磁流变液及其在机械工程中的应用*

路 和 刘新华

(中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116)

磁流变液(Magneto－rheologicalfluids，MRF)是一种在外加磁场下其流变特性发生急剧变化的新型智能材料，它在无外加磁场时，表现为流动性良好的牛顿流体，但在外加磁场作用下，流体的流变特性发生巨大变化，其表观粘度可在10 ms内增加几个数量级，并呈现类似固体的力学性质，且粘度变化是连续可逆的，即一旦去掉磁场后，又变为流动性良好的牛顿流体。磁流变效应连续、可逆、迅速和易于控制的特点使得磁流变液在航空航天、汽车工业、液压传动、生物技术、医疗等领域具有十分广泛的应用前景［1－5］，引起了国内外学者的广泛关注。

1 磁流变液的构成及其流变特性

磁流变液主要由软磁性颗粒、载液和稳定剂三部分组成。磁性颗粒是晶体尺寸在0.01～10 μm的球形颗粒，目前应用最多的磁性颗粒是纯铁粉和羟基铁粉;载液是磁流变液的主要成分，其作用是将磁性颗粒均匀地分散在磁流变液中，使其在无外加磁场时，磁流变液具有牛顿流体的特性，载液一般应具有低粘度、高沸点、低凝固点、温度稀化效应小、热稳定性和绝缘性好、耐腐蚀性以及无毒、无异味等特点，一般可用水、煤油、硅油或合成油等;稳定剂用来减缓或防止磁性颗粒的沉降与聚集，使磁性颗粒能在载液中保持悬浮状态，提高磁流变液的稳定性、抗腐蚀性，同时还具有润滑的作用。

Rabinow［6］于1948年发现了磁流变效应，其流变特性可用Bingham本构关系［7］进行描述:

式中:τy(B)为磁流变液动态屈服应力;B为磁感应强度;γ为剪切应变率;η为磁流变液的表观粘度。

当磁性颗粒在磁流变液中达到饱和前，τy(B)随磁感应强度B的增强而增大。τy(B)可以表示为磁感应强度的幂函数形式:

式中:系数α和幂指数n为由磁流变液的材料决定的常数。根据图1和图2的实验结果可以看出:未加磁场时，磁流变液中磁性颗粒的分布是杂乱无章的，而在磁场作用下却是有规律的，且沿磁场的方向成链束状排列。

美国的Constantin Ciocanel等［8］对剪切速率、剪切应变、磁场及工作时间等因素对磁流变液的性能影响进行了研究;重庆大学的司鹄等［9］对磁流变液的流变性能进行了深入研究，结果表明:磁流变液的性能不仅受到外部磁场强度的影响，而且还受磁介质的体积百分率、磁介质微粒尺寸的影响;中国矿业大学的赵四海等［10］研制了一种狭缝式磁流变液流变性能测试系统，并通过实验证明了此测试系统的准确性;华侨大学的江晓玲等［11］利用支持向量机的二维回归方法获得了性能较好的流变特性三维关系曲面，通过分析表明磁场对磁流变液动态阻尼特性有显著的影响。

2 磁流变液的工作模式

磁流变液的工作模式主要有3种:流动模式、剪切模式和挤压模式。

2.1 流动模式

流动模式如图3所示，在流动模式中，上、下极板固定不动，磁流体在装置中的压力差的作用下流动，该压力差由磁场引起的屈服应力分量ΔPH和与磁场无关的粘性分量ΔPη组成:

式中:τH为磁流变液的动态屈服应力;η为磁流变液的动力粘度;Q为体积流速;L、h、s分别为极板长度、宽度和间隙;c为经验系数，当压差比率ΔP/ΔPH＜1时c=2;当压差比率1≤ΔP≤ΔPH≤100时c=3。

2.2 剪切模式

剪切模式如图4所示。在剪切模式中，上、下极板以相对速度平行运动，外加磁场与极板的运动方向垂直，磁流变液在相对运动的极板间流动，形成剪切变形，产生剪切阻力，该阻力由磁场引起的屈服力分量FH和粘性力分量Fη组成:

式中:τH为磁流变液的动态屈服应力;η为磁流变液的塑性粘度;υ为极板相对速度;A为工作表面积，A=Lh;L、h、s分别为极板的长、宽和间隙。

2.3 挤压模式

剪切模式如图5所示。在挤压模式中，外加磁场的方向平行于极板的运动方向，同时上、下极板做相对运动，磁流变液处于交替拉伸、压缩状态，并产生剪切变形。

3 磁流变液在机械工程中的应用

基于磁流变液流变特性的装置具有响应速度快、结构简单以及能耗低等优良特性，因此在机械工程领域中有着广泛的应用。

3.1 磁流变液应用于传动

磁流变传动(Magneto－rheological Transmission，MRT)是20世纪90年代发展起来的一种新型传动技术，其传动理论基础是磁流变液的流变效应，以磁流变液为传动介质，通过调节外加磁场强度来改变磁流变液的剪切屈服应力，从而改变传递转矩或力的大小。磁流变传动装置具有响应时间短(一般为毫秒级)、传动部件磨损较小、控制简单、控制能源消耗低等特点，是一种较为理想的动力传动器件，其在机械装置启动、制动、转矩调节、无级调速和过载安全保护等方面具有独特的优势。

国内外学者对磁流变液传动装置做了大量的研究。美国Lord公司［12］制造的旋转式制动器，回转阻力可控、结构紧凑、运行平稳、功耗较低，已用于自行车式和台阶攀登式健身机;美国内华达州大学的Barkan M.Kavlicoglu等［13］研制了双圆盘式大转矩磁流变液离合器;重庆大学的郑军等［14］开发了一种圆柱式磁流变液传动装置，探讨了磁流变液传动流体动力学特性，研究了在稳态及瞬态情况下传动装置的流场分布，并对磁流变液传动装置的响应时间及其影响因素进行了讨论;中国矿业大学的侯友夫等［15］对旋转界面间磁流变液动力传递机理进行了研究，申请了相关磁流变液传动装置的发明专利，并开发了小功率磁流变液传动装置;东北林业大学的丁柏群等［16］设计了一种汽车轮内叶轮式磁流变液制动器，并推导出该制动器的制动力矩计算方法，所设计的汽车磁流变液制动器能够满足一般小型汽车的制动力矩需求。

3.2 磁流变液阻尼器应用于减振

磁流变阻尼器可广泛用于各种振动控制系统，具有结构简单、能耗低、体积小、工作连续可逆等优点，能够很好地满足各种场合的需要，可实现实时的主动、半主动控制，特别适合于对重量和空间都有限制的机械装置，加上阻尼器特有的可控性，能实现迅速的无级阻尼力调节，这些优良特性使得这种阻尼器有着广阔的应用前景，可应用于对减振有较高要求的机械装置。Yang Guangqiang等［17］系统地测试了200 kN足尺磁流变阻尼器的阻尼力性能;美国内华达大学以Gordaninejad教授为首的科研团队CIML实验室［18］开发了双活塞磁路磁流变液阻尼器;李忠献等［19］设计并制作了双出杆的剪切阀式磁流变阻尼器;王洪涛等［20］设计出一种基于被动式双筒液压减振器的盘形缝隙式双筒磁流变液减振器，推导出盘形缝隙式双筒MRD的阻尼力计算模型;王修勇等［21］设计、制作了阻尼力可调范围大、位移不受限制的旋转剪切式MR阻尼器。

3.3 磁流变液液压阀用于液压系统

磁流变液可以作为液压系统的工作介质，通过给阀加上一定的磁场，当磁流变液经过阀门时，由于受磁场作用的影响，磁流变液的粘度逐渐增大，流经阀门的液流阻力也随之增大，使阀门进口压力增高，由此减缓或停止液体的流动，利用磁流变技术开发的控制阀，没有相对运动的阀芯，要求精度低，制造成本较低、无磨损、寿命长、易于控制等优点，具有较好的发展前景。William Kordonsky［22］提出了一种液压缸活塞控制运动方法;磁流变在液压传动中的应用主要有磁流变比例控制阀，磁流变可控阀门，磁流变流体溢流阀，磁流变液节流阀等［23］。

3.4 磁流变液抛光装置应用于精密加工

磁流变抛光是一种用磁场辅助的流体动力抛光技术［24］，磁流变抛光具有抛光效率高、受磁场可控、剪切应力大、磨头无磨损、温度适用范围宽等其他传统抛光方法所没有的优点，并且通过计算机的控制可以实现复杂光学表面的加工。杨建国等［25］对磁流变抛光的两种不同结构的装置进行了优缺点比较，给出了抛光装置的关键部件的设计方法;张学成等［26］研究了磁流变液射流在外加轴向磁场作用下的稳定性。

3.5 磁流变液应用于柔性夹具

利用磁流变液的流变特性可对形状复杂的工件进行定位和夹紧，以便进行机械加工。Y.Rong等［27］研制了一套柔性夹紧装置，并利用加压技术，使磁流变液的微观结构由单链变成一个粗大的柱状结构，可达800 kPa以上，满足了设计柔性夹具的夹紧力要求;美国Lord公司的Jolly等［28］开发了磁流变液手柄，这种手柄可用于不同形状工件的抓取;Zhang X.Z.等［29］发明了一种磁流变工件夹紧装置;中国科技大学的张先舟等［30］研发了一种磁流变柔性夹具，在0.3 T的磁场作用下固化后其剪切强度约为40 kPa，转动压杆沿磁场方向加压10 MPa，磁流变材料剪切强度达到2 MPa，一根0.1 mm×1 mm×20 mm的铁片被夹紧后可以承受50 N以上的拉力;肖璐等［31］研究了用于薄壁件加工的磁流变夹具，通过有限元对夹紧力与切削力以及磁流变液的剪切应力进行了分析，比较了采用磁流变液前后工件变形的区别，最后得出在采用磁流变液后，工件产生的应变减小了约1个数量级;龚政等［32］研究了应用于柔性夹具的磁流变液顶针结构，并取得了较好的效果。

3.6 磁流变液应用于机械密封

磁流变液密封主要利用磁性液体对磁场的响应特性。把磁性液体注入由高性能的永磁体、导磁性良好的极靴和轴构成的导磁回路中，形成数个液体“O”形密封圈，当磁性液体受压差作用时，会在非均匀磁场中移动，这时不均匀的磁场就会使磁性液体产生对抗压差的磁力进而达到新的平衡，这样就起到了密封的作用。

Kordonsky W.I.等［33］通过实验研究了旋转轴以MRF为密封介质的单密封技术，通过磁场控制密封间隙中MRF的粘度从而达到密封的效果，这与铁磁流体密封原理基本类似，然而其结构更简单、密封性能更好，配合件无磨损、维修更简便。磁流变密封具有严密的密封性和不可测量的泄漏率，其寿命长、可靠性高、无污染，并能承受高的转速、低的粘性摩擦;磁性液体密封即使在中断运行时，也不像弹性密封那样在停机期间受增塑和弛豫的影响。

磁流变液在机械工程中还可以用于特种轴承、机械手、机器人传感器和无级变速器仿人肌肉、人机一体化机构等仿生智能机构上，也可以应用在虚拟现实设备中，如研制基于磁流变液的力反馈数据手套等。

4 结语

磁流变液在机械工程中的应用研究起步较晚，但是由于其独特的流变效应、优良的可控性能，得到了各国专家学者的广泛重视和研究，因此发展较快，尤其是近年来，磁流变液在材料性能及应用等方面取得了较大进展。

由于磁流变液传动系统动力传递机理较复杂，还有很多问题需要进一步深入研究:如磁流变装置的散热效果不理想;传动装置的传动力和力矩较小;装置运行时易泄露，难密封;磁流变液易沉淀，稳定性较差等。目前国外已有少量商业化磁流变液设备问世，我国对磁流变技术的研究刚刚起步，相信随着对磁流变液研究的不断深入，磁流变液会在机械工程中得到更广泛的应用。

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