摘 要：磁流變液是一種特殊的懸浮液，將其應(yīng)用在傳動(dòng)裝置中，具有能耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等等優(yōu)點(diǎn)。在滑差工況下，磁流變液中的磁性顆粒會(huì)因?yàn)橹鲝膭?dòng)摩擦副間的轉(zhuǎn)速差發(fā)生摩擦，進(jìn)而放熱導(dǎo)致其溫度上升，會(huì)影響到傳動(dòng)裝置的性能。本文主要介紹一種多盤式磁流變傳動(dòng)裝置并針對(duì)該裝置對(duì)磁流變液的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行研究分析。

關(guān)鍵詞：傳動(dòng)裝置；磁流變液；瞬態(tài)溫度場(chǎng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.257

0 引言

微米級(jí)的軟磁性顆粒均勻的分散在基載液及穩(wěn)定劑中形成的一種懸浮液，即磁流變液。一般情況下，磁流變液為自由流動(dòng)狀態(tài)，受到外加磁場(chǎng)作用后會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)，且這種狀態(tài)下，磁流變液具有可控剪切屈服強(qiáng)度，因此在傳動(dòng)裝置中常常會(huì)以該種懸浮液作為傳動(dòng)介質(zhì)。但當(dāng)在滑差工況下，磁流變液中的磁性顆粒會(huì)因?yàn)橹鲝膭?dòng)摩擦副間的轉(zhuǎn)速差發(fā)生摩擦，進(jìn)而放熱導(dǎo)致其溫度上升，一定程度上影響了裝置的傳動(dòng)性能。本文主要以多盤式磁流變傳動(dòng)裝置為基礎(chǔ)，研究磁流變液的瞬態(tài)溫度場(chǎng)。

1 多盤式磁流變傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)介

多盤式磁流變傳動(dòng)裝置中存在多組圓盤，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該傳動(dòng)裝置中，主動(dòng)轉(zhuǎn)子與主動(dòng)軸相連，從動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)軸相連，圓盤插于轉(zhuǎn)子上，并使用隔離環(huán)將相鄰的圓盤分隔開來(lái)，形成一個(gè)個(gè)工作間隙，間隙中密封有磁流變液。未通電狀態(tài)下，磁流變液自由流動(dòng)，主動(dòng)盤與從動(dòng)盤分離；通電狀態(tài)下，工作間隙內(nèi)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁流變液在磁場(chǎng)作用下迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)，具有一定的可控剪切屈服強(qiáng)度，主動(dòng)盤與從動(dòng)盤結(jié)合，電流大小不同，主從動(dòng)盤之間的結(jié)合程度不同，傳動(dòng)裝置的狀態(tài)不同。一般情況下，磁流變傳動(dòng)裝置都處于同步運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，但偶爾也會(huì)出現(xiàn)滑差狀態(tài)，滑差工況下，傳送裝置的磁流變液溫度會(huì)迅速升高。

2 數(shù)值仿真

2.1 基本參數(shù)

某多盤式磁流變傳動(dòng)裝置有8個(gè)工作間隙，圓盤內(nèi)徑為76mm，外徑為116mm，圓盤結(jié)構(gòu)及邊界具有對(duì)稱性，二維軸對(duì)稱熱分析模型使用ANSYS 軟件建立，選取四節(jié)點(diǎn)二維平面單元 PLANE55，模型建立過(guò)程中采用網(wǎng)格將工作間隙進(jìn)行劃分并局部細(xì)化，可以得到一個(gè)有限元模型，仿真過(guò)程中假設(shè)所有材料的物理參數(shù)恒定不變。

2.2 邊界條件

當(dāng)t=0時(shí)，將傳動(dòng)裝置各點(diǎn)溫度T0設(shè)置為25℃；考慮到傳動(dòng)裝置周圍空氣與裝置外表之間存在著熱輻射換熱及對(duì)流換熱，復(fù)合換熱系數(shù)α取為 9. 7 W/（m 2·K）；傳動(dòng)裝置各個(gè)工作間隙區(qū)域的生熱率與圓盤半徑呈線性關(guān)系，因此，通過(guò)徑向梯度載荷的方式將其施加在節(jié)點(diǎn)上。

2.3 仿真結(jié)果

（1）溫度場(chǎng)分布規(guī)律

（2）軸向間隙溫度分布。將傳動(dòng)裝置的8個(gè)工作間隙由左至右依次編號(hào)，各個(gè)間隙的生熱率相同，但外界換熱條件受到軸向位置的影響存在著一定的差別。① ～ ④號(hào)間隙的磁流變液溫度隨滑差時(shí)間的變化情況見圖2，由圖可以看出，②、③號(hào)間隙介于① 、④號(hào)間隙之間，①號(hào)為最邊緣間隙，滑差工況下，④號(hào)間隙磁流變液的溫度較高，①號(hào)間隙最低，且越靠近邊緣，溫度越低?；顒傞_始時(shí)，四個(gè)間隙的磁流變液溫度差異較小，隨著時(shí)間的推移，溫差逐漸拉大。

（3）磁流變液溫度場(chǎng)。分析磁流變液溫度場(chǎng)時(shí)將傳動(dòng)裝置的滑差功率設(shè)定為5 kW，下文主要分析④號(hào)間隙內(nèi)部的磁流變液的溫度場(chǎng)，分別記錄10 s、 30 s及60 s時(shí)磁流變液溫度分布規(guī)律可以知道，不同時(shí)刻磁流變液表面溫度場(chǎng)的分布規(guī)律大體一致，由于工作間隙邊緣處磁流變液與外界的對(duì)流換熱效果較好，因此外徑處產(chǎn)生的大部分熱量已經(jīng)散出去，反而是工作半徑中心處散熱較慢因此溫度最高。

2.4 影響溫度分布的主要因素

（1）滑差功率。在④號(hào)間隙的磁流變液中取3個(gè)不同的點(diǎn)，三點(diǎn)與圓盤原點(diǎn)的距離分別為76mm、96 mm、116 mm。分析滑差功率為5kW、10 kW及15 kW時(shí)各點(diǎn)的溫度變化情況，可以得到以下結(jié)論：隨著滑差時(shí)間的不斷增加，磁流變液的溫度變化趨勢(shì)近似線性增長(zhǎng)，且功率越大，增長(zhǎng)的越快。主要是因此滑差功率越大，單位時(shí)間內(nèi)工作間隙先生的熱量越多，但散熱的效率基本一致，因此功率越大，磁流變液溫度上升越快；滑差功率圍為15 kW時(shí)，距離圓盤原點(diǎn)96 mm處的磁流變液在30s時(shí)間內(nèi)上升了270℃左右，在實(shí)際的使用過(guò)程中，為了避免大功率滑差工況下磁流變液溫度過(guò)高應(yīng)該盡可能縮短傳動(dòng)裝置啟動(dòng)及制定時(shí)間，并采取一定的散熱降溫方法，保護(hù)傳動(dòng)裝置。

（2）工作間隙。在④號(hào)間隙的磁流變液中取一點(diǎn)，該點(diǎn)與圓盤原點(diǎn)的距離為96 mm，改變隔離環(huán)厚度調(diào)節(jié)工作間隙尺寸，分別設(shè)置工作間隙大小為0. 5 mm、1. 0mm、1. 5mm及 2. 0 mm，設(shè)置滑差功率為5 kW，時(shí)間為30s，分析滑差工況下工作間隙不同時(shí)，磁流變液溫度變化情況，得到結(jié)果如下：同樣的時(shí)間內(nèi)，工作間隙越大，磁流變液的溫度越低，隨著時(shí)間的增加，溫差會(huì)變大，工作間隙增加后，單位時(shí)間內(nèi)磁流變液的溫度上升幅度會(huì)降低。

3 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證上述仿真結(jié)果，還需要進(jìn)行試驗(yàn)，下文簡(jiǎn)單就實(shí)驗(yàn)儀器、方法及結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過(guò)程中首先使用電動(dòng)機(jī)、磁流變傳動(dòng)裝置、溫度傳感器、激勵(lì)電源、變頻器、 扭矩傳感器、固定支架等等裝置搭建起一個(gè)磁流變傳動(dòng)溫升試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)開始時(shí)，使用固定支架將從動(dòng)盤固定住，激勵(lì)電源將勵(lì)磁電流提供給線圈，滑差功率通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器改變，檢測(cè)時(shí)將溫度傳感器的探頭插入到①號(hào)間隙中，主要用于測(cè)量磁流變液的溫度變化情況，系統(tǒng)的滑差轉(zhuǎn)速及傳遞扭矩由扭矩傳感器測(cè)量，試驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距離圓盤圓心的位置分別為90 mm 和 110 mm，試驗(yàn)過(guò)程中記錄各狀態(tài)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 結(jié)果與討論

（1）滑差功率為7 kW 時(shí)，記錄兩個(gè)測(cè)點(diǎn)磁流變液溫度變化情況，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)90 mm處的溫度始終低于110 mm處的溫度，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的溫度差值越來(lái)越大，且110 mm處的試驗(yàn)值比仿真值大，90 mm處的試驗(yàn)值比仿真值小，主要是因?yàn)閳A盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁性顆粒在離心力的作用下會(huì)逐漸向間隙外徑移動(dòng)，開進(jìn)外徑處磁性顆粒的體積分?jǐn)?shù)會(huì)有一定程度的升高導(dǎo)致剪切應(yīng)力增加，因此單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量也會(huì)有所增加；

（2）測(cè)試不同滑差功率下磁流變液的溫度變化情況可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)測(cè)得的兩測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況與仿真值基本一致，但由于溫度傳感器的測(cè)量誤差、仿真模型及邊界條件簡(jiǎn)化等等原因，試驗(yàn)值與仿真值之間還存在一些誤差；

（3）滑差功率設(shè)置為7 kW，分別測(cè)量工作間隙為0. 5mm、 1. 0mm及1. 5 mm時(shí)磁流變液的溫度變化情況，可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與仿真模擬結(jié)果基本一致，即工作間隙較小時(shí)溫度上升較快，工作間隙較大時(shí)溫度上升較慢，但由于工作間隙增大時(shí)，磁流變液的流動(dòng)性會(huì)受到影響，周圍部件與磁流變液的對(duì)流換熱會(huì)加速，因此試驗(yàn)結(jié)果比仿真值相比略小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了多盤式磁流變傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)研究分析了多盤式磁流變傳動(dòng)裝置的磁流變液瞬態(tài)溫度場(chǎng)，研究發(fā)現(xiàn)在磁流變裝置中，滑差功率及軸向間隙的位置、尺寸都會(huì)影響到磁流變液溫度，軸向間隙由外向里，磁流變液的溫度逐漸上升，且隨著滑差時(shí)間的增長(zhǎng)，各間隙之間磁流變液溫度的差異會(huì)逐漸增加；磁流變裝置中，工作半徑中心處的溫度最高，兩端處的溫度逐漸降低；滑差功率較大時(shí)，磁流變液的溫度上升較快，增大工作間隙尺寸可以在一定程度上減緩溫度的上升。

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作者簡(jiǎn)介：楊建軍（1968—），男，河北平泉人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)電生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)線自動(dòng)化。