陳 郴，李雨錚，黃 惠，陳凱峰，陳淑梅

(福州大學(xué)a. 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院；b.流體動(dòng)力與電液智能控制福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350108)

磁流變液是一種能量消耗少，無環(huán)境污染的智能材料，其流變效應(yīng)使其具有毫秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間和良好的實(shí)時(shí)可控性，并能應(yīng)用于由外加磁場(chǎng)控制的器件[1-3]。其中磁流變制動(dòng)裝置是一種較為理想的動(dòng)力制動(dòng)器件,該技術(shù)為電梯曳引制動(dòng)裝置性能改善與優(yōu)化提供了新的思路。然而，磁流變液中磁性顆粒存在的摩擦磨損，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不斷增大的問題也不可忽視。磁流變液在制動(dòng)過程中引起運(yùn)動(dòng)部件的磨損直接關(guān)系到器件密封問題，且內(nèi)部磁性顆粒的自磨損決定了磁流變液的使用壽命[4]。因此，磁流變液摩擦性能成為影響磁流變液器件發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過對(duì)磁流變液組成中的分散相與添加劑以及磁流變液邊界潤(rùn)滑接觸條件進(jìn)行研究，分析磁流變液的摩擦磨損特性。

磁流變液中的分散相為磁性顆粒，作為比較堅(jiān)硬的成分對(duì)磁流變液的摩擦磨損起到重要的作用。胡志德等[5]研究不同類型羰基鐵粉的磁流變液摩擦性，通過利用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含磷化型羰基鐵粉在硅油基和礦物油磁流變液中都表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦性能。Song等[6-7]研究顆粒含量和磁場(chǎng)對(duì)磁流變液摩擦學(xué)行為的影響，發(fā)現(xiàn)在無磁場(chǎng)的作用下，顆粒含量高的磁流變液的摩擦磨損性能比顆粒含量低的差，而在磁場(chǎng)作用下則效果相反。Upadhyay[8]研究了片狀磁性顆粒磁流變液摩擦學(xué)，發(fā)現(xiàn)顆粒表面的磨損顆粒在片狀顆粒之間起潤(rùn)滑作用，減少顆粒間的摩擦。

同時(shí),在磁流變液中加入添加劑對(duì)其摩擦性也具有一定的影響。其中文獻(xiàn)[9-10]通過加入添加劑對(duì)磁流變液進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)型磁流變液在高負(fù)荷、低滑動(dòng)速度下的潤(rùn)滑效果優(yōu)于普通型，表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能。胡志德等[11-12]選擇高嶺土和納米二氧化硅作為觸變劑，制備磁流變液，發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅在磁流變液中的抗磨性能優(yōu)于高嶺土。楊健健等[13]以不同粒徑的二氧化硅作為觸變劑，制備磁流變液，發(fā)現(xiàn)含有平均粒徑為100 nm的二氧化硅粒子的磁流變液有良好的摩擦性能。還有不少學(xué)者研究磁流變液在邊界潤(rùn)滑接觸條件下的磨損特性，Sohn等[14]使用銷盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)，發(fā)現(xiàn)鋁銅銷的磨損率比鋼銷大。Zhang等[15-16]研究磁流變液在不同涂層表面的摩擦特性，結(jié)果表明，類金剛石摩擦系數(shù)大于聚四氟乙烯。

以上研究證明了分散相與添加劑及邊界潤(rùn)滑接觸條件均會(huì)對(duì)磁流變液的摩擦磨損特性產(chǎn)生影響，并在這方面取得了一定的成果。其中利用材料涂層改變邊界接觸條件與顆粒改性成本較高，改變顆粒形狀及大小會(huì)在一定程度上使磁流變液效應(yīng)減少，而添加劑種類豐富，通過選用不同的添加劑可以避免以上兩種方法出現(xiàn)的問題，并具有不同的減摩效果。

電梯制動(dòng)裝置采用磁流變液作為工作介質(zhì),需要具備以下特征：明顯的磁流變效應(yīng)、良好的物理穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性與摩擦學(xué)性能。目前，所使用的磁流變液摩擦學(xué)性能并不能良好地滿足使用條件，需要配制適用于曳引電梯制動(dòng)裝置的磁流變液，同時(shí)能在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)保持材料性能的穩(wěn)定性。通過使用添加劑能有效提高摩擦學(xué)性能，以往研究尚未在磁流變液中分別添加石墨和油脂，對(duì)其流變性能進(jìn)行對(duì)比分析，并模擬磁流變液在曳引電梯制動(dòng)裝置中的工作狀態(tài)進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)其摩擦性能進(jìn)行對(duì)比分析。因此，筆者通過選擇具有良好性價(jià)比的石墨和油脂作為添加劑，配制不同比例添加劑的磁流變液，利用四球摩擦試驗(yàn)機(jī)模擬電梯正常運(yùn)行的工況下，記錄摩擦系數(shù)變化，同時(shí)采用影像顯微鏡觀測(cè)磨斑大小，分析磁流變液的摩擦磨損特性，并對(duì)摩擦前后磁流變液的性能進(jìn)行分析，探究石墨和油脂添加劑對(duì)磁流變液的摩擦學(xué)性能的影響，以及摩擦磨損對(duì)磁流變液的流變性能的影響，為磁流變液的選用提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 磁流變液材料準(zhǔn)備

以體積分?jǐn)?shù)為35%，型號(hào)為GH-MRF-350的磁流變液作為編號(hào)1，其性能參數(shù)如表1所示，具有良好的耐磨性和使用壽命，滿足磁流變液在模擬電梯工況下的摩擦實(shí)驗(yàn)需求。在編號(hào)1為基礎(chǔ)的條件下，添加不同配比的石墨及油脂，如表2所示，利用顆粒均質(zhì)儀對(duì)其進(jìn)行攪拌混合分散，制備不同磁流變液。

表1 GH-MRF-350磁流變液的性能參數(shù)

表2 磁流變液額外添加劑成分

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

在進(jìn)行摩擦測(cè)試前，采用安東帕公司里具有磁流變模塊的MCR-302流變儀設(shè)備，如圖1(a)為MCR-302流變儀測(cè)試主機(jī)，圖1(b)為流變儀測(cè)試模塊結(jié)構(gòu)圖，對(duì)不同樣品磁流變液進(jìn)行性能測(cè)試。在溫度40 ℃，剪切速率400 s-1，磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍在0～0.8 T的條件下，測(cè)試磁流變液的剪切應(yīng)力τ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系。在溫度40 ℃，磁場(chǎng)強(qiáng)度0 T，剪切速率范圍在0～400 s-1的條件下，測(cè)試磁流變液的黏度與剪切速率之間的關(guān)系。

圖1 流變儀及其測(cè)試模塊圖Fig. 1 Rheometer and the test module diagram

其次，采用廈門天機(jī)自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的多功能四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)MS-10A)，使用直徑大小為12.7 mm，硬度為HRC58-62的GCrl5標(biāo)準(zhǔn)試球，對(duì)不同磁流變液進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)測(cè)試。如圖2所示，其中圖2(a)為天機(jī)四球摩擦試驗(yàn)機(jī)的四球摩擦模塊；圖2(b)為四球摩擦試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖，由底部3個(gè)固定試球以及夾頭上的旋轉(zhuǎn)試球組成，磁流變液填充在其間隙中，通過旋轉(zhuǎn)夾頭上的試球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2 四球摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)Fig. 2 Four ball friction and wear tester

磁流變液經(jīng)過摩擦實(shí)驗(yàn)1之后，在MCR302流變儀相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)摩擦前后的流變性能進(jìn)行對(duì)比分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁流變液摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過摩擦實(shí)驗(yàn)1測(cè)試，選取同一個(gè)位置的鋼球，采用高倍影像顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)，拍攝到各個(gè)編號(hào)的磁流變液，在100 N的作用力下摩擦后的試球磨斑直徑，如圖3所示。從圖3中試球磨斑全貌可以看出，磨痕遍布整個(gè)磨斑，密布于溝槽之間的細(xì)小顆粒即為羰基鐵顆粒。由此可知，羰基鐵粉是磁流變液摩擦過程的主要成分，主要表現(xiàn)在對(duì)摩擦表面上的磨粒磨損。摩擦的機(jī)理為犁溝效應(yīng)，當(dāng)硬金屬的粗糙峰鑲?cè)朐谲浗饘偕虾?，在滑?dòng)的過程中推擠軟金屬，使之塑性流動(dòng)并犁出一條條的溝槽。其中編號(hào)1磁流變液磨斑直徑為0.453 mm，編號(hào)2磁流變液的磨斑直徑是0.398 mm，編號(hào)3磁流變液的磨斑直徑是0.409 mm，編號(hào)4為0.433 mm?？梢钥闯觯谀Σ亮Σ淮蟮淖饔孟?，有添加額外添加劑的磁流變液磨斑直徑都相對(duì)減小，其中編號(hào)2減小了12%，編號(hào)3和編號(hào)4分別減小了9%與4%。由此可以得出，加入添加劑后對(duì)磁流變液的磨損具有改善的作用。

圖4是在載荷100 N作用下，并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)求均的磁流變液的摩擦系數(shù)及擬合曲線。由圖4(a)可以看出，4種磁流變液的摩擦系數(shù)隨著時(shí)間變化，沒有發(fā)生明顯的驟變。由此可知，模擬電梯正常運(yùn)行情況，即在施加100 N的恒定載荷實(shí)驗(yàn)下，盡管進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，磁流變液摩擦系數(shù)仍十分穩(wěn)定。如圖4(b)所示，添加了添加劑的編號(hào)2、編號(hào)3、編號(hào)4磁流變液摩擦系數(shù)，在初始階段都比編號(hào)1大，主要由于磁流變液中添加劑混合不均勻?qū)е拢S著測(cè)試的進(jìn)行，編號(hào)1磁流變液的摩擦系數(shù)不斷增大，而隨測(cè)試時(shí)間添加劑不斷混合均勻的編號(hào)2、編號(hào)3、編號(hào)4磁流變液摩擦系數(shù)呈減小趨勢(shì)。據(jù)此可得，加入添加劑的磁流變液摩擦系數(shù)得到一定程度的改善。

圖3 鋼球磨斑圖(實(shí)驗(yàn)1)Fig. 3 Wear pattern of steel ball (Experiment one)

圖4 摩擦系數(shù)和擬合曲線(實(shí)驗(yàn)1)Fig. 4 Friction coefficient and the fitting curves (Experiment one)

通過摩擦實(shí)驗(yàn)2測(cè)試，選取同一個(gè)位置的鋼球，采用高倍影像顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)，拍攝到各個(gè)編號(hào)的磁流變液，在變載荷的作用下試球的磨斑直徑，如圖5所示。通過施加不同載荷實(shí)驗(yàn)，測(cè)得各個(gè)樣品試球磨斑直徑分別為1.275，0.980，1.056，1.202 mm。對(duì)比實(shí)驗(yàn)1的測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)2在測(cè)試時(shí)間更少的情況下，試球磨斑直徑增大，可知是由于施加的載荷作用增大導(dǎo)致。在4個(gè)磁流變液試球磨斑直徑對(duì)比中，編號(hào)2磁流變液磨斑直徑相比編號(hào)1磁流變液的磨斑直徑減小了23%，編號(hào)3和編號(hào)4磁流變液磨斑直徑分別減小17%與6%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加劑能在一定程度上提高磁流變液的耐磨性，其中油脂效果最好，且添加少量石墨的編號(hào)3材料要比編號(hào)4的效果好。

圖5 鋼球磨斑圖(實(shí)驗(yàn)2)Fig. 5 Wear pattern of steel ball (Experiment two)

如圖6為實(shí)驗(yàn)2進(jìn)行多次求均的摩擦系數(shù)變化曲線以及各階段擬合曲線。按照施加載荷從200 N開始，每階段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)60 min，依次疊加100 N的載荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從圖6中可以得到，編號(hào)1磁流變液在試驗(yàn)140 min時(shí)，摩擦系數(shù)產(chǎn)生驟變進(jìn)而停止實(shí)驗(yàn)，編號(hào)3磁流變液在240 min產(chǎn)生驟變進(jìn)而停止實(shí)驗(yàn)，編號(hào)4則在230 min停止實(shí)驗(yàn)，而編號(hào)2磁流變液未出現(xiàn)突變現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁性固體顆粒和添加劑參與了磁流變材料在器件中的摩擦磨損過程，添加劑能使磁流變液具有更穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，并在一定程度上能增加磁流變液的潤(rùn)滑性。

圖6 摩擦系數(shù)曲線和擬合曲線(實(shí)驗(yàn)2)Fig. 6 Friction coefficient and the segmented fitting curves (Experiment two)

由實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)2的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在恒載荷摩擦作用下，磁流變液的摩擦系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，鋼球磨斑直徑差異較小，即說明在電梯長(zhǎng)期正常運(yùn)行工況下，磁流變液在電梯“零速抱閘”制動(dòng)時(shí)的摩擦磨損未表現(xiàn)出有明顯差異，使用添加劑的磁流變液具有相對(duì)較小的磨斑直徑，且摩擦系數(shù)呈減小趨勢(shì)，使磁流變液制動(dòng)器性能更穩(wěn)定。在變載荷摩擦作用下，磁流變液的摩擦系數(shù)隨載荷變化發(fā)生變動(dòng)，但使用添加劑的磁流變液具有更優(yōu)良的潤(rùn)滑性與耐磨性，在曳引電梯磁流變制動(dòng)器中，則能有效提高制動(dòng)器的使用壽命。其中油脂的作用效果最好，且添加0.5%石墨的編號(hào)3磁流變液相比添加1%石墨的效果要好。

2.2 磁流變液性能測(cè)試結(jié)果

圖7 不同磁流變液性能曲線Fig. 7 Performance curves of MRF with different additives

經(jīng)過摩擦實(shí)驗(yàn)1測(cè)試后，對(duì)磁流變液進(jìn)行剪切性能測(cè)試，并將測(cè)試前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。從圖8中可以看出，摩擦過后各編號(hào)的磁流變液在低磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，磁流變液剪切應(yīng)力變化較小，而在高磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，增大較為明顯。根據(jù)現(xiàn)有理論分析[18-20]，磁流變液的剪切屈服應(yīng)力與顆粒粒徑及顆粒磁化率成正相關(guān)，顆粒粒徑與磁化率越大，磁流變液的剪切屈服應(yīng)力越大，反之則會(huì)相反。當(dāng)顆粒磨損嚴(yán)重時(shí)，顆粒粒徑減小起主要作用，導(dǎo)致磁流變液剪切屈服應(yīng)力變小，當(dāng)顆粒輕微磨損時(shí)，磨損破壞顆粒表面包覆起主要作用，提高磁化率，會(huì)使磁流變液剪切屈服應(yīng)力增大。摩擦后，如圖8所示，磁流變液剪切應(yīng)力增大，表明磁流變液經(jīng)過摩擦磨損后，顆粒磨損破壞顆粒表面包覆起主要作用，提高顆粒磁化率。編號(hào)1磁流變液在0.8 T的磁場(chǎng)條件作用下，磁致剪切應(yīng)力達(dá)到了99 kPa，相比測(cè)試前增大了23%；編號(hào)2磁流變液，在磁場(chǎng)條件為0.8 T的作用下，磁致剪切應(yīng)力達(dá)到了85 kPa，相比測(cè)試前增大了36%，比測(cè)試前編號(hào)1磁流變液的磁致剪切應(yīng)力稍大；編號(hào)3和編號(hào)4的磁流變液在磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.8 T時(shí)，未進(jìn)行摩擦測(cè)試前，其磁致剪切應(yīng)力相對(duì)編號(hào)1增大明顯，而在摩擦后剪切性能相比測(cè)試前增大13%和15%，分別達(dá)到了100.9 kPa和115.2 kPa。

圖8 測(cè)試前后磁流變液剪切應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系曲線(實(shí)驗(yàn)1)Fig. 8 Shear yield stress of MRF versus magnetic before and after testing (Experiment one)

圖9 測(cè)試前后剪切速率與黏度關(guān)系曲線(實(shí)驗(yàn)1)Fig. 9 The zero-field viscosity of MRF before and after testing (Experiment one)

通過以上對(duì)磁流變液性能測(cè)試結(jié)果分析，不同的添加劑對(duì)磁流變液的流變性能的影響不同，有油脂添加劑的磁流變液磁致剪切應(yīng)力減小，零場(chǎng)黏度也減小，而有石墨添加劑的能有效增大磁流變液磁致剪切應(yīng)力，且使零場(chǎng)黏度的變化不明顯，使磁流變液的性能更滿足曳引電梯磁流變制動(dòng)裝置的需求。在摩擦實(shí)驗(yàn)進(jìn)行后發(fā)現(xiàn)，磁流變液輕微磨損破壞顆粒表面包覆起主要的作用，提高顆粒磁化率，使4種磁流變液磁致剪切應(yīng)力和零場(chǎng)黏度都有所增大，且顆粒的磨損會(huì)使顆粒的粒徑減小，對(duì)磁流變液的沉降過程有一定的緩解作用。

3 結(jié) 論

以石墨和油脂2種添加劑，共配制了4種不同的磁流變液。通過四球摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行恒載荷與變載荷摩擦試驗(yàn)測(cè)試，并利用高倍影像顯微鏡觀測(cè)試球表面磨斑，對(duì)在進(jìn)行摩擦試驗(yàn)前后的磁流變液磁致剪切應(yīng)力和零場(chǎng)黏度2種性能進(jìn)行測(cè)量對(duì)比；總體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加劑在一定程度上對(duì)磁流變液具有減摩作用，油脂的潤(rùn)滑性能比石墨的更好，但增加一定的石墨含量能有效增大磁流變液的剪切應(yīng)力。在摩擦實(shí)驗(yàn)進(jìn)行后發(fā)現(xiàn)，4種磁流變液的磁致剪切應(yīng)力和零場(chǎng)黏度都有所增大，但有油脂添加劑的磁流變液的磁致剪切應(yīng)力與零場(chǎng)黏度都比有石墨添加劑小。通過對(duì)4種磁流變液的摩擦及流變性能的對(duì)比分析后，發(fā)現(xiàn)編號(hào)3磁流變液具有更大的磁致剪切應(yīng)力、較小的零場(chǎng)黏度、良好的穩(wěn)定性，是適用于曳引電梯磁流變制動(dòng)裝置的磁流變液。