磁流體在軸承中的應用研究
2023-05-22熊樂，胡瑞，等
磁流體是一種新興的納米流體潤滑材料，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，具有超強的順磁性，可被磁場穩定控制，而且磁場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滑領域得到廣泛關注，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滑方式的滑動軸承。如對于軸承轉子的振動問題，文獻[1]提出了一種以磁流體為潤滑液的油膜阻尼可控的浮動環軸承，該軸承利用磁流體在外部磁場作用下油膜黏度的可控性，實現對軸承剛度和阻尼的控制，從而抑制轉子振幅。文獻[2]將磁流體應用于靜壓軸承，該軸承主要通過外部磁場對磁流體潤滑劑施加外力。從而產生局部流動阻力和壓力。為了檢測磁流體軸承的承載和減磨性能，文獻[3]將磁流體直接置于環形磁鐵表面，形成圓環油膜，進行玻璃與磁環對壓試驗，結果表明，磁流體提供的液化氣體支承將兩接觸面隔開，從而減小摩擦磨損。該試驗模型只是對壓測試，沒有加入旋轉，檢測磁流體承載能力具有可行性，但對于檢測減磨性能缺乏說服力。
為防止漏油，形成高強度的油膜，滾動軸承大多采用脂潤滑方式；但相較于油潤滑方式，潤滑脂摩擦力矩較大，不適用于高速工況，此外，其降溫效果差，容易導致軸承過熱。在安裝有良好供油裝置的情況下，采用油潤滑的滾動軸承雖可克服上述難點，但操作和維護方面不如脂潤滑方便，增加了成本。而磁流體可以克服潤滑脂和潤滑油的難點，互補兩者優勢，既不甩油又能調節油黏度，適用于不同工況下的滾動軸承。
在高速下，推力球軸承溝道經常出現乏油的狀況，甚至形成干摩擦。文獻[4]將磁流體應用于推力球軸承定點潤滑進行摩擦試驗，溝道內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，溝道內出現了嚴重的塑性變形、剝落和黏附現象，體現了點接觸干摩擦的磨損機理；隨著常規潤滑油的加入，溝道內磨損情況明顯改善；在無磁場作用的磁流體潤滑情況下，相較于常規潤滑油磨損大幅加劇，甚至接近干摩擦情況；但隨著磁場的添加，溝道磨損大大減少，明顯低于常規潤滑油的磨損情況，其三維形貌和沒有進行試驗的套圈溝道非常接近，平整光滑。該研究結果不僅證實了磁場作用下磁流體具有減緩甩油且減磨效果極佳的特點，還拓寬了磁流體軸承潤滑的應用研究范圍。
磁流體潤滑理論豐富，目前研究側重于運用磁流體動力學基本方程以及磁流體黏度方程，研究中結合了多孔結構潤滑效應，但對磁流體孔-液擠壓薄膜潤滑效應認識尚不完全清楚，亟需突破；磁流體油膜特性取決于其磁場作用下的黏度可控性，研究中考慮到了磁流體應力耦合效應、孔隙率以及工況參數等影響因素，普遍是以面接觸為潤滑模型，需拓展對點/線接觸下磁流體潤滑機理的研究才能完善磁流體潤滑理論，從而逐步推進其在軸承上的應用研究。
（節選自《軸承》2020年7期）
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（來源：軸承雜志社）
