基于Fluent的盤式磁流變液制動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)*

陳慶慶 劉新華

（中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

磁流變液（Magnetorheological Fluids，MRF）是一種新型磁功能材料，主要由軟磁性顆粒、基載液以及為了防止顆粒沉降而包覆在顆粒表面的添加劑組成。它在無外加磁場(chǎng)時(shí)，表現(xiàn)為流動(dòng)良好的牛頓流體，但在外加磁場(chǎng)作用下，流體的流變特性發(fā)生巨大變化，其表觀粘度可在10 ms內(nèi)增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并呈現(xiàn)類似固體的力學(xué)性質(zhì)，且粘度變化是連續(xù)可逆的，即一旦去掉磁場(chǎng)后，又變成可以流動(dòng)的液體。磁流變效應(yīng)連續(xù)、可逆、迅速和易于控制的特點(diǎn)使得磁流變液傳動(dòng)系統(tǒng)在航空、航天、汽車工業(yè)、液壓傳動(dòng)、生物技術(shù)、醫(yī)療等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景［1－3］。

磁流變液制動(dòng)裝置引入磁流變液作為工作介質(zhì)，利用磁流變液的屈服剪切應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。在工作的過程中，磁流變液內(nèi)摩擦、勵(lì)磁線圈通電后的發(fā)熱、電渦流發(fā)熱、軸承和密封處的摩擦發(fā)熱導(dǎo)致磁流變液的溫度升高，從而致使其粘度降低、基礎(chǔ)液蒸發(fā)、磁性顆粒沉淀等一系列問題，進(jìn)而造成磁流變液完全失效［4－5］。楊仕清等［6］的研究表明，磁流變液的表觀粘度隨溫度升高呈現(xiàn)出非線性下降趨勢(shì);張紅輝［7］對(duì)磁流變液阻尼器進(jìn)行溫度試驗(yàn)表明阻尼力隨著溫度升高有一定程度的下降。

制動(dòng)過程引起的熱量若不能及時(shí)散去，將對(duì)磁流變液制動(dòng)裝置的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。本文主要針對(duì)磁流變液制動(dòng)器的散熱問題，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并給出優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，在保證制動(dòng)力的同時(shí)，解決其散熱問題。

1 盤式磁流變液制動(dòng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 工作原理

磁流變液制動(dòng)器工作原理如圖1所示［8］，在無需制動(dòng)的情況下，無外加磁場(chǎng)，磁流變液表現(xiàn)為流動(dòng)良好的牛頓流體;當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，加入磁場(chǎng)作用，磁流變液中的磁性粒子沿著磁力線方向成鏈狀分布，這種鏈狀結(jié)構(gòu)使得磁流變液的屈服剪切應(yīng)力顯著增大，從而產(chǎn)生制動(dòng)力矩。

1.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由于溫升會(huì)對(duì)磁流變液性能造成很大的影響，必須對(duì)此加以控制。Dogruoz M B等［9］通過在磁流變阻尼器外殼上加工肋片來提高阻尼器的散熱性能，達(dá)到了一定的效果。鄭軍等［10］利用整體針翅回轉(zhuǎn)熱管有效地對(duì)傳動(dòng)裝置進(jìn)行散熱，且散熱能力隨轉(zhuǎn)速的提高而增大，為解決傳動(dòng)裝置的發(fā)熱問題提供了一種手段。但是上述方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較大，因此鑒于頻繁制動(dòng)間隙磁流變液表現(xiàn)為流動(dòng)良好的牛頓流體，本文對(duì)該裝置做了如下改進(jìn)，在制動(dòng)盤上開兩個(gè)對(duì)稱的圓孔，可使磁流變液間隙與外界互通（圖2），從磁流變液入口處以一定的速度或壓力輸入磁流變液，循環(huán)流動(dòng)以便使磁流變液在外界冷卻，從而保持間隙內(nèi)磁流變液的溫度穩(wěn)定，使其處于最佳工作狀態(tài)。

1.3 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

磁流變液制動(dòng)器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是根據(jù)制動(dòng)要求確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，其中制動(dòng)要求包括制動(dòng)力矩T、主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速ω;結(jié)構(gòu)參數(shù)包括制動(dòng)盤半徑R1、開孔半徑R2、開孔位置d、工作間隙h;工作參數(shù)主要是指磁流變液入口速度v。詳細(xì)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

相關(guān)研究表明，磁流變液制動(dòng)器的工作間隙h在1～2 mm之間最佳［11］，太小的工作間隙使加工難度增加，且磁流變液在工作間隙中的流動(dòng)性不好;較大的工作間隙雖然能使磁流變液的流動(dòng)性能提高，但工作間隙過大會(huì)造成間隙處磁阻增加，制動(dòng)力矩下降，因此選取工作間隙h為2 mm。

制動(dòng)盤半徑R1可以通過制動(dòng)力矩T和主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速ω進(jìn)行計(jì)算。在外加磁場(chǎng)作用下，可以將磁流變液看作Bingham流體，其整盤式的制動(dòng)力矩T0計(jì)算公式［12］為

式中:τB為磁流變液的屈服剪切應(yīng)力;η為磁流變液的粘度。

由于在制動(dòng)盤上開孔，因此制動(dòng)力矩有一定的損失，可取制動(dòng)力矩T≈0.98T0進(jìn)行計(jì)算。

開孔半徑R2、開孔位置d、入口速度v的選擇原則滿足表1。

表1 制動(dòng)器基本參數(shù)條件表

結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算完畢后，利用 Fluent前置軟件GAMBIT建立分析模型，并劃分網(wǎng)格;然后基于Fluent進(jìn)行模擬，選定高精度、非穩(wěn)態(tài)、SIMPLEC算法等模擬條件參數(shù)后，通過改變?nèi)肟谒俣全@得模擬結(jié)果，從中得到最優(yōu)工作參數(shù)。

2 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文方法的可行性和有效性，下面通過1個(gè)具體實(shí)例來說明磁流變液制動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。

本例制動(dòng)要求為:制動(dòng)力矩T=12 N·m，主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速ω=150 r/min。工作介質(zhì)為硅油基四氧化三鐵磁流變液，其粘度η=0.33 Pa·s，磁流變液屈服剪切應(yīng)力 τB=50 kPa。

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算與模型建立

根據(jù)公式（1）計(jì)算出制動(dòng)盤半徑R1=50 mm，對(duì)稱開孔半徑R2=5 mm，制動(dòng)盤與開孔中心距為d=35 mm。

利用 Fluent前置軟件GAMBIT建立分析模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4所示。

2.2 基于Fluent的模擬優(yōu)化

（1）模擬條件設(shè)定

為了提高模擬精度，選擇三維雙精度求解器以及非穩(wěn)態(tài)模型，非定常公式選取二階隱式，操作壓力選取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，壓力速度耦合方式采取SIMPLEC算法。

（2）模擬計(jì)算與分析

設(shè)置不同的入口速度，模擬結(jié)果如圖5所示。

模擬結(jié)果表明:入口速度小于0.3 m/s時(shí)，渦流現(xiàn)象比較明顯;速度太大時(shí)，渦流現(xiàn)象雖然有所改善，但是較大的入口速度對(duì)設(shè)備要求較高，并且能量損失也很大。因此，選取入口速度為0.3 m/s，渦流現(xiàn)象最不明顯，能量損失達(dá)到最小。

3 結(jié)語

針對(duì)磁流變液制動(dòng)器的散熱問題，本文對(duì)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使磁流變液在制動(dòng)間隙時(shí)采用循環(huán)流動(dòng)模式，及時(shí)地將制動(dòng)過程產(chǎn)生的熱量帶走，有效地解決了制動(dòng)裝置的散熱問題;提出了制動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，為解決磁流變液制動(dòng)裝置散熱問題提供了新的途徑;并利用Fluent進(jìn)行流場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)入口速度對(duì)能量損失影響較大。

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