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磁流體在軸承中的應(yīng)用研究
2023-05-22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粒混合而成的膠狀懸浮液體,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)
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(來(lái)源:軸承雜志社)