ingham 流体特性,其本构方程可以描述为:
τ=τH +η
γ・
(2)
式中:τH ———磁流变液的动态屈服应力,与磁场强度有关;η———磁流变液的塑性粘度。

图1示出了Ne wt on 流体与B ingha m 流体剪切应力与剪切应变率典型关系,随着磁场的增强,磁流变液的屈服应力随着增大。

因此,可以通过调节磁场强度来控制磁流变效应。

H —磁场强度
图1　磁流变液Newton 与B i n gham 模型中剪切应力与剪切应变率关系
3　磁流变液的组成
磁流变液是一种可由磁场强度控制的有流变行为液体,其
流变状态是可逆的。

普通流体的粘度(受流体的成分、切应力和温度影响)在实际应用中由于环境复杂而不容易控制,而磁流变液的粘度可以由磁场控制,这就是智能材料与普通流体的差异。

磁流变液主要由磁性颗粒、载液和添加剂3个部分组成。

3.1　磁性颗粒
在外加磁场作用下,磁性颗粒被磁化,按序排列相接成链,
这种类似链状的结构阻碍了液体的流动,因此,改变了液体的流变行为。

磁流变液的磁化特征与磁性颗粒自身的磁特性、磁性颗粒间聚集状态和结构特征有关,磁流变液的磁化饱和强度虽然与体积分数无关,但磁化率却随体积分数的增加而增加,随磁性颗粒直径增大而增大[41]。

使用最多的磁性颗粒是羰基铁粉和纯铁粉或铁合金,其中球形颗粒直径的典型值为1～10μm,磁流变液的颗粒体积百分数最高可达50%。

为了获得更高的转矩,可以选用较大的颗粒直径和较高的颗粒体积百分数,但这也同时提高了磁流变液的零磁场粘度。

颗粒的规格尤其是渗透性是控制磁流变效应的重要因素。

3.2　载液
载液的作用是将固体颗粒均匀地分散于磁流变液中,确保在磁场作用下基液和固体颗粒所形成的两相悬浮液体的整体
行为,使其在零磁场时,磁流变液仍保持Ne wt on 流体的特性;而
在外加磁场作用下,磁流变液呈B ingha m 流体的特性,固体颗粒
能在液体中形成链化结构,产生抗剪屈服应力。

磁流变液的载液(分散剂)一般是非导磁且性能良好的油,如矿物油、硅油、水和其他复杂的混合体等,它们须具有较低的零磁场粘度、较大范围的温度稳定性、不污染环境等特性。

3.3　稳定剂
稳定剂用来减缓或防止磁性颗粒产生沉降,提高混合物的稳定性、抗腐蚀性及润滑。

因为悬浮颗粒的密度为7～8
g/c m 3
,而磁流变液载液的密度一般为1g/c m 3
,磁性颗粒的比
重较大容易沉降,必须采取如表面包裹、复合等方法来降低整个颗粒的密度,目前使用表面活性剂来提高材料的稳定性[42]。

4　磁流变液工作模式及应用
根据流体流动和流变应力,磁流变器件的工作模式主要有
以下3种(如图2所示):流动模式、剪切模式和挤压模式。

(a )流动模式 (b )剪切模式 (c )挤压模式
图2　磁流变液工作模式
4.1　流动模式
在流动模式中,磁流变液位于两个相对静止的极板之间,如图2a 所示,由于装置中的压力差而使磁流变液流动,该压力
差为由磁场引起的屈服应力分量ΔP H 和与磁场无关的粘性分
量ΔP η之和
[43]
:ΔP =ΔP η+ΔP H =12・η・Q ・L s 3・h +
c ・τH ・L s (3)
式中:Q ———体积流速;
L,h,s ———分别为极板长度、宽度和间隙;
c ———经验系数,当压差比率ΔP η/ΔP H <1时c =2,当压差比率
1≤
ΔP η/ΔP H ≤100时c =3。

式(3)可以作为设计流动模式下磁流变液应用器件的理论依据。

此时,磁流变液能产生磁流变效应所需的有效流体最小值为[44]:
V m in =L ・h ・s =
12
c
2
ΔP H ΔP ηη
τ
2・Q ・ΔP H (4)
由式(4)可以看出,要获得磁流变效应,所需的磁流变液最小体积可以由给定的流速和特定压降得到。

阻尼器是流动模式下磁流变液最典型的应用。

阻尼器由于能产生强大的阻尼力,且可根据外部振动的不同自行调节磁场强度大小,使阻尼器阻尼通道两端的压力差发生变化,达到主动减振的目的。

Lord [45]公司在流动模式下开发了一种车辆座椅悬架阻尼器,大大提高了乘坐的安全性和舒适性,其性能远优于传统的减振器,图3和表2示出了磁流变液流动模式下阻尼器的主要特性。

2002年Del phi [46]公司将其研发的磁流变悬架系统应用在Cadillac 高档车上,磁流变液能在1m s 之内响应,比以前传统可调减振器系统快5倍以上。

2
机　械　设　计第25卷第5期
图3　汽车座椅悬架磁流变阻尼器
表2　流动模式特性
应用特性座椅悬架阻尼器工作模式流动模式
剪切应力100kPa 剪应变率50l/s
外形尺寸直径35mm,全长150mm
输入功率5W (1A,4V )有效磁流变液0.3c m 3消耗磁流变液70cm 3
F on /F off (近似值)
2200N /400N =5.5
4.2　剪切模式
在剪切模式下,磁流变液位于两个相对运动的极板之间(如图2b 所示),产生剪切阻力。

该阻力为由磁场引起的屈服
力分量F H 和粘性力分量F η之和
[43]
:F =F H +F η=τH ・
A +η・v ・A
s
(5)
式中:v ———极板相对运动速度;
A ———工作表面积,A =L ・h 。

式(5)可以作为剪切模式下磁流变液器件设计的理论依
据。

此时,磁流变液能产生磁流变效应所需的有效流体最小值为[44]:
V m in =L ・h ・s =
η
τ2H
F ηF H
F H v (6)
在此种模式下磁流变液器件主要依靠磁流变液的剪切应
力来传递转矩,由于磁流变液的屈服应力受外加磁场控制且相变的过程在毫秒量级内完成。

因此,可以做成敏捷度极高的控制元件,用于连接和传递两部件之间的力或力矩。

在这一类的磁流变液器件中,离合器和制动器都是典型的例子。

1995年美国Lord [46]
公司制造的小型旋转式制动器是一种回转阻力可控、结构紧凑、运行平稳、功耗较低的器件,目前已用于自行车式和台阶登攀式健身机,它与速度反馈装置连接,可实时控制转矩,从而迫使练习者保持希望的目标速度。

图4和表3示出了剪切模式下磁流变液制动器的主要特性。

1998年Gary [47]等人研制的被动式磁流变离合器,利用固化的磁流变液来传递动力。

为了解决屈服应力小的问题,采用热敏材料受热膨胀产生应力,使控制系统推动法兰盘轴向移动,减少磁流变液存在空间,使其屈服强度得到提高,从结构上看,控制系统较为复杂,加工与装配都比较困难,并且对热敏元件有很强的依赖性。

2001年美国Carls on [48]研制出了将转子与飞轮做成一体的磁流变液制动器。

通过控制磁场强度和改变飞轮的结构,可以得到不同的输出转矩。

2002年美国内华达州大学的
Kavlieoglu [49]
研制的双圆盘式大转矩磁流变液离合器,其试验
转矩达到7.9Nm 。

2000年中国科技大学[50]试制的有加压装置的磁流变液离合器,在不需要其他辅助装置的情况下能实现两轴的离合,但在大转矩传递的问题上,还存在一定的局限性。

因为其径向加压区段的固相磁流变液在受到加压时会往后移动,实验转矩只能达到7Nm 。

图4　磁流变液制动器原理表3　剪切模式特性
应用特性
旋转式制动器工作模式剪切模式
剪切应力100kPa 剪切应变率10l/s
外形尺寸直径92mm,全长35mm 输入功率10W (0.8A,12V )有效磁流变液5cm 3消耗磁流变液5cm 3
T on /T off (近似值)
7Nm /0.25Nm =28
4.3　挤压模式
在挤压模式中,磁流变液位于两个极板之间,两磁极作相对运动,磁力线的方向平行于活塞运动方向,磁极挤压磁流变液,使之向四周流逸从而产生挤压效果,如图2c 所示,磁极的位
移量较小(几毫米以下),产生的阻力却很大。

挤压模式与流动模式和剪切模式比较,研究的还不够深入,主要应用在一些小振幅的阻尼器上。

汪建晓[51]用磁流变液代替挤压油膜阻尼器的润滑油,制成阻尼特性受磁场控制的挤压油膜阻尼器,用于转子系统的振动控制。

唐新鲁[52]通过在固化磁流变液后,沿磁场方向挤压磁流变液,抗剪屈服强度达到了800kPa 。

张先舟[53]等人对磁流变液挤压增效进行了实验和理论研究,在9.6M Pa 挤压应力、325
mT 磁感应强度下和磁流变液的体积为46%时,剪切屈服强度
可达到1500kPa,并提出一个半经验模型来解释并预测磁流变液的挤压增强效应。

磁流变液抗剪切强度的提高使磁流变液技术有更强的吸引力和更广阔的应用市场。

5　结束语
国内外对磁流变液剪切模式(应用在离合器和制动器上)和流动模式(应用在阻尼器上)已经进行了较系统的研究,几种磁流变器件已经进入市场,但挤压模式研究进展得比较缓慢,目前还没有统一的本构模型描述;磁流变液在高速旋转下产生的离心力效应给磁流变液的稳定性及密封带来了一定的困难;磁流变液离合器和制动器等控制元件的输出转矩不够理想,目前只能应用在小型辅助装置上,对于实际需求较多的大转矩磁
3
2008年5月王鸿云,等:磁流变液的研究与应用
流变液离合器和制动器等研究将是今后研究的重点。

对磁流变液的研究已有50年的历史,而在过去的10年里磁流变液及其器件有了长足的进展,目前已有商业化的磁流变液及器件。

研制性能优良、价格适中的磁流变液,以及设计制造结构合理的磁流变液装置,将成为发展磁流变液技术并使其能在实际工程中广泛应用的关键,磁流变液技术会有更广阔的应用领域。

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W ANG W e i,YANG W e i,CHANG Nan,ZHAO M e i2 y i n g
(School of Aer onautics,North west Polytechnic University,Xi’an710072,China)
Abstract:There exist shortcom ings of deficiency of analytical functi on on man2computer interface and structure in the devel opment of structural op ti m izati on s oft w are by own accord.Let the variable density t opol ogical op ti m izati on method be combined with the finite ele ment calculati on s oft w are MSC.P AT RAN/NAST RAN,a kind of t opol ogical op ti m izati on syste m that could be app lied t o comp lex structure under the envir on ment of DE LPH I6was devel oped.Tak2 ing the NASTRAN as the finite ele ment s olver and taking the P AT2 RAN as the fore and aft p r ocess ors,under the known circu m stances of the pneu matic cont our of aer ofoil structure,of the boundary con2 diti on and of the l oading etc.,the op ti m al structural shape of the main f orce undertaking structure was obtained by using this syste m t o carrying thr ough t opol ogical op ti m izati on on a3D continuous bod2 ied aer of oil structure,and widened the functi on of structure op ti m i2 zati on of P ATRAN/NASTRAN.The result of a calculati on exa mp le showed that the calculated result of this syste m was accurate,con2 venient in use and app licable in t opol ogic op ti m izing p r oble m s of large2scaled comp lex structure.
Key word:t opol ogical op ti m izati on;variable density;NAS2 T RAN;DE LPH I
Fig6Tab0Ref9“J ixie Sheji”7350
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A su mmary on the research and appli ca ti on of magneti c rheology li qu i d
W ANG Hong2yun1,2,ZHENG Hu i2q i a ng2,L I Y ong2 x i a n1
(1.School of Traffic Engineering,Zhejiang Nor mal Universi2 ty,J inhua321004,China;2.School of Mechanical Engineering, T ongji University,Shanghai200092,China)
Abstract:The magnetic rheol ogy liquid is an intellectual ma2 terial with devel op ing p r os pects.The shearing mode(being app lied t o clutches and brakes)and the fl owing mode(being app lied t o dampers)of magnetic rheol ogy liquid have already been studied rather deep ly,several kinds of magnetic rheol ogy app liances have already accessed int o the market.Good characteristics of rap id re2 s ponse,si m p le mani pulati on and accurate contr ol made it possess2 ing more br oad range of app licati ons.This paper revie wed the re2 searching status of magnetic rheol ogy liquid over the last ten years, intr oduced the character,constituti on,working mode and engineer2 ing app licati on of magnetic rheol ogy liquid,and finally put f or ward the p r oble m s t o be further s olved and expectati ons on the devel op2 ment p r os pects of magnetic rheol ogy liquid technol ogy.
Key word:magnetic rheol ogy liquid;working mode;da mper; clutch and brake
Fig4Tab3Ref53“J ixie Sheji”7719。