機(jī)械工程領(lǐng)域磁流變技術(shù)的應(yīng)用研究與討論

劉睿

【摘 要】針對磁流變液材料的特性，本文介紹了磁流變技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，磁流變技術(shù)應(yīng)用到的磁流變液材料可以在外部磁場的作用下，使材料產(chǎn)生流變特性的變化，材料可以在強(qiáng)磁作用下瞬間從液體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w形態(tài)，磁流變液材料具有非常強(qiáng)的屈服性。分析應(yīng)用過程中存在的問題，希望可以促進(jìn)磁流變技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域中的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械工程；磁流變技術(shù)；磁流變液；流變特性

磁流變技術(shù)中的磁流變液材料是一種智能材料，可以在液體和半固體狀態(tài)之間自由轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變時(shí)間達(dá)到毫秒的級別，力學(xué)性能極強(qiáng)。這種可變性和控制簡單的特點(diǎn)使磁流變技術(shù)成為了機(jī)械系統(tǒng)的中間裝置，在機(jī)械工程領(lǐng)域中有非常高的應(yīng)用價(jià)值。磁流變技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械工程領(lǐng)域中可以讓機(jī)械設(shè)備的反應(yīng)效率提高，并且很大程度上降低了機(jī)械裝置傳動能耗。分析磁流變液材料的特性，對磁流變技術(shù)在機(jī)械工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行闡述，希望可以促進(jìn)該技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域中的發(fā)展。

1 磁流變技術(shù)簡介

1.1 磁流變效應(yīng)

磁流變流體在未經(jīng)磁場干擾時(shí)，是以一種液體形式存在的，在磁場的作用下，磁流變材料的性質(zhì)發(fā)生改變，逐漸從液態(tài)向半固態(tài)轉(zhuǎn)變，當(dāng)磁場消除，該材料又會轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，這種轉(zhuǎn)變也稱之為磁流變效應(yīng)。磁流變材料的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是可逆的，并且轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短，達(dá)到了毫秒。

1.2 磁流變液組成和特性

磁流變流體中具有磁化顆粒、粘性基液和穩(wěn)定劑，磁化顆粒主要是鐵粉，粘性基液的粘度比較低，硅油或者合成油都可以作為粘性基液，穩(wěn)定劑可以避免磁化顆粒全部聚集在一起，使顆粒懸浮在粘性基液中，在磁流變效應(yīng)發(fā)生時(shí)，穩(wěn)定劑可以起到潤滑的作用。

磁流變液具有可逆性、連續(xù)性、可控性和剪切屈服強(qiáng)度比較大的特性，可逆性是指磁流變液在轉(zhuǎn)變到半固態(tài)之后還可以轉(zhuǎn)變回原來的液態(tài)，實(shí)現(xiàn)了在兩種狀態(tài)之間互相轉(zhuǎn)化，是一種應(yīng)用價(jià)值非常高的智能材料；連續(xù)性是指磁流變液在磁場作用下的狀態(tài)變化是不存在中斷的；磁流變液在磁場作用下剪切屈服強(qiáng)度最高可以達(dá)到50kPa；可控性與外部磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)，所以可以通過控制磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對磁流變液材料的控制，磁感應(yīng)強(qiáng)度的控制可以通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，所以該材料的可控性非常高。

2 磁流變裝置的工作模式

磁流變裝置主要有三種工作模式，分別是流動模式、剪切模式和擠壓模式。

2.1 流動模式

流動模式是指裝置的上下磁極板是固定不動的，磁流變液體會在壓力的作用下，在兩個(gè)極板之間流動，壓力等于磁場引起的屈服應(yīng)力與磁流變材料基液粘性分量的和。

當(dāng)磁流變液裝置的上下磁極處于相對靜止的狀態(tài)時(shí)，磁流變液會在磁場的壓差下在極板剩余的空隙中流動，因?yàn)榇帕髯円后w被限制在上下極板之間，這時(shí)可以通過磁場強(qiáng)度來控制磁流變液的流動速度，該模式就叫做流動模式。應(yīng)用到流動模式的例如流量閥、制動器、減震器等等。

2.2 剪切模式

剪切模式是指磁流變裝置的兩個(gè)極板以某一固定的速度進(jìn)行平行移動，外部磁場是以垂直的方向施加在極板上，這就導(dǎo)致了裝置的剪切變形，出現(xiàn)了剪切阻力，這時(shí)裝置的阻力就等于磁場屈服力與原本基液粘性分量的和。在剪切模式下，磁流變液的狀態(tài)會根據(jù)外部磁場的強(qiáng)度而改變。應(yīng)用到剪切模式的裝置主要有離合器、閉鎖裝置以及其它的復(fù)合構(gòu)件等等。

2.3 擠壓模式

擠壓模式中，外部磁場是在磁流變裝置的垂直方向施加的，這時(shí)磁流變裝置的極板會進(jìn)行上下的相對運(yùn)動，在運(yùn)動的過程中，磁流變液處于擠壓的狀態(tài)。磁流變裝置的變形會根據(jù)外部磁應(yīng)力的大小而改變。擠壓模式下磁流變裝置產(chǎn)生的變形非常小，但是變形阻力卻非常的大。應(yīng)用到擠壓模式的裝置主要有振幅比較小的阻尼器、止推軸承等等。

3 機(jī)械工程領(lǐng)域中磁流變技術(shù)的應(yīng)用

3.1 精密機(jī)械拋光中磁流變技術(shù)的應(yīng)用

應(yīng)用磁流變技術(shù)進(jìn)行精密機(jī)械的拋光，是將被拋光的機(jī)械部件安裝在移動拋光壁上某一固定高度上，將磁流變拋光裝置與機(jī)械部件保持一定的距離，當(dāng)磁流變拋光裝置接通磁場時(shí)，磁流變拋光裝置就會向著機(jī)械部件的位置移動，隨著外部磁場的加大，拋光裝置與機(jī)械部件的距離越來越小，這是兩者間隙之間會產(chǎn)生巨大的剪切應(yīng)力，形成拋光區(qū)，磁流變拋光裝置就會去除掉機(jī)械部件在拋光區(qū)中的部分。通過計(jì)算機(jī)來控制機(jī)械部件的移動，并精確的計(jì)算部件每個(gè)位置在拋光區(qū)中停留的時(shí)間，有效的對復(fù)雜機(jī)械部件進(jìn)行精密拋光。

3.2 在機(jī)械密封中應(yīng)用磁流變技術(shù)

磁流變密封與傳統(tǒng)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)基本一致，但是磁流變密封結(jié)構(gòu)的密封性能比較好，并且不會對密封部件產(chǎn)生磨損。它主要是通過磁場對密封裝置中的密封間隙進(jìn)行控制，使部件達(dá)到很好的密封效果。磁流變密封圈會隨著磁場強(qiáng)度的加大，剪切作用也逐漸加大，磁流變密封機(jī)械在低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)中工作效率比較高。

3.3 在機(jī)械傳動中應(yīng)用磁流變技術(shù)

應(yīng)用磁流變技術(shù)的機(jī)械傳動是根據(jù)磁流變液的流變效應(yīng)進(jìn)行的，主要以磁流變液作為傳動介質(zhì)，通過外部磁場強(qiáng)度的變化，控制磁流變液的轉(zhuǎn)化，使傳動的力量產(chǎn)生改變。應(yīng)用磁流變液的機(jī)械傳動裝置，可以在很短的時(shí)間內(nèi)做出精確的傳動反應(yīng)，避免對傳動部件造成較大的磨損，可以對傳動部件的扭矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高傳動裝置的傳動效率。

3.4 磁流變技術(shù)在減震器上的應(yīng)用

具有磁流變技術(shù)的阻尼器可以應(yīng)用到減震系統(tǒng)的控制當(dāng)中，磁流變阻尼器減震器可以實(shí)現(xiàn)減震的主動控制，可以重量限制較高，空間限制比較嚴(yán)格的機(jī)械進(jìn)行減震，磁流變阻尼器的減震系統(tǒng)可控性非常強(qiáng)，可以對減震裝置進(jìn)行無極調(diào)節(jié)，例如車用減震器和車輛座椅減震器，這種減震器可以使車輛的振幅減少一半，具有良好的減震效果，將該類減震器安裝在車輛上，很大程度上提高了車輛的可操縱性和舒適性。

3.5 柔性夾具中磁流變技術(shù)的應(yīng)用

柔性夾具中應(yīng)用磁流變技術(shù)，可以使磁流變技術(shù)的流變特性最大限度的發(fā)揮出來，在對高精度機(jī)械部件進(jìn)行加工時(shí)，磁流變?nèi)嵝詩A具可以對各種不規(guī)則形狀的部件進(jìn)行夾持。磁流變?nèi)嵝詩A具可以讓原本的夾具結(jié)構(gòu)從微觀上進(jìn)行改變，使原本單一的壓力夾具延伸出了更具效果的磁流變夾具。通過外部高強(qiáng)度磁場對磁流變夾具內(nèi)部的影響，使夾具的柔性夾緊能力的到了很大的提升，而且計(jì)算機(jī)可以對外部磁場進(jìn)行控制，使夾具的夾緊程度存在差異，不會導(dǎo)致部件的損壞。

4 結(jié)論

磁流變技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域中有著非常良好的應(yīng)用前景，目前我國很多磁流變裝置還沒有設(shè)定精確的運(yùn)算模型，所以還不能實(shí)現(xiàn)磁流變技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，為了加快磁流變技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的發(fā)展，一定要加強(qiáng)對磁流變液的研究，保證磁流變液的穩(wěn)定性，控制磁流變液的基液粘度，使磁流變液的反應(yīng)速度得到提升。避免磁流變技術(shù)的發(fā)展受到磁流變液性能的限制。

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[責(zé)任編輯：王楠]