磁流体在轴承中的应用研究
2023-05-22熊乐，胡瑞，等
磁流体是一种新兴的纳米流体润滑材料，是由表面活性剂、基载液和纳米磁性颗粒混合而成的胶状悬浮液体，纳米磁性颗粒通常采用铁氧体(Fe3O4)颗粒，所以磁流体普遍为铁磁流体。磁流体作为一种新型材料，具有超强的顺磁性，可被磁场稳定控制，而且磁场梯度作用下的磁流体在轴承摩擦副中具有减摩抗磨作用，可以改善轴承的性能。
磁流体以其良好的减摩、耐磨及抗压性能在轴承润滑领域得到广泛关注，包括轴承减振，提高轴承承载性能以及减小轴承摩擦磨损等。目前研究较多的是油润滑方式的滑动轴承。如对于轴承转子的振动问题，文献[1]提出了一种以磁流体为润滑液的油膜阻尼可控的浮动环轴承，该轴承利用磁流体在外部磁场作用下油膜黏度的可控性，实现对轴承刚度和阻尼的控制，从而抑制转子振幅。文献[2]将磁流体应用于静压轴承，该轴承主要通过外部磁场对磁流体润滑剂施加外力。从而产生局部流动阻力和压力。为了检测磁流体轴承的承载和减磨性能，文献[3]将磁流体直接置于环形磁铁表面，形成圆环油膜，进行玻璃与磁环对压试验，结果表明，磁流体提供的液化气体支承将两接触面隔开，从而减小摩擦磨损。该试验模型只是对压测试，没有加入旋转，检测磁流体承载能力具有可行性，但对于检测减磨性能缺乏说服力。
为防止漏油，形成高强度的油膜，滚动轴承大多采用脂润滑方式；但相较于油润滑方式，润滑脂摩擦力矩较大，不适用于高速工况，此外，其降温效果差，容易导致轴承过热。在安装有良好供油装置的情况下，采用油润滑的滚动轴承虽可克服上述难点，但操作和维护方面不如脂润滑方便，增加了成本。而磁流体可以克服润滑脂和润滑油的难点，互补两者优势，既不甩油又能调节油黏度，适用于不同工况下的滚动轴承。
在高速下，推力球轴承沟道经常出现乏油的状况，甚至形成干摩擦。文献[4]将磁流体应用于推力球轴承定点润滑进行摩擦试验，沟道内磨损表面和三维轮廓如图1所示，由图可知：在干摩擦情况下，沟道内出现了严重的塑性变形、剥落和黏附现象，体现了点接触干摩擦的磨损机理；随着常规润滑油的加入，沟道内磨损情况明显改善；在无磁场作用的磁流体润滑情况下，相较于常规润滑油磨损大幅加剧，甚至接近干摩擦情况；但随着磁场的添加，沟道磨损大大减少，明显低于常规润滑油的磨损情况，其三维形貌和没有进行试验的套圈沟道非常接近，平整光滑。该研究结果不仅证实了磁场作用下磁流体具有减缓甩油且减磨效果极佳的特点，还拓宽了磁流体轴承润滑的应用研究范围。
磁流体润滑理论丰富，目前研究侧重于运用磁流体动力学基本方程以及磁流体黏度方程，研究中结合了多孔结构润滑效应，但对磁流体孔-液挤压薄膜润滑效应认识尚不完全清楚，亟需突破；磁流体油膜特性取决于其磁场作用下的黏度可控性，研究中考虑到了磁流体应力耦合效应、孔隙率以及工况参数等影响因素，普遍是以面接触为润滑模型，需拓展对点/线接触下磁流体润滑机理的研究才能完善磁流体润滑理论，从而逐步推进其在轴承上的应用研究。
（节选自《轴承》2020年7期）
参考文献：
[1] WANG X,LI H, MENG G. Rotordynamic coefficients ofa controllable magnetorheological fluid lubricated floating ring bearing[J]. Tribology International ,2017,114:1-14.
[2] LAMPAERTSG E,VAN OSTAYEN R A J. Experimental results on a hydrostatic bearing lubricated with amagnetorheological fluid [J]. Current Applied Physics,2019,19(12):1441 - 1448.
[3] HU Z, WANG Z, HUANG W,et al. Supporting and friction properties of magnetic fluids bearings[J]. Tribology International ,2019,130:334 -338.
[4] XU M,DAI Q, HUANG W ,et al. Using magnetic fluids to improve the behavior of ball bearings under starved lubrication [J]. Tribology International, 2020, 141:105950.
（来源：轴承杂志社）
