趙雅琪，王建梅，侯定邦，羅永成

(太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心;山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，太原 030024)

油膜軸承由于其承載能力大，速度范圍寬，抗沖擊性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、礦山、冶金、電力、航空航天等關(guān)鍵設(shè)備上[1-3]。重載、高溫、高速的工作環(huán)境要求軋機(jī)油膜軸承在工作過(guò)程保持運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性且不失效。軸承襯套與軋輥之間的潤(rùn)滑介質(zhì)將對(duì)軸承工作性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。新型鐵磁流體潤(rùn)滑油的應(yīng)用能有效地改善油膜軸承的工作性能。

磁流體是一種新型的具有磁性的液固兩相流液體，其磁性遵循電磁學(xué)規(guī)律可受磁場(chǎng)控制。其組成成分中的磁性顆粒尺寸極其微小，粒度基本在8～10 nm范圍之間，且只占磁流體總體積的10%以下，鐵磁流體的最終形態(tài)是一種穩(wěn)定的膠體混合物。通過(guò)合理施加外磁場(chǎng)作用力，鐵磁流體可保持在軸承潤(rùn)滑區(qū)域，改善軸承潤(rùn)滑性能，提高軸承承載能力，提高軸承運(yùn)行穩(wěn)定性。

近年來(lái)，許多專家與學(xué)者對(duì)磁流體在外磁場(chǎng)作用下的性能變化做了大量的研究。Tze-Chi Hsu等研究表明外磁場(chǎng)作用力會(huì)對(duì)軸承潤(rùn)滑性能產(chǎn)生顯著影響[4-5]；Shah，R.C等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)均勻磁場(chǎng)對(duì)軸承不產(chǎn)生任何影響[6]；Osman等采用有限差分法計(jì)算，用計(jì)算所得油膜壓力值來(lái)研究多種外加磁場(chǎng)模型作用于軸承是的靜態(tài)行為[7-8]；Yanjuan Z等基于Biot-Savar定理計(jì)算推導(dǎo)出一螺線管外磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型[9-10]；Wang J等研究了鐵磁流體粘度在油膜溫度、油膜壓力、磁場(chǎng)強(qiáng)度三種影響因素下的性能變化，發(fā)現(xiàn)油膜壓力對(duì)磁流體粘度影響相對(duì)較小，磁場(chǎng)強(qiáng)度的粘度增量可以改善溫度升高時(shí)的粘度下降[11-12]。

磁流體油膜軸承因其結(jié)構(gòu)、安裝問(wèn)題等問(wèn)題，目前大量研究仍停留在理論階段。本文基于我校大型油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)一螺線管外磁場(chǎng)模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究其外磁場(chǎng)的磁場(chǎng)分布以及磁流體粘度與溫度、粘度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)油膜工作區(qū)域外磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，合理施加外磁場(chǎng)作用力可有效提高磁流體粘度特性改善軸承工作性能。

1 磁流體油膜軸承外磁場(chǎng)設(shè)計(jì)與計(jì)算

油膜軸承作為關(guān)鍵承載部件多在高速重載的惡劣工況下工作。在連續(xù)工作過(guò)程中潤(rùn)滑油溫度升高，致使?jié)櫥驼扯仁艿接绊懚档停瑵?rùn)滑油粘度的降低會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致承載油膜變薄甚至發(fā)生破裂。轉(zhuǎn)軸與襯套之間無(wú)潤(rùn)滑油作用，兩者之間將會(huì)相互擠壓、磨損導(dǎo)致襯套磨損、剝落從而致使軸承失效。與傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式相比，磁流體潤(rùn)滑方式可以有效提高軸承潤(rùn)滑性能以及其承載性能。磁流體潤(rùn)滑油與傳統(tǒng)潤(rùn)滑油最大的不同之處就在于其具有磁性，其磁性來(lái)源于其組成成分中的固相磁性微粒。為了有效地控制磁流體的行為，外加磁場(chǎng)對(duì)其施加的作用力是決定性的。合理的外部磁場(chǎng)能提高油膜粘度，改善油膜軸承潤(rùn)滑環(huán)境，延長(zhǎng)軸承使用壽命。本文設(shè)計(jì)了一多層密匝螺線圈為磁流體軸承提供外磁場(chǎng)作用力，見(jiàn)圖1。

圖1 螺線管實(shí)物圖Fig.1 The multilayer-turn solenoid

采用CA6140型號(hào)的車床加工螺線管，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求確定螺線管相關(guān)尺寸及特性參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 螺線管相關(guān)參數(shù)
Tab.1 The relative parameters of the solenoid

參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)線圈材料紅銅螺線管長(zhǎng)度/mm180螺線管外半徑/mm/154線圈電阻6.2螺線管內(nèi)半徑/mm123線圈電阻率1.75e-8軸向線圈匝數(shù)85線圈直徑/mm2徑向線圈匝數(shù)14相對(duì)磁導(dǎo)率0.999979

根據(jù)Boit-Savar定理由單線圈上某一電流源推導(dǎo)得到多層密匝螺線管所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在笛卡爾坐標(biāo)系下，將螺線管所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分解至x,y，z三個(gè)方向。由于螺線管結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，周向方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0(Bz=0)，軸向與徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度公式如下[9-10]：

(1)

(2)

其中,

L——螺線管長(zhǎng)度/m，R1——螺線管內(nèi)徑/m，μ0——相對(duì)磁導(dǎo)率，R2——螺線管外徑/m，n2——螺線管層數(shù)，n1——螺線管匝數(shù)。

2 外磁場(chǎng)性能實(shí)驗(yàn)研究

2.1 外磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究

實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理基于霍爾效應(yīng)。當(dāng)霍爾感應(yīng)器受到磁場(chǎng)作用時(shí)，其中的帶電粒子因受洛倫茲力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，感應(yīng)片固體材料中的帶電粒子在與磁場(chǎng)垂直的方向產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚集，電荷聚集形成附加的橫向霍爾電場(chǎng)并將這種電場(chǎng)強(qiáng)度輸出為該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。實(shí)驗(yàn)裝置圖見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置Fig.2 The device of the experiment

實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)水平尺與豎直尺來(lái)確定要測(cè)量的位置點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)霍爾感應(yīng)片的方向可分別測(cè)量出軸向與徑向方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度。基于該實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，在螺線管通電電流強(qiáng)度分別為3A，4A，5A三種情況下測(cè)量通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度。測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3為實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。(a)為螺線管內(nèi)部空間不同軸向與徑向位置處的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度。由圖可知，Bx分別關(guān)于軸向與徑向方向?qū)ΨQ，沿軸向方向呈先減小后急劇增大的變化趨勢(shì)。沿徑向方向自中心處起向兩邊逐漸減小，越靠近襯套處減小幅度越大，在襯套軸向邊緣處出現(xiàn)Bx激增情況，最大值出現(xiàn)在襯套邊緣處。(b)為螺線管內(nèi)部空間不同軸向與徑向位置處的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度。由圖可知,By沿軸向方向關(guān)于中心對(duì)稱，中心處By=0，自中心處向兩側(cè)逐漸增大，靠近襯套的區(qū)域內(nèi)增加速率較大。沿徑向方向呈數(shù)值相互對(duì)稱但方向相反的情況。最大值出現(xiàn)在襯套邊緣處。

對(duì)比圖3(a)與圖3(b)，在螺線管內(nèi)部區(qū)域內(nèi)Bx要遠(yuǎn)大于By，Bx在外磁場(chǎng)模型螺線管產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度中占主導(dǎo)作用。

圖3 外磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 The result of the experiment

(c)為不同電流強(qiáng)度下軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比圖。(d)為不電流強(qiáng)度下徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比圖。由圖可知，軸向與徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著電流強(qiáng)度增大而增大。

如上所述，螺線管內(nèi)部區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度可通過(guò)調(diào)節(jié)螺線管通電電流的大小進(jìn)行控制。軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度大于徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度，起到主導(dǎo)作用，徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度可忽略，這與文獻(xiàn)[9]吻合。螺線管所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度在襯套邊緣處達(dá)到最大，可起到加強(qiáng)軸承密封性能的作用。

2.2 粘溫實(shí)驗(yàn)研究

粘度是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在軸承工作過(guò)程中，潤(rùn)滑油粘度指標(biāo)的變化規(guī)律對(duì)軸承工作性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。粘溫實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

根據(jù)Shilioms轉(zhuǎn)動(dòng)粘度理論，磁流體在外加磁場(chǎng)作用下的粘度為[13]：

ηH=ηf0+Δη=

(3)

其中，β——管流渦旋矢量與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的夾角，η——磁流體的粘度增量。

圖4 粘度測(cè)試系統(tǒng)示意圖

Fig.4 The test system of viscosity

圖5 不同溫度外加磁場(chǎng)作用下磁流體的粘度特性曲線

Fig.5 The viscosity characteristic curve of magnetic fluid under the effect of magnetic field at different temperatures

圖5所示為磁流體潤(rùn)滑油粘度在磁場(chǎng)強(qiáng)度影響之下的變化趨勢(shì)。根據(jù)(3)理論計(jì)算溫度為30 ℃是的粘度變化值并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了磁流體在溫度為34 ℃與37 ℃時(shí)的粘度。通過(guò)對(duì)比分析，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相互吻合，并且工作溫度會(huì)對(duì)磁流體產(chǎn)生消極影響而磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁流體產(chǎn)生積極影響，這種變化趨勢(shì)在一定程度上抵消了溫度對(duì)粘度所稱生的影響，提高了油膜壓力改善了軸承工作性能。

如上所述，溫度一定時(shí)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的磁流體粘度增加。磁場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)隨著溫度增加磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的磁流體粘度減小。外磁場(chǎng)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以有效地增加磁流體潤(rùn)滑油粘度，提高油膜承載能力降低軸承失效率。

3 結(jié)論

(1)螺線管作為磁流體油膜軸承外磁場(chǎng)模型，可通過(guò)改變電流強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)外磁場(chǎng)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)可控性。

(2)螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度呈對(duì)稱分布，軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度是徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度值的3倍，因此軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度在軸承工作過(guò)程中起主導(dǎo)作用。

(3)螺線管邊緣處磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大，能夠起到加強(qiáng)軸承的密封性。

(4)外磁場(chǎng)作用可以提高磁流體潤(rùn)滑油的粘度，改善軸承潤(rùn)滑性能，提高軸承承載能力。