楊坤全，黃 惠

(1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000；2.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108)

磁流變液(Magnetorheological fluid，MRF)作為一種新型智能材料，因其獨(dú)特的磁流變效應(yīng)在車輛工程、建筑工程、醫(yī)療等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用研究?jī)r(jià)值[1]。其中磁流變(Magnetorheological，MR)阻尼器被廣泛認(rèn)為是發(fā)揮MRF介質(zhì)智能特性最大化的工程裝置之一，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍寬、響應(yīng)速度快且連續(xù)順逆可控等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)的半主動(dòng)減振裝置[2-3]，常用于汽車懸架。但由于MRF本身的沉降問(wèn)題客觀存在，使得MR阻尼器的工作性能與使用壽命受到了較大影響，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用發(fā)展[4]。

為提高M(jìn)R阻尼器的抗沉降性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)兩個(gè)方面進(jìn)行研究：一是研究MR阻尼器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，借助外力使內(nèi)部的MRF具有更好的沉降性能，即物理方法[5-6]；二是研究MRF本身的成分構(gòu)成及制備工藝改進(jìn)，提高自身性能，以應(yīng)用于MR阻尼器時(shí)能有更好的抗沉降效果，即化學(xué)方法[7-8]。

在MR阻尼器結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，專門針對(duì)MRF抗沉降結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少，但此類問(wèn)題可歸結(jié)于通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為羰基鐵粉提供額外的物理外力，以抵消載液與顆粒的密度差造成的“沉降力”或進(jìn)行再分散。隋莉莉等[9]根據(jù)MRF的流變特性及磁路特點(diǎn)設(shè)計(jì)了防沉降裝置，利用通電線圈產(chǎn)生向上的外力，提高穩(wěn)定性。李忠獻(xiàn)等[10]設(shè)計(jì)了一種螺旋凹槽結(jié)構(gòu)MR阻尼器，通過(guò)適當(dāng)改變螺旋升角，可增加MRF的自循環(huán)回流，以防止MRF發(fā)生沉降，且在不降低阻尼力可調(diào)系數(shù)的前提下提高了最大阻尼力。此外，丁陽(yáng)等[11]提出了一種阻尼力雙向調(diào)節(jié)MR阻尼器結(jié)構(gòu)，利用產(chǎn)生的梯度磁場(chǎng)使羰基鐵粉受力平衡，克服傳統(tǒng)MR阻尼器在零電流狀態(tài)下出力過(guò)小以及逆變式磁流變阻尼器無(wú)法充分退磁等缺陷，但由于零電流狀態(tài)下阻尼器阻尼通道內(nèi)保持一定的磁通量，阻尼器內(nèi)MRF的沉降性能提高程度較小。此外，諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出為MR阻尼器設(shè)置再分散或自循環(huán)裝置[12-13]，保證MRF處于不斷分散及流動(dòng)的狀態(tài)以防止沉降，但再分散或自循環(huán)裝置都大大增加了MR阻尼器的體積及加工成本，整體性價(jià)比變低。

大部分研究從MRF本身出發(fā)，通過(guò)混合不同的載液與添加劑，組成較佳的三角網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使羰基鐵粉具有更好的沉降穩(wěn)定性。第一種方式為專門采用有機(jī)或無(wú)機(jī)物包覆磁性顆粒等結(jié)構(gòu)以減小顆粒“平均比重”，增加抗沉降性能，代表商家為著名的美國(guó)Lord公司，其MRF產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)[14-15]；第二種方式為加入各種不同的添加劑，主要為表面活性劑、分散劑、防沉劑，在體系中形成三維網(wǎng)絡(luò)觸變結(jié)構(gòu)，減緩團(tuán)聚與沉降，如許陽(yáng)光[16]在MRF的制備、測(cè)試上進(jìn)行了相關(guān)研究，確定了其運(yùn)用于MR阻尼器相關(guān)裝置時(shí)的性能影響情況，爨紅亮等[17]研究了添加納米Fe3O4[18]對(duì)MRF性能的影響，并將制備的改進(jìn)MRF應(yīng)用于MR阻尼器；第三種方式為更換載液種類，即改變載液的粘度，以此提高M(jìn)RF穩(wěn)定性，如德國(guó)BASFAG已采用該方式研制出穩(wěn)定的納米MRF[19]。

上述化學(xué)方法中第一種效果較好，但MRF的制備工藝極其復(fù)雜，性價(jià)比極低；第二種對(duì)實(shí)驗(yàn)制備精度要求較高，制備較繁瑣，不同添加劑體系沉降時(shí)間不同，但最終都會(huì)沉降；第三種方法制備簡(jiǎn)便，但磁流變效應(yīng)變低，主要屈服應(yīng)力性能較差。

針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[20]已通過(guò)設(shè)計(jì)閉環(huán)磁路改善沉降性，為進(jìn)一步改善MR阻尼器MRF沉降穩(wěn)定性，本文對(duì)磁場(chǎng)作用下的MRF進(jìn)行研究，制備適用MR阻尼器且沉降穩(wěn)定性更佳的MRF。以磁場(chǎng)作用下影響磁性顆粒在MRF中沉降性能的主要因素為理論指導(dǎo)，以市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品MRF-450為基礎(chǔ)，從制備工藝和配方上改善MRF的沉降性能，且保證MRF的剪切屈服應(yīng)力、零場(chǎng)粘度、觸變性等力學(xué)性能，并基于MRF不同沉降程度下的導(dǎo)電性存在差異的原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明其沉降穩(wěn)定性的改善程度。

1 磁場(chǎng)作用下MRF沉降原理分析

MRF是由高導(dǎo)磁率、低磁滯的軟磁性微顆粒、絕緣基礎(chǔ)液、添加劑等均勻混合形成的懸浮液。軟磁性微顆粒為分散相的主要分散顆粒；絕緣基礎(chǔ)液為分散相載體的基礎(chǔ)液，常為非磁性基載液；添加劑用于改善MRF性能，主要有表面活性劑、觸變劑等[21-22]。發(fā)生沉降的原因是磁性微顆粒密度遠(yuǎn)大于載液密度，將磁性顆粒簡(jiǎn)化為磁偶極子，分析其受力情況。磁偶極子模型如圖1所示。

圖1 磁偶極子模型圖

從微觀角度，假設(shè)磁偶極子體積為V，磁偶極子中心為O點(diǎn)，外磁場(chǎng)強(qiáng)度為H，磁化強(qiáng)度為M，在兩磁極處分別積累了量值為Qm的正負(fù)磁荷，a是兩磁極之間的距離向量，J為磁偶極子的磁極化強(qiáng)度，定義為單位體積內(nèi)分子磁偶極矩之和，可推得

(1)

根據(jù)物質(zhì)磁性的分子電流觀點(diǎn)和磁荷觀點(diǎn)之間的關(guān)系可得

J=μ0M

(2)

式中μ0為真空磁導(dǎo)率，H/m。

聯(lián)立式(1)和式(2)得

(3)

設(shè)外加非均勻磁場(chǎng)與磁偶極子磁化方向不在同一直線上，在磁偶極子N極和S極上的外磁場(chǎng)為

(4)

式中：H+為磁偶極子N極的外磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；H-為磁偶極子S極的外磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；δH為沿磁極方向的外磁場(chǎng)增量，表示為

(5)

根據(jù)磁荷觀點(diǎn)，作用在兩極上的力分別為

(6)

(7)

進(jìn)一步可得磁性顆粒在非均勻外加磁場(chǎng)下的磁力為

F=μ0V(M·?)H

(8)

根據(jù)MR變阻尼器磁路特征，可得磁場(chǎng)解析式為

Bx=0，By=0，Bz≠0

(9)

式中Bx、By、Bz分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度的x軸分量、y軸分量和z軸分量，T。

在磁場(chǎng)外部自由空間，H和B的關(guān)系為

(10)

故知磁場(chǎng)強(qiáng)度的x軸分量Hx=0，磁場(chǎng)強(qiáng)度的y軸分量Hy=0，磁場(chǎng)強(qiáng)度的z軸分量Hz≠0。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度H只有z向分量不為零，故磁化強(qiáng)度M也只有z向分量，即

H=Hz，M=Mz

(11)

可得磁偶極子在磁場(chǎng)中受到的力Fb為

(12)

從宏觀角度，磁性顆?？梢暈椴豢蓧嚎s的球形顆粒，假設(shè)其質(zhì)量為m，半徑為R，表觀密度為ρ，忽略粘性阻力，沉降速率v由重力、浮力決定。

顆粒受到的重力為

(13)

顆粒受到的浮力為

(14)

式中：ρc為載液的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。顆粒受到的沉降作用力為

Fd=Fg-Ff=V(ρ-ρc)g

(15)

以參數(shù)λ衡量磁性顆粒沉降穩(wěn)定性，其表達(dá)式為

(16)

由式(16)可知，λ越接近于1，沉降穩(wěn)定性越好。同時(shí)可以看出，磁性顆粒的沉降與其體積大小無(wú)關(guān)，而取決于載液密度、磁性顆粒密度和外加磁場(chǎng)的空間分布等[23]。

2 MRF制備及沉降穩(wěn)定性改善

2.1 MRF配方改進(jìn)與制備方法

2.1.1 實(shí)驗(yàn)主要原材料

實(shí)驗(yàn)主要原材料如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)原材料表

2.1.2 配方改進(jìn)

采用MRF-450基礎(chǔ)配方，即以表面處理后的羰基鐵粉為懸浮相，油酸、吐溫等為表面活性劑，二硫化鉬為固體潤(rùn)滑劑，氧化鈣為干燥劑，氫氧化鈉為抗腐蝕劑，同時(shí)添加酚類抗氧劑。添加劑是影響MRF抗沉降性能的主要因素，其中觸變劑顆粒在低剪切速率下形成松散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使MRF具有一定的剛性，從而減少顆粒沉降[24]。由于常用作觸變劑成分的二氧化硅、膨潤(rùn)土對(duì)沉降性和導(dǎo)電性有不良影響，故減少二氧化硅和膨潤(rùn)土的用量，并采用具有相同功能的硅藻土、納米氧化鋁粉末及石墨粉末等部分代替或全部代替。載液為聚α烯烴合成油(poly-alpha olefin synthetic base oil，PAO)。配方中各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：基液60.0%；磁性顆粒35%；添加劑5%，其中觸變劑2%～3%、表面活性劑1%～3%、潤(rùn)滑劑0.01%～2%、干燥劑0.1%～2%、抗腐蝕劑0.1%～2%、抗氧劑0.1%～2%。

2.1.3 制備方法

MRF制備環(huán)境為室內(nèi)溫度25℃左右、濕度小于40%。首先將基礎(chǔ)油預(yù)熱至60℃，加入固體添加劑的同時(shí)使用高剪切乳化機(jī)(AD500S-H，昂尼)分散15min；隨后加入液體添加劑分散5～10min，并使基液溫度保持在55～65℃；最后均勻慢速添加羰基鐵粉；由于分散時(shí)會(huì)摩擦生熱，當(dāng)基液溫度大于75℃時(shí)，暫停一段時(shí)間，并將分散頭抬高，也可采用培養(yǎng)皿水浴加熱保持恒溫；添加分散過(guò)程維持30min左右，分散均勻后，進(jìn)行膠體磨(JMS-50C，廊坊市機(jī)械有限公司)40～60min，此時(shí)循環(huán)水浴溫度設(shè)定為40～65℃。

按照羰基鐵粉的粒徑、觸變劑類型和添加量的不同，配制六種MRF進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。六種MRF的主要組成及性質(zhì)如表2所示。

表2 MRF的主要組成及性質(zhì)

2.2 磁性顆粒氧化對(duì)沉降性的影響

MRF制備過(guò)程中，如鐵粉被氧化，磁性顆粒被其他物質(zhì)包覆，會(huì)影響其沉降性能。采用飛納臺(tái)式掃描電子顯微鏡對(duì)顆粒微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，以4#MRF為例，磁性顆粒氧化前后的電鏡圖像如圖2和圖3所示。

圖2 磁性顆粒大部分被氧化微觀圖像

圖3 磁性顆粒未被氧化微觀圖像

對(duì)比圖3，圖2中羰基鐵粉顆粒中鐵被氧化變?yōu)殍F銹包覆在顆粒外表，形狀很不規(guī)則，體積明顯變大，因外層包覆物質(zhì)不能導(dǎo)磁導(dǎo)電，氧化后的顆粒不再是單純的磁偶極子，故磁性顆粒氧化對(duì)沉降性能與導(dǎo)磁性能均具有負(fù)影響。為避免氧化問(wèn)題，在MRF制備過(guò)程中應(yīng)保持空氣相對(duì)濕度小于40%，并加入少量抗氧劑，以減少對(duì)MRF的導(dǎo)磁性的影響。

2.3 磁性顆粒粒徑對(duì)沉降性的影響

為說(shuō)明磁性顆粒粒徑對(duì)沉降性的影響，對(duì)具有不同顆粒粒徑的5#和6#MRF中未被氧化的磁性顆粒進(jìn)行電鏡觀測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 MRF中磁性顆粒微觀圖像

由圖4可觀察到，未被氧化的磁性顆粒粒徑大多為10～50μm，個(gè)別顆粒由于團(tuán)聚粒徑較大?；陬w粒為球形的假設(shè)，由式(16)可知粒徑大小對(duì)沉降性能基本無(wú)影響。但由圖3和圖4可見，羥基鐵粉粒徑較大時(shí)，各顆粒間的分散度較高，不易產(chǎn)生粘連且基本成球狀，原因是羰基鐵粉活性較大，粒徑越小越易自動(dòng)團(tuán)聚，引起顆粒粘連。故適當(dāng)增大羰基鐵粉顆粒的粒徑有助于提高M(jìn)RF的沉降穩(wěn)定性[25-26]。此外，當(dāng)羰基鐵粉粒徑增大時(shí)，MRF在一定間隙距離內(nèi)形成的通鏈所需的顆粒數(shù)減少，由于空氣層、載液層及添加劑層的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于磁性顆粒，故通鏈的磁阻電阻主要取決于顆粒間極其微小的空氣層、載液層及添加劑層形成的間隙。顆粒粒徑增大，間隙變小，MRF的導(dǎo)磁性能提高。但由于本文的應(yīng)用場(chǎng)景中抗沉降區(qū)域有限，粒徑大小需保持在10μm內(nèi)，故本文選定羰基鐵粉粒徑為10μm。

2.4 添加劑對(duì)沉降性的影響

添加劑是MRF具有良好抗沉降性能的主要因素，觸變劑作為添加劑的重要組成部分起主要作用。將無(wú)觸變劑與添加觸變劑的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明無(wú)觸變劑的MRF會(huì)較早達(dá)到沉降穩(wěn)定狀態(tài)，其原因是加入觸變劑后形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻礙磁性顆粒的下沉[26]。可見添加劑中有無(wú)觸變劑，對(duì)MRF沉降性能影響較大。對(duì)采用不同觸變劑的1#、2#、3#MRF測(cè)試其電阻值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同觸變劑對(duì)MRF電阻的影響

由圖5可知，觸變劑會(huì)減弱MRF在磁場(chǎng)下的導(dǎo)電性，其原因是觸變劑包覆羰基鐵粉顆粒，顆粒間存在非金屬層，引起導(dǎo)電或?qū)Т判越档?。在同樣的磁感?yīng)強(qiáng)度下，MRF電阻值由大到小依次為1#、2#、3#，其中由二氧化硅與膨潤(rùn)土組合的觸變劑對(duì)MRF在磁場(chǎng)下的導(dǎo)電性負(fù)影響更大。

MRF的沉降性能檢測(cè)基于MRF在磁場(chǎng)下的導(dǎo)電性原理，故為減小觸變劑對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，采用對(duì)導(dǎo)電性負(fù)影響較小的硅藻土與納米氧化鋁粉末組成的觸變劑。

3 MRF力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)MRF沉降性進(jìn)行改善后，采用流變儀MCR302(奧地利安東帕)對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 MRF力學(xué)性能測(cè)試裝置

3.1 MRF零場(chǎng)粘度

由Stokes公式[27]可得，磁性顆粒在基液中沉降時(shí)受到粘性阻力為

Fn=-6πRηcv

(17)

式中：Fn為顆粒所受粘性阻力，N；ηc為載液動(dòng)力粘度，Pa·s；v為沉降速度，m/s。

由牛頓第二定律可得

(18)

(19)

因磁場(chǎng)力遠(yuǎn)大于粘性阻力，為方便計(jì)算，忽略粘性阻力。但在MRF未被磁場(chǎng)覆蓋區(qū)域，磁場(chǎng)力為零，需考慮粘性阻力，故

(20)

由式(20)可知，在零場(chǎng)下考慮粘性阻力，磁性顆粒的沉降速度與載液的動(dòng)力粘度成反比。零場(chǎng)粘度是指在無(wú)外界磁場(chǎng)作用下MRF的粘度，其反映了MRF在無(wú)外加磁場(chǎng)條件下的流動(dòng)性。對(duì)MRF的零場(chǎng)粘度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，雖然對(duì)MRF的性質(zhì)和組成進(jìn)行了改進(jìn)，零場(chǎng)粘度仍較低，與MRF-450的零場(chǎng)粘度(688.3mPa·s)接近，說(shuō)明該MRF的流動(dòng)性能良好。

3.2 MRF剪切應(yīng)力

在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，剪切速率從0.1s-1增至400s-1，測(cè)試MRF剪切應(yīng)力的變化，結(jié)果如圖8所示。

圖7 MRF零場(chǎng)粘度曲線

圖8 MRF剪切速率掃描曲線圖

由圖8可見，MRF在剪切速率小于75s-1時(shí)，剪切屈服應(yīng)力隨剪切速率增大而上升較快；剪切速率大于75s-1后，剪切屈服應(yīng)力增大幅度減小并逐漸穩(wěn)定。其在0.757T磁感應(yīng)強(qiáng)度下的穩(wěn)定數(shù)值為78.54kPa，與MRF-450在0.75T磁感應(yīng)強(qiáng)度下的穩(wěn)定數(shù)值75.99kPa[28]相近，表明其力學(xué)性能得到保留。

3.3 MRF觸變性

MR阻尼器工作時(shí)，活塞的上下運(yùn)動(dòng)對(duì)MRF起到再分散作用，為防止MRF再分散后的其它性能變差，要求MRF具有良好的觸變性。對(duì)MRF觸變性進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置流變儀參數(shù)中，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子模式按低剪切速率-高剪切速率-低剪切速率變化，對(duì)應(yīng)模式下的MRF狀態(tài)為基本狀態(tài)測(cè)試-結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程-結(jié)構(gòu)重建過(guò)程。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

由圖9可見，在不同電流激勵(lì)產(chǎn)生的不同磁場(chǎng)下，MRF在剪切速率由低到高轉(zhuǎn)變時(shí)結(jié)構(gòu)被破壞，當(dāng)剪切速率又下降到低速時(shí)，結(jié)構(gòu)重建可迅速完成，說(shuō)明該MRF具有較好的觸變性。由圖9還可看出，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，MRF的重建速度明顯變快，再分散時(shí)MRF的重建能力提高，有利于阻尼器正常工作。

圖9 MRF觸變性測(cè)試分析圖

4 MRF沉降性能測(cè)試及分析

4.1 沉降性能測(cè)試原理

磁性顆粒在磁場(chǎng)作用下于MRF中沉降時(shí)，內(nèi)部鏈狀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變化，引起MRF導(dǎo)電性能(電阻)改變，因此以MRF導(dǎo)電性能的變化反映其成鏈過(guò)程。MRF靜置時(shí)間不同，磁性顆粒沉降程度不同，通過(guò)靜置前后的成鏈響應(yīng)特性曲線對(duì)比整體電阻相應(yīng)的變化，依此判斷MRF的沉降狀態(tài)。MRF沉降檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 沉降性測(cè)試原理圖

由圖10可知，沉降檢測(cè)裝置工作原理為：電流源產(chǎn)生的電流經(jīng)無(wú)感電阻1，通入勵(lì)磁線圈后在C型導(dǎo)磁體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。該感應(yīng)磁場(chǎng)被約束在導(dǎo)磁體內(nèi)部并垂直穿出導(dǎo)磁體的一個(gè)開口端面，按先后順序分別穿過(guò)絕緣涂層1-導(dǎo)電片1-MRF-高斯計(jì)-導(dǎo)電片2-絕緣涂層2，最后從導(dǎo)磁體的另一個(gè)開口端面垂直穿入，回到導(dǎo)磁體內(nèi)部形成完整的磁回路；高斯計(jì)用于檢測(cè)C型導(dǎo)磁體開口處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，即作用到MRF的磁場(chǎng)大小，但高斯計(jì)不直接與MRF相接觸，避免影響其導(dǎo)電性能。兩導(dǎo)電金屬片間存在的電壓差由電壓源提供，其中導(dǎo)電片和電壓源之間串接一無(wú)感電阻2，用以檢測(cè)兩導(dǎo)電片間由于電阻變化而引起的電壓變化。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于比較兩無(wú)感電阻1和2及高斯計(jì)在勵(lì)磁線圈通入電流時(shí)的電壓信號(hào)變化情況。在MR阻尼器中安裝導(dǎo)電片，引出監(jiān)測(cè)導(dǎo)線接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)比通入電流前后的電壓信號(hào)變化情況，即可得到MR阻尼器內(nèi)MRF的沉降情況。

4.2 MR阻尼器沉降性測(cè)試平臺(tái)

MR阻尼器中MRF沉降性實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖11所示。測(cè)試不同勵(lì)磁電流下或阻尼器靜置不同時(shí)間后無(wú)感電阻R2兩端電壓，用來(lái)評(píng)價(jià)MRF的沉降性能。測(cè)試系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、直流電壓源、無(wú)感電阻R2、電壓緩沖器、屏蔽式I/O接線盒、AD620信號(hào)放大器、美國(guó)NI公司數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與被監(jiān)測(cè)對(duì)象及從新型阻尼器中引出的監(jiān)測(cè)導(dǎo)線組成。

圖11 MRF沉降性實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

4.3 導(dǎo)電性測(cè)試

在勵(lì)磁線圈不通電流的情況下，分別測(cè)試電路中的電壓源和無(wú)感電阻R2兩端的電壓，其結(jié)果如圖12所示。

圖12 零激勵(lì)電流下電源與電阻R2兩端電壓

由圖12可見，在0.8s內(nèi)電源端和無(wú)感電阻兩端的電壓呈逐漸上升趨勢(shì)，此為電路的響應(yīng)時(shí)間。0.8s后，電源端電壓大致穩(wěn)定在6.5V，無(wú)感電阻R2兩端的分壓穩(wěn)定在4V，本文所采用的無(wú)感電阻R2值為12MΩ，可推斷僅在磁場(chǎng)作用下的MRF電阻值約為7.5MΩ，標(biāo)記為初始電阻。在勵(lì)磁線圈不同工作電流下測(cè)試無(wú)感電阻R2兩端電壓，結(jié)果如圖13所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算相應(yīng)的MRF電阻值，結(jié)果如表3所示。

圖13 不同電流下測(cè)試曲線

由表2可知，隨著勵(lì)磁線圈工作電流增大，無(wú)感電阻R2兩端的分壓值逐步上升，說(shuō)明阻尼通道中MRF電阻逐漸變小。原因是隨著電流變大，阻尼通道中MRF微觀成鏈數(shù)量增多，鏈狀結(jié)構(gòu)變粗，導(dǎo)電性能增加，電阻變小，該結(jié)果可為沉降性能測(cè)試提供參考依據(jù)。

表3 勵(lì)磁線圈不同電流下MRF電阻測(cè)試結(jié)果

4.4 沉降性能分析

為說(shuō)明改善后MRF在沉降穩(wěn)定性上的優(yōu)勢(shì)，測(cè)試靜置不同時(shí)間后阻尼器中MRF的沉降情況。分別測(cè)試不同電流下MRF靜置1周、2周、3周、4周直到24周時(shí)無(wú)感電阻R2兩端電壓，以判斷其沉降情況，結(jié)果如圖14所示。

圖14 不同電流下R2兩端電壓隨時(shí)間的變化

由圖14可以看出，隨著MRF靜置時(shí)間延長(zhǎng)，勵(lì)磁線圈在不同工作電流下，無(wú)感電阻R2兩端的電壓均減小，說(shuō)明阻尼通道中部的MRF電阻變大，進(jìn)而說(shuō)明MRF內(nèi)部一定發(fā)生沉降。完全不通電流時(shí)，靜置24周后的電壓為3.94V，與初始狀態(tài)電壓4V對(duì)比，以電壓值變化表示沉降率，則沉降率僅為1.5%，說(shuō)明改善后MRF不易發(fā)生沉降。

為進(jìn)一步說(shuō)明改善后MRF的抗沉降性，設(shè)計(jì)其與MRF-450的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將MRF放在阻尼器中靜置24周后，測(cè)試不同電流下無(wú)感電阻R2兩端電壓，結(jié)果如圖15所示。

圖15 靜置24周后R2兩端電壓變化

由圖15可見，勵(lì)磁線圈工作電流在0.5～2A范圍內(nèi)，MRF-450的無(wú)感電阻兩端電壓均小于改善后MRF的電壓值，說(shuō)明改善后MRF的導(dǎo)電性能更優(yōu)，即其沉降穩(wěn)定性更佳。完全不通電流的情況下，改善后MRF靜置24周后的電壓為3.95V，相比傳統(tǒng)的MRF-450靜置24周后的3.3V電壓值，沉降率減小約19.7%。

5 結(jié)論

(1)基于MRF中磁性顆粒沉降原理，對(duì)MRF的沉降穩(wěn)定性進(jìn)行研究，通過(guò)其微觀結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電導(dǎo)磁性能分析，對(duì)MRF-450進(jìn)行沉降穩(wěn)定性改善。

(2)對(duì)改善后的MRF進(jìn)行性能測(cè)試，其零場(chǎng)粘度、剪切應(yīng)力和觸變性等力學(xué)性能與MRF-450相近，測(cè)得其靜置24周后僅有微弱沉降，沉降率為1.5%。

(3)對(duì)比改善后MRF和傳統(tǒng)MRF-450在普通密封環(huán)境的沉降情況，得出改善后MRF的抗沉降性能更佳，沉降率降低19.6%。