磁流变液介质液压系统的基础研究

　　1 磁流变液简介

　　磁流变液(Magnetorheological Fluids)是在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料。其基本特征是在强磁场作用下能在瞬间(毫秒级)从自由流动的液体转变为半固体,呈现可控的屈服强度,而且这种变化是可逆的。磁场对磁流变液的粘度、塑性和粘弹性等特性的影响称为磁流变效应[1](Magneto-rheologicalEffect)。磁流变液是当前智能材料研究范畴的一个重要分支,在汽车、机械、航空、建筑、医疗等领域具有广泛的应用前景[2]。将磁流变流体应用于液压系统的研究是磁流变应用的一个方面,利用磁流变流体的流变原理,可以制造无运动部件的液压阀[3],电流变流体液压系统国内外已有尝试,但磁流变流体液压系统的研究才起步。本文通过对磁流变流体用于液压系统的一些基础问题进行研究,为磁流变流体液压系统的研究提供一些参考。

　　2 磁流变液作为液压系统传动介质

　　磁流变液由载液(矿物油等)、离散的可极化的磁性颗粒、表面活性剂等组成,载液可以采用现有的矿物油为基础的液压油,磁性颗粒一般为微米或纳米级的铁磁性颗粒,表面活性剂常用的是油酸。经典的磁流变液都是微米尺寸的磁性颗粒和低磁导率的载液,它具有较强的磁流变效应,屈服应力可达50~100kPa。使用最多的磁性颗粒是羰基铁粉。磁流变液的颗粒体积分数一般为20% ~40% ,有的高达50%。颗粒直径一般在0.1~100Lm范围内,典型值为3~5Lm。这类磁流变液的零场粘度较高,并且经典的磁流变液体由于有大于5um的颗粒,可能对液压系统造成污染,这样的磁流变液不适合用于液压系统中[4]。

　　近两年,随着纳米技术的发展,纳米铁磁性颗粒进入产品化生产,由于纳米颗粒具有的表面效应和体积效应,纳米铁磁性颗粒制成的磁流变液的悬浮稳定性有了显著的提高,铁磁性颗粒直径一般在1~60nm范围内,在此范围内的颗粒不会对液压系统造成污染,也不会对系统的工作造成影响。

　　纳米级金属粉作为新型固体润滑剂,国外已有研究,日本学者研究了粒度在0.03~14.5Lm之间的金属粉作润滑油添加剂,并证明金属粉具有很好的极压润滑作用[5]。考虑到液压系统的工作特点,将粒度为1~60nm的铁粉加入到航空液压油中,进行了抗磨性能实验研究。试验在MMU-5型摩擦磨损实验机上进行,利用扫描电镜对磨损表面形貌进行分析。通过扫描电镜照片分析,加入纳米铁粉的液压油所形成的痕区有窄而浅的沟纹,这是铁粉在表面受到挤压,起到“滚珠”作用,降低了运动阻力。随着载荷的增加,磨痕增加甚微,表面更光滑,说明单位载荷增加,纳米铁粉被压扁,表面上凹谷被添平,改善了润滑性能。