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重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 磁流變液動(dòng)壓軸承設(shè)計(jì)
目錄
摘 要 I
Abstract II
1 磁流變液動(dòng)壓軸承介紹 1
1.1 磁流變液的介紹 1
1.1.1 磁流變液定義 1
1.1.2 磁流變液的制備 1
1.1.3磁流變液應(yīng)用范圍 2
1.1.4 磁流變液應(yīng)滿足的指標(biāo)： 3
1.1.5 磁流變液發(fā)展其前景 3
1.2 滑動(dòng)軸承簡(jiǎn)介 4
1.3 磁流變液動(dòng)壓軸承 5
2 方案設(shè)計(jì)以及選取 5
2.1 滑動(dòng)軸承的分類 5
2.2 滑動(dòng)軸承的選取 7
2.3 電磁場(chǎng)的添加 9
2.4 密封方式選擇 11
2.5 軸承座選取以及建模 12
2.5.1 軸承座上端 13
2.5.2 軸承座下端 14
2.5.3 軸瓦 14
2.5.4 軸承裝配圖 15
3.1 滑動(dòng)軸承的處電磁引入 16
3.2 磁流變液的添加 17
3.3 磁流變液動(dòng)壓軸承原理 19
3.3.1 磁流變液添加以及電線接入 19
3.3.2 磁流變液裝載位置 19
3.3.3 磁流變液的密封 20
4 主要尺寸以及主要計(jì)算 21
4.1 軸承座的具體尺寸 21
4.1.1 軸承座上端 21
4.1.2 軸承座下端 22
4.1.3 軸瓦 24
4.2 滑動(dòng)軸承所涉及的主要計(jì)算 24
4.2.1 電磁場(chǎng)的計(jì)算 24
4.2.2 磁流變液粘度的計(jì)算 25
4.2.3 磁流變液油膜承載能力計(jì)算 25
5 SolidWorks仿真分析 26
5.1 爆炸視圖 26
5.2 仿真運(yùn)動(dòng) 28
6 總結(jié) 30
致謝 31
參考文獻(xiàn) 32
文獻(xiàn)綜述 33
摘 要
磁流變液是可磁極化的固體微顆粒在基液中形成的懸浮液，其流變特性可由外加磁場(chǎng)連續(xù)控制。當(dāng)不加磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液表現(xiàn)出類似牛頓流體的行為；當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液中的磁性顆粒沿磁場(chǎng)方向排成鏈狀，這些鏈狀結(jié)構(gòu)阻止了液體的流動(dòng)，因而改變了磁流變液的流變特性，其流動(dòng)表現(xiàn)出Bingham塑性體行為，具有粘性和塑性特性。
隨著磁流變液在機(jī)械應(yīng)用中的不斷發(fā)展，越來越多的將磁流變液運(yùn)用于各種機(jī)械器件中。磁流變液在外加磁場(chǎng)增強(qiáng)的過程中，液體的粘度隨之增大并最終失去流動(dòng)性變?yōu)楣虘B(tài)，此過程耗能小、可逆、能產(chǎn)生較大屈服應(yīng)力且在豪秒級(jí)內(nèi)完成。利用此一系列性能，在充分考慮磁場(chǎng)、溫度、顆粒尺寸、壁面效應(yīng)和體積濃度等諸因素對(duì)應(yīng)用器件影響的基礎(chǔ)上，可開發(fā)各種磁流變阻尼器件。由于磁流變液相變的過程在毫秒量級(jí)內(nèi)完成，因此可以做成敏捷度極高的控制元件，用于聯(lián)接和傳遞兩部件之間的力或力矩。如汽車用離合器、制動(dòng)器等。磁流變液動(dòng)壓軸承也是基于這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。
關(guān)鍵詞：磁流變液 動(dòng)壓軸承 設(shè)計(jì)
Abstract
Magnetorheological fluid is a magnetic pole of the solid particles in suspension, formed in the base of its rheological properties can be made of continuous control plus a magnetic field. When without magnetic field, the magnetic rheological fluid showed similar behavior of Newtonian fluid; When applied magnetic field, the magnetic particles of magnetorheological fluid along the magnetic field direction in chain, the chain structure to prevent the flow of the liquid, and thus change the rheological properties of MRF, the flow show the Bingham plastic body behavior, viscous and plastic characteristics.
As the MRF in mechanical applications development, more and more application of MRF to various kinds of mechanical device. Magnetorheological fluid in the process of plus enhanced magnetic field, the liquid viscosity increase and eventually lose liquid into a solid, the process energy consumption of small, reversible, can produce a large yield stress and in house finish in second grade. Using this series of performance, in full consideration magnetic field, temperature, particle size, surface effect and volume concentration, etc. Various factors influence, on the basis of the application components can develop all kinds of magnetorheological damping devices. Due to magnetic rheological liquid phase change is accomplished within millisecond level, so you can make it high agility control element, is used to join and transfer force or moment between the two parts. Such as automotive clutch, brake, etc. Magnetorheological fluid dynamic pressure bearing is designed based on this principle.
Keywords: magnetorheological fluid dynamic pressure bearing design
II
1 磁流變液動(dòng)壓軸承介紹
1.1 磁流變液的介紹
1.1.1 磁流變液定義
磁流變液（Magnetorheological Fluid , 簡(jiǎn)稱MR流體）屬可控流體，是智能材料中研究較為多的一種材料。磁流變液一般由鐵磁性易磁化顆粒、母液油和穩(wěn)定劑三種物質(zhì)構(gòu)成。磁流變液是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體。這種懸浮體在零磁場(chǎng)條件下呈現(xiàn)出低粘度的牛頓流體特性；而在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，則呈現(xiàn)出高粘度、低流動(dòng)性的Binghan體特性。由于磁流變液在磁場(chǎng)作用下的流變是瞬間的、可逆的、而且其流變后的剪切屈服強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此是一種用途廣泛、性能優(yōu)良的智能材料。
1.1.2 磁流變液的制備
磁流變液一般由鐵磁性易磁化顆粒、母液油和穩(wěn)定劑三種物質(zhì)構(gòu)成。鐵磁性（軟磁性）固體顆粒有球狀、棒狀和紡錘狀三種形態(tài)，密度為7～8g/cm3，其中球形顆粒的直徑在0.1～500μm 范圍內(nèi)。目前可用作磁流變液的鐵磁性固體顆粒是具有較高磁化飽和強(qiáng)度的羰基鐵粉、純鐵粉或鐵合金 。由于羰基鐵粉飽和磁化強(qiáng)度為2.15特斯拉，且物性較軟、具有可壓縮性、材料成本低、購(gòu)買方便，已成為最常用的材料之一。磁流變液的母液油（分散劑）一般是非導(dǎo)磁且性能良好的油，如礦物油、硅油、合成油等,它們須具有較低的零場(chǎng)粘度、較大范圍的溫度穩(wěn)定性、不污染環(huán)境等特性 。穩(wěn)定劑用來減緩或防止磁性顆粒沉降的產(chǎn)生。因?yàn)榇判灶w粒的比重較大，容易沉淀或離心分離，加入少量的穩(wěn)定劑是必須的。磁流變液的穩(wěn)定性主要受兩種因素的影響：一是粒子的聚集結(jié)塊，即粒子相互聚集形成很大的團(tuán)；二是粒子本身的沉降，即磁性粒子隨時(shí)間的沉淀。這兩種因素都可以通過添加劑或表面活性劑來減緩。由超精細(xì)石英粉形成的硅膠是一種典型的穩(wěn)定劑，這種粒子具有很大的表面積，每個(gè)粒子具有多孔疏松結(jié)構(gòu)可以吸附大量的潮氣，磁性顆粒可由這些結(jié)構(gòu)支撐均勻地分布在母液中。另一方面，表面活性劑可以形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)吸附在磁性顆粒的周圍以減緩粒子的沉降。穩(wěn)定劑必須有特殊的分子結(jié)構(gòu)，一端有一個(gè)對(duì)磁性顆粒界面產(chǎn)生高度親和力的釘扎功能團(tuán)，另一端還需一個(gè)極易分散于某種基液中去的適當(dāng)長(zhǎng)度的彈性基團(tuán)。將這三種物質(zhì)按一定的比例混合均勻，即可形成磁流變液。
目前國(guó)際上關(guān)于磁流變液材料制備方法和工藝的報(bào)道比較多。中國(guó)科技大學(xué)磁流變研究組陳祖耀、江萬權(quán)等人用Y-輻射技術(shù)產(chǎn)生直徑在２００nm～５μm 的Co粒子，并將鐵顆粒表面復(fù)合此納米尺寸的Co粒子，形成鐵復(fù)合物為懸浮粒子制備的磁流變液。在中國(guó)科技大學(xué)的旋轉(zhuǎn)式磁流變液測(cè)試系統(tǒng)上測(cè)試，結(jié)果表明剪切屈服應(yīng)力顯著增大；用直徑為２.５μm～８μm羰基鐵粉分散于硅油中，并用偶聯(lián)劑預(yù)先處理，改善液態(tài)相和固態(tài)相的相容性，可有效防止粒子沉淀，該磁流變液效應(yīng)顯著，且具有較大的溫度穩(wěn)定性。2002年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)磁流變研究組成功地篩選制備了KDC—1磁流變液，該樣品實(shí)驗(yàn)室工藝穩(wěn)定，有較大的剪切屈服強(qiáng)度和沉降穩(wěn)定性，其主要力學(xué)性能指標(biāo)與美國(guó)Lord公司產(chǎn)品接近?，F(xiàn)已完成對(duì)3家友鄰研究單位KDC—1 MRF小批量實(shí)驗(yàn)室規(guī)模供給，反映良好。
1.1.3磁流變液應(yīng)用范圍
磁流變液在外加磁場(chǎng)增強(qiáng)的過程中，液體的粘度隨之增大并最終失去流動(dòng)性變?yōu)楣虘B(tài)，此過程耗能小、可逆、能產(chǎn)生較大屈服應(yīng)力且在豪秒級(jí)內(nèi)完成。利用此一系列性能，在充分考慮磁場(chǎng)、溫度、顆粒尺寸、壁面效應(yīng)和體積濃度等諸因素對(duì)應(yīng)用器件影響的基礎(chǔ)上，可以設(shè)計(jì)開發(fā)各種磁流變阻尼器件，主要有以下幾類：
①阻尼元件 此類裝置是磁流變液的最典型應(yīng)用，由于能產(chǎn)生強(qiáng)大的阻尼力，且阻尼器可根據(jù)外部的振動(dòng)不同自行調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，來改變振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼和剛度，達(dá)到主動(dòng)減振的目的。根據(jù)阻尼器尺寸和使用環(huán)境不同，可以研制出機(jī)械上用各類阻尼器和阻尼力可高達(dá)20噸力的建筑物減振器。
②控制元件 由于磁流變液相變的過程在毫秒量級(jí)內(nèi)完成，因此可以做成敏捷度極高的控制元件，用于聯(lián)接和傳遞兩部件之間的力或力矩。如汽車用離合器、制動(dòng)器等。
③研磨和密封 在光學(xué)鏡頭的加工中，加工精度是制約鏡頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素和技術(shù)，因此提高加工精度對(duì)鏡頭的最后形成和微表面粗糙度有著非常重要的意義。采用磁流變液進(jìn)行精加工，試件被固定在移動(dòng)壁的某一位置，在工作表面和移動(dòng)面之間的間隙內(nèi)盛放磁流變液，線圈置于移動(dòng)壁下方。在間隙處產(chǎn)生可控磁場(chǎng)，磁流變液隨外加磁場(chǎng)的增強(qiáng)而固化，并隨移動(dòng)壁獲得速度，此間隙處被稱為拋光點(diǎn)，其過程由計(jì)算機(jī)精確控制，可完成復(fù)雜表面形狀拋光和高表面光潔度。
1.1.4 磁流變液應(yīng)滿足的指標(biāo)：
① 零磁場(chǎng)粘度低，以便使其在磁場(chǎng)作用下，具有同等剪切屈服強(qiáng)度增長(zhǎng)時(shí)，具有更大的可調(diào)范圍；
② 強(qiáng)磁場(chǎng)下剪切屈服強(qiáng)度高，至少應(yīng)達(dá)到20～30Kpa，這是衡量磁流變液特性的主要指標(biāo)之一；
③ 雜質(zhì)干擾小，以增加其使用范圍；
④ 溫度使用范圍寬，即在相當(dāng)寬的溫度范圍具有極高的穩(wěn)定性；
⑤ 響應(yīng)速度快，最好能達(dá)到毫秒級(jí)，以使磁流變液減振器作為主動(dòng)和半主動(dòng)控制器時(shí)，基本不存在時(shí)遲問題；
⑥ 抗沉降性好，長(zhǎng)時(shí)間存放應(yīng)基本不分層；
⑦ 能耗低，在較弱的磁場(chǎng)下可產(chǎn)生較大的剪切屈服強(qiáng)度；
⑧ 無毒、不揮發(fā)、無異味，這是由其應(yīng)用領(lǐng)域所決定的；
⑨磁流變液應(yīng)該是廉價(jià)的而不是稀有的。
1.1.5 磁流變液發(fā)展其前景
由于磁流變液優(yōu)良的物理特性、流變特性,近幾年來,應(yīng)用研究較晚的磁流變液有較強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭,在Lord公司率先提供的幾種商業(yè)化電磁流變液器件中,幾乎都是磁流變液應(yīng)用器件。磁流變液應(yīng)用于阻尼元件由于磁流變液能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的阻尼力,而且磁流變液阻尼器可以根據(jù)外部的振動(dòng)環(huán)境不同調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度,很容易改變減振系統(tǒng)的阻尼和剛度,可達(dá)到主動(dòng)減振的目的,因而阻尼器件是磁流變液的最大應(yīng)用領(lǐng)域。磁流變液可用于許多新型汽車零部件,較典型的有可控阻尼的懸架減振器,可提高汽車的安全性和舒適性。Lord公司在1995年的第五屆國(guó)際電流變液、磁流變液及相關(guān)技術(shù)研討會(huì)上展示了一種應(yīng)用磁流變液技術(shù)的卡車座位減振器,減振器全長(zhǎng)為15cm,在磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)有效的流體量?jī)H為013mL,電力功耗為15W。這種磁流變液減振器可以直接代替普通減振器,使卡車座位的振幅減小20%～50%,大大減小了卡車司機(jī)在崎嶇道路上駕車的危險(xiǎn)性。在土木工程中可利用磁流變阻尼器來減輕地震響應(yīng)或結(jié)構(gòu)振動(dòng)。Lord公司設(shè)計(jì)制造了一種地震阻尼器,可產(chǎn)生200kN的阻尼力。
磁流變液阻尼器用于直升飛機(jī)旋冀系統(tǒng)穩(wěn)定性控制的研究是近年來磁流變液在航空工業(yè)中的一個(gè)新應(yīng)用,Marathe將剪切模式磁流變阻尼器的Bingham塑性模型與旋冀的空氣力學(xué)模型結(jié)合在一起形成一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)模型,發(fā)現(xiàn)磁流變阻尼器在地面共振穩(wěn)定性控制方面用開關(guān)控制方案能提供充足的阻尼,而在向前飛行時(shí)如果空氣動(dòng)力阻尼足夠,可使用開關(guān)控制,如果需要附加的阻尼,就需要使用線性反饋控制。Kamath對(duì)一種用于直升飛機(jī)旋冀系統(tǒng)穩(wěn)定性控制的磁流變阻尼器的比例模型在通電或斷電、單個(gè)或成對(duì)使用、施加不同預(yù)載、單頻或雙頻激擾等多種條件下的特性進(jìn)行了研究。Madhavan建立了磁流變阻尼器的非線性力學(xué)模型。
1. 2 滑動(dòng)軸承簡(jiǎn)介
根據(jù)滑動(dòng)軸承兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面油膜形成原理的不同?？煞譃榱黧w動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承（也稱動(dòng)壓軸承）和流體靜壓軸承（也稱靜壓軸承）。一般討論的是流體動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承，它通過軸和軸承的相對(duì)運(yùn)動(dòng)把油帶入兩表面之間，形成足夠的壓力膜，將兩表面隔開，從而承受載荷。在液體潤(rùn)滑條件下，滑動(dòng)表面被潤(rùn)滑油分開而不發(fā)生直接接觸，還可以大大減小摩擦損失和表面磨損，油膜還具有一定的吸振能力。但起動(dòng)摩擦阻力較大。軸被軸承支承的部分稱為軸頸，與軸頸相配的零件稱為軸瓦。為了改善軸瓦表面的摩擦性質(zhì)而在其內(nèi)表面上澆鑄的減摩材料層稱為軸承襯。軸瓦和軸承襯的材料統(tǒng)稱為滑動(dòng)軸承材料。
常用的滑動(dòng)軸承材料有軸承合金（又叫巴氏合金或白合金）、耐磨鑄鐵、銅基和鋁基合金、粉末冶金材料、塑料、橡膠、硬木和碳-石墨，聚四氟乙烯（PTFE）、改性聚甲醛（POM）、等。常用的潤(rùn)滑劑有油、水、空氣等流體和石墨、二硫化鉬等固體，依軸承的應(yīng)用場(chǎng)合和要求而定。以液體作潤(rùn)滑劑的徑向軸承按潤(rùn)滑膜的厚薄分為薄膜潤(rùn)滑軸承和厚膜潤(rùn)滑軸承。和滾動(dòng)軸承相比，滑動(dòng)軸承具有承載能力高、抗振性好，工作平穩(wěn)可靠，噪聲小，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，它廣泛用于內(nèi)燃機(jī)、軋鋼機(jī)、大型電機(jī)及儀表、雷達(dá)、天文望遠(yuǎn)鏡等方面。
1.3 磁流變液動(dòng)壓軸承
磁流變液動(dòng)壓軸承既是本次設(shè)計(jì)的題目，這是一種新型的滑動(dòng)軸承，相較于以前的軸承磁流變液動(dòng)壓軸承具有更加優(yōu)良的性能，使?jié)櫥偷恼扯瓤烧{(diào)節(jié)。磁流變液動(dòng)壓軸承的是基于滑動(dòng)軸承，將潤(rùn)滑油中添加磁流變液，再添加磁場(chǎng)，根據(jù)雷諾方程改變磁場(chǎng)強(qiáng)度使液體粘度改變，從而引起軸承與液體之間的摩擦力改變，來實(shí)現(xiàn)可控制的滑動(dòng)軸承。在此之前要先研究磁流變液傳輸機(jī)制，提出磁流變液動(dòng)壓軸承的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)具體結(jié)構(gòu)，基于雷諾方程和磁流變特性，推導(dǎo)不同狀態(tài)下的動(dòng)壓性能與磁場(chǎng)的關(guān)系，進(jìn)而獲得軸承的具體控制方法。磁流變液動(dòng)壓軸承讓原來的動(dòng)壓軸承具有更多的功能可以在很多不同的場(chǎng)合下工作。
2 方案設(shè)計(jì)以及選取
2.1 滑動(dòng)軸承的分類
滑動(dòng)軸承種類繁多，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》教材上可知主要的結(jié)構(gòu)形式可以分為以下三個(gè)大類：
① 整體式徑向滑動(dòng)軸承
此類軸承主要由軸承座和由減摩材料制成的整體軸套組成，軸承座上面設(shè)有安裝潤(rùn)滑油杯的螺紋孔，在軸套上開有有空，并在軸套的內(nèi)表面上開有油槽。這種軸承的優(yōu)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。它的缺點(diǎn)是軸套磨損之后，軸承間隙過大時(shí)無法調(diào)整；另外，只能從軸頸端部拆裝，對(duì)于重型機(jī)器或具有中間軸頸的軸，拆裝很不方便或者無法安裝。因此這類軸承大多用于低速、輕載或間歇性工作的機(jī)器之中，如某些農(nóng)用機(jī)械。手動(dòng)機(jī)械等。這種軸承所用的軸承座叫做整體有襯滑動(dòng)軸承座。具體結(jié)構(gòu)圖如下圖1：
圖1 整體式徑向滑動(dòng)軸承
② 對(duì)開式徑向滑動(dòng)軸承 （本次設(shè)計(jì)所選擇的軸承類型）
這種軸承是由軸承座、軸承端蓋、剖分式軸瓦和雙頭螺栓組成。軸承蓋和軸承座的剖分面常做成階梯形，以便對(duì)中和防止橫向錯(cuò)動(dòng)。軸承蓋上部開有螺紋孔，以便于安裝油杯或者油管。部分式軸瓦由上、下兩半組成，通常是下軸瓦承受載荷，上軸瓦不承受載荷。為了節(jié)省貴重金屬或其他原因，常在軸瓦內(nèi)表面上貼附一層軸承襯。在軸瓦內(nèi)壁不承受載荷的表面開設(shè)油槽，潤(rùn)滑油用過油孔和油槽流進(jìn)軸承間隙。軸承剖分面最好與載荷方向近似于垂直，多數(shù)的軸承的剖分面是水平的（也有部分做成傾斜的，如45°，以適應(yīng)徑向載荷作用線的傾斜度超出軸承垂直中心線左右各35°范圍的情況）。這類軸承的優(yōu)點(diǎn)是便于拆裝，并且軸瓦磨損之后可以減少剖分面處的墊片厚度來調(diào)整軸承間隙（調(diào)整后應(yīng)刮軸瓦內(nèi)孔）。這種軸承所用的軸承座叫做對(duì)開式二螺柱正滑動(dòng)軸承座。其結(jié)構(gòu)如下圖2：
圖2 對(duì)開式徑向滑動(dòng)軸承
③ 止推滑動(dòng)軸承
由止推滑動(dòng)軸承座和止推軸頸組成，由于止推滑動(dòng)軸承不是徑向滑動(dòng)軸承，因此本次設(shè)計(jì)不采用此類軸承，因此不做多的敘述。
2.2 滑動(dòng)軸承的選取
軸瓦是滑動(dòng)軸承之中的重要零件，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理對(duì)軸承性能的影響很大。有時(shí)為了節(jié)省貴重的合金材料或者由于結(jié)構(gòu)上的需要，常在軸瓦的內(nèi)表面澆鑄或軋制一層軸承合金，成為軸承襯。軸瓦應(yīng)該具有一定的強(qiáng)度和剛度，在軸承中定位可靠，便于輸入潤(rùn)滑劑，容易散熱，并且裝拆、調(diào)整方便。而本次設(shè)計(jì)軸承首先應(yīng)該選取的軸承結(jié)構(gòu)，然后再考慮材料的選擇。
鑒于方便安裝和拆卸，滑動(dòng)軸承主要集中在對(duì)開式徑向活動(dòng)軸承之中選取結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單和可操作性較高的軸承。在選取滑動(dòng)軸承過程之中主要選取了如下兩個(gè)軸承模型和結(jié)構(gòu)：
① 球形軸承 其軸瓦結(jié)構(gòu)如下圖3
球形軸承也是最開始設(shè)計(jì)者選取的軸承，最后在指導(dǎo)老師的建議下分析優(yōu)缺點(diǎn)以及建模相對(duì)難度較大，所以最終沒有選取此類軸承。
圖3 球形軸承
此軸承優(yōu)點(diǎn)：由于磁流變液之中存在細(xì)小顆粒，因此相比普通潤(rùn)滑油來說，更加不易密封，由于球形軸承是整體軸瓦，只需密封軸頸兩側(cè)即可。缺點(diǎn)：磁流變液需要在磁場(chǎng)環(huán)境下工作才能發(fā)揮其材料的特性，而此類軸承設(shè)計(jì)者未找到合理的添加磁場(chǎng)方式，因此最終放棄此方案。
② 對(duì)開式徑向軸承（整體式軸瓦）
這是在聽取指導(dǎo)老師建議下所選取相對(duì)合理的軸承，其軸瓦結(jié)構(gòu)如下圖4：
圖4 軸瓦結(jié)構(gòu)
此類軸承相較于球形軸承的優(yōu)點(diǎn)：由于和球形軸承都是整體軸瓦，因此密封方便，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于后續(xù)建模以及電磁場(chǎng)的添加。
在確定了軸瓦的材料之后，選取灰鑄鐵，主要是運(yùn)用在低速、輕載的不重要軸承上。而軸承座選用合金鋼。
2.3 電磁場(chǎng)的添加
由于是將滑動(dòng)軸承原有的潤(rùn)滑液換做磁流變液，因此要在滑動(dòng)軸承內(nèi)部添加可調(diào)節(jié)電磁場(chǎng)來通過改變電磁場(chǎng)強(qiáng)度來使磁流變液粘度改變，并最終改變滑動(dòng)軸承內(nèi)部， 磁流變液要在磁場(chǎng)下工作才能發(fā)揮出材料特性，而本設(shè)計(jì)是將電磁場(chǎng)添加在軸瓦四周，從而使磁流變液能在正常磁場(chǎng)環(huán)境下工作。具體方案如下：
① 方案一 一種類似磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu) 具體結(jié)構(gòu)如下圖5：
圖5 磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)
此結(jié)構(gòu)是參照磁懸浮軸承軸承的電磁場(chǎng)添加方式，直接在軸套外面添加磁場(chǎng)，讓磁場(chǎng)方向處于徑向方向，以實(shí)現(xiàn)軸承工作時(shí)磁場(chǎng)方向與磁流變液處于垂直狀態(tài)。
② 方案二 仿照電機(jī)線圈纏繞方式的結(jié)構(gòu) 具體結(jié)構(gòu)如下圖6
圖6 按照電機(jī)線圈纏繞方式開槽的軸瓦
此方案是在指導(dǎo)老師的建議之下參照電機(jī)內(nèi)線圈纏繞方式，將其運(yùn)用于軸瓦上。在軸瓦上開槽，采用類似的線圈纏繞方式，能夠獲得讓磁流變液正常工作的垂直于軸向的磁場(chǎng)。
③ 方案三 方案二的改進(jìn)方案 具體結(jié)構(gòu)如下圖7：
圖7 方案2的改進(jìn)軸瓦
此結(jié)構(gòu)是在方案二的基礎(chǔ)之上的改進(jìn)方案，相較于方案2更加能實(shí)現(xiàn)對(duì)軸瓦加工的。
總結(jié)：綜合評(píng)估三個(gè)方案，由于方案一結(jié)構(gòu)相對(duì)更加復(fù)雜，不便于軸承座的建模以及選型；方案二雖然能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)題目所需的要求，但是此軸瓦加工起來相對(duì)復(fù)雜很多，處于對(duì)加工的要求，方案二最終被放棄；方案三，很好的結(jié)合了方案二的優(yōu)點(diǎn)以及加工起來更加方便，所以綜合各方面考慮最終軸瓦的結(jié)構(gòu)選取方案三。
2.4 密封方式選擇
由于滑動(dòng)軸承以及是一個(gè)成熟的機(jī)械裝置了，其密封方式也是多種多樣的，本設(shè)計(jì)就在其中選取一種相對(duì)簡(jiǎn)單的密封方式：油封。由于本次設(shè)計(jì)選用滑動(dòng)軸承軸瓦兩端結(jié)構(gòu)不同，因此有如下兩種結(jié)構(gòu)。 其結(jié)構(gòu)如下圖8：
圖8 密封端蓋簡(jiǎn)圖（具體結(jié)構(gòu)見CAD裝配圖）
所謂油封是其與軸接觸合成橡膠等彈性體的唇片(lip)，靠著接觸壓力將之間的滑動(dòng)部密封起來，是最廣為使用密封效果極佳的密封裝置。油封的形式頗多，有唇片上方套以環(huán)狀彈簧圈，以保持適當(dāng)?shù)慕佑|壓力，也可容許一定程度的軸偏轉(zhuǎn)，唇片會(huì)隨著而偏轉(zhuǎn)，有很高的密封效果。 油封唇片的材料根據(jù)使用條件有硝化樹脂(Nitrile Gum)、丙烯類樹脂(Acrylic Gum)、氟化樹脂(Fluoric Gum)和四氟化乙烯樹脂等。
2.5 軸承座選取以及建模
滑動(dòng)軸承座是參照《SolidWorks設(shè)計(jì)與分析范例教程》第八章滑動(dòng)軸承分析范例之中的滑動(dòng)軸承模型建模的標(biāo)準(zhǔn)件。具體結(jié)構(gòu)如下圖9：
圖9 軸承座上端
其中螺紋孔是選取標(biāo)準(zhǔn)件：GB Hex heard bolts GB /T5782-000 M8
軸承座下端部分如下圖10：
圖10 軸承座下端
其中螺旋選取標(biāo)準(zhǔn)件：GB 六角頭螺栓C級(jí) M12
最終確定的滑動(dòng)軸承模型以及其零件圖和裝配圖
滑動(dòng)軸承本次設(shè)計(jì)中主要的零件及其建模
2.5.1 軸承座上端
圖11 軸承座上端
2.5.2 軸承座下端
圖12 軸承座下端
2.5.3 軸瓦
圖13 軸瓦
2.5.4 軸承裝配圖
圖14 磁流變液動(dòng)壓軸承裝配體
圖15 磁流變液動(dòng)壓軸承裝配體
3 磁流變液動(dòng)壓軸承的工作原理
3.1 滑動(dòng)軸承的處電磁引入
軸瓦處線圈纏繞方式以及接入接出的點(diǎn)的位置。 具體結(jié)構(gòu)如下圖13：
圖16 軸瓦上線圈纏繞方式以及進(jìn)線端和出線端
圖中線圈纏繞方式按照上圖中條形槽中紅色指示線纏繞，電線引入處為一個(gè)矩形槽，為方面電線接入與接出。線圈纏繞之后添加樹脂將其密封。為了不影響軸承之中油封墊圈對(duì)磁流變液的密封，因此電線接入的位置直接為軸瓦的電線引入處和軸承座下端矩形槽直接相連。這樣就能保證在外接電線的同時(shí)，不影響軸承之中對(duì)于磁流變液的密封。軸承座下半部分的矩形槽具體開槽方式。
如下圖14：
圖17 軸承座下端的電線接入處
由上圖所示的矩形槽直通軸承座下端，讓電線直接從軸承座下端引入。線圈要選用漆包線來使其絕緣。
3.2 磁流變液的添加
磁流變液是由三種材料組成成分組成的，分別是母液潤(rùn)滑油、磁化顆粒和穩(wěn)定劑。因此磁流變液與普通潤(rùn)滑油最大的不同就在于磁流變液之中存在磁化顆粒，從粒子材料和尺寸上說，磁流體中懸浮粒子的直徑在1～10nm范圍內(nèi)，通常用合適的表面活性劑將懸浮粒子分散在液體中，由于粒子的尺寸小，布朗運(yùn)動(dòng)可以阻止粒子沉淀和團(tuán)聚，其穩(wěn)定性能好；而磁流變液，懸浮粒子的直徑為0.1～500μm，粒子較大，布朗運(yùn)動(dòng)無法阻止顆粒沉淀和團(tuán)聚，必須采取如表面包裹、復(fù)合等方法來降低整個(gè)顆粒的密度，提高材料的穩(wěn)定性。
由于磁化顆粒直徑非常小，因此磁流變液任然可以看做是一種具有特殊性能的潤(rùn)滑油，因此其添加方式可以采用滑動(dòng)軸承之中對(duì)于普通潤(rùn)滑油的添加方式來添加磁流變液。所以在軸瓦上端開一個(gè)油孔，軸承座上端部分開通可以放置連接油孔的進(jìn)油管道的槽，進(jìn)油管道與油孔的連接處要首先保證軸瓦內(nèi)磁流變液的密封，因此可以在連接處添加密封油脂或者其他具有更高效率的密封材料來保證軸瓦內(nèi)磁流變液的密封。具體三維模型有空以及管道槽結(jié)構(gòu)如下圖14和圖15：
圖18 軸瓦上開的油孔
圖19 軸承座上端的進(jìn)油管道
3.3 磁流變液動(dòng)壓軸承原理
3.3.1 磁流變液添加以及電線接入
當(dāng)給磁流變液動(dòng)壓軸承接通電源之后，由上端的進(jìn)油管道和油孔處向軸承內(nèi)軸瓦與軸的間隙處添加磁流變液，磁流變液在重力的作用下流向軸瓦最下端，軸此時(shí)按照一定的速度旋轉(zhuǎn)，由于接通了電源，所以軸瓦內(nèi)部產(chǎn)生了垂直于軸向的電磁場(chǎng)，因此磁流變液正常工作?？梢园凑招枰淖冸娏鲝?qiáng)度從而改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，最終改變磁流變液的粘度，從而來達(dá)到工作環(huán)境所需要的粘度以及作用力。具體計(jì)算可以采用一維雷諾方程，它是計(jì)算流體動(dòng)力潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承（簡(jiǎn)稱流體動(dòng)壓軸承）的基本方程。具體結(jié)構(gòu)如下圖20：
圖20 進(jìn)油管道以及電線接入位置
3.3.2 磁流變液裝載位置
磁流變液動(dòng)壓軸承，可以將磁流變液類似為潤(rùn)滑油，因此可以效仿普通滑動(dòng)軸承那樣設(shè)計(jì)裝載磁流變液的腔體。但是由于磁流變液之中存在細(xì)小顆粒，因此軸瓦與軸的配合間隙要比普通滑動(dòng)軸承的大，這樣才能保證磁流變液的正常工作，并且不至于讓軸瓦與軸承之間的磨損消耗更大。普通滑動(dòng)軸承軸瓦與軸的間隙配合大概是是軸頸的千分之一到千分之三，因此磁流變液動(dòng)壓軸承軸瓦與軸的配合間隙應(yīng)該大于這個(gè)數(shù)值，但是也不宜過大因?yàn)殚g隙過大使軸在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候偏離軸心線更多，引起機(jī)械裝置的震動(dòng)過大，減小的機(jī)械裝置使用壽命。因此軸瓦與軸的配合間隙選取軸頸直徑的千分之4。下圖21紅色標(biāo)記處的間隙即為軸瓦與軸之間的配合間隙：
圖21 裝載磁流變液的腔體（既圖中軸瓦與軸的配合間隙）
3.3.3 磁流變液的密封
在軸頸兩端添加密封墊圈，加以固定在軸承座上，來達(dá)到對(duì)滑動(dòng)軸承的密封，具體密封結(jié)構(gòu)如下圖18：
圖22 密封墊圈
4 主要尺寸以及主要計(jì)算
4.1 軸承座的具體尺寸
4.1.1 軸承座上端
如圖所示所有的尺寸單位都為mm
圖23 軸承座上端主視圖及尺寸
圖24 軸承座上端俯視圖及主要尺寸
4.1.2 軸承座下端
圖25 軸承座下端主視圖主要尺寸
圖26 軸承座下端俯視圖及尺寸
圖27 軸承座下端左視圖及尺寸
4.1.3 軸瓦
圖28 軸瓦主要尺寸
4.2 滑動(dòng)軸承所涉及的主要計(jì)算
4.2.1 電磁場(chǎng)的計(jì)算
一般來說，介質(zhì)內(nèi)布每點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間，可以用該點(diǎn) 的磁導(dǎo)率μ聯(lián)系起來，即：
B=μH （4-1）
組成電機(jī)的的磁介質(zhì)主要有兩種，一種是空氣和銅，另外一種是鐵磁介質(zhì)。對(duì)于空氣和銅，磁導(dǎo)率為一定常值，μ=μ=4π*10H/m。鐵磁介質(zhì)的磁性能比較復(fù)雜，就不做詳細(xì)介紹了。因此我們直接假定軸瓦內(nèi)磁場(chǎng)與電流的關(guān)系式為：
H=f(A） （4-2）
4.2.2 磁流變液粘度的計(jì)算
（4-3）
其中：-外加磁場(chǎng)強(qiáng)度引起的屈服應(yīng)力，[Pa]
H -磁場(chǎng)強(qiáng)度，[A / M]
- 剪切速率，[S]
-是零場(chǎng)粘度，對(duì)于大多數(shù)磁流變液來說，它與磁場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)[[Pa]
假若磁場(chǎng)與磁流變液的粘度的關(guān)系式為：
=f（H)=F（A） （4-4）
4.2.3 磁流變液油膜承載能力計(jì)算
計(jì)算油膜承載能力需要用到一維雷諾方程：
（4-5）
其中：p-油膜承載能力
x-橫向距離
-潤(rùn)滑液粘度
v-軸承線速度
h-油膜高度
圖29
如上圖所示 h初=h+x*tan （4-6）
對(duì)公式4-5 兩邊積分：并將式子4-6帶入計(jì)算
p =
=6
= 6
= （4-7）
其中： 即為軸與軸瓦之間的最大配合間隙，
磁流變液粘度可以使用公式4-4，帶入求解既可：
p=[]*f(H)
=[]*F(A)
5 SolidWorks仿真分析
5.1 爆炸視圖
按照如下步驟操作：
圖 30 爆炸視圖操作方法 圖31 爆炸步驟
如上圖所示，爆炸視圖添加整個(gè)裝配體，然后選擇軸的Y方向開始爆炸裝配體各個(gè)零件。爆炸步驟為：首先爆炸軸承做上端螺栓M4，然后爆炸軸承座上端，之后爆炸軸和軸瓦，再之后爆炸密封圈，最后爆炸軸承座下端，M6螺栓位置不變。
最終所得到的爆炸視圖如下圖32：
圖32 爆炸視圖
5.2 仿真運(yùn)動(dòng)
圖33 添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)
如上圖所示在軸上添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，具體參數(shù)如上圖左邊所示。添加旋轉(zhuǎn)馬 達(dá)之后，基本運(yùn)動(dòng)就如下圖所示：
圖34 三維模型的基本運(yùn)動(dòng)
6 總結(jié)
隨著畢業(yè)日子的到來，畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。經(jīng)過將近四個(gè)月的的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在沒有接受任務(wù)以前覺得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這一年來所學(xué)知識(shí)的單純總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)可行的磁流變液動(dòng)壓軸承的方案，對(duì)于我來說是一次極佳的了解滑動(dòng)軸承以及磁流變液這個(gè)材料的更多知識(shí)。盡管我對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握還不怎么透徹，但是我仍然希望通過自己的努力完成設(shè)計(jì)并希望有所突破。下面就對(duì)我們這次設(shè)計(jì)的過程做個(gè)簡(jiǎn)單的小結(jié)： 第一，課題分析。在接到畢業(yè)設(shè)計(jì)題目后，我認(rèn)真翻閱了指導(dǎo)老師提供的資料，對(duì)課題進(jìn)行了深刻的分析，并向老師請(qǐng)教了設(shè)計(jì)中的一些要點(diǎn)及難點(diǎn)。 第二，開題報(bào)告文獻(xiàn)綜述以及外文翻譯。通過借閱圖書館的書籍資料、互聯(lián)網(wǎng)等途徑積極查閱資料，并與其他同學(xué)以及指導(dǎo)老師進(jìn)行咨詢探討，以達(dá)到最大的資源利用率及工作效率。 第三，總體的方案設(shè)計(jì)。在對(duì)課題進(jìn)行仔細(xì)分析以后，在老師的指導(dǎo)下概括出了這次設(shè)計(jì)的大體框架，并將設(shè)計(jì)劃分成了若干個(gè)小模塊，并逐步完成。第四，方案實(shí)現(xiàn)。在資料準(zhǔn)備充分后，開始著手磁流變液動(dòng)壓軸承的結(jié)構(gòu)建模以及繪制CAD圖形。在這個(gè)過程中，大家也越到不少問題，通過一起討論、請(qǐng)教老師、以及翻閱資料等方式將問題一一解決。 第五，論文編寫。在完成了各自的建模以及計(jì)算機(jī)圖形以后，將這些資料進(jìn)行了整合，并整理成冊(cè)，然后編寫說明書。通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)我了解了磁流變液這一對(duì)我來說的新材料，而且在原有的基礎(chǔ)之上更加系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)了滑動(dòng)軸承。
致謝
本文是在知道導(dǎo)老師楊巖教授的精心指導(dǎo)和關(guān)懷之下完成的。在老師悉心指導(dǎo)之下，我們完成了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)?；仡欉@段時(shí)間，感覺還是很充實(shí)的，這讓我學(xué)到了許多的知識(shí)。在做課題的過程中，遇到的困難不少，但我還是克服了。平時(shí)遇到一些難題就先和同學(xué)們一起探討，在和同學(xué)們討論無果的情況下再和老師共同研討，一起解決難題。楊老師給我們提供很多的參考的意見的參考書籍，讓我們從中學(xué)到了許多的知識(shí)。能夠順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，離不開楊老師辛勤的付出。這此畢業(yè)設(shè)計(jì)，給我們?cè)黾恿艘恍┙?jīng)驗(yàn)，這在以后的工作中會(huì)帶來更多的幫助。
同時(shí)還要感謝同組的同學(xué)以及他們給與我是SolidWorks建模上很大的幫助，還要感謝制造方向的同學(xué)，他們?cè)谖依L制CAD圖形的時(shí)候幫組不小。
通過這次練習(xí)，讓我學(xué)到了更多關(guān)于電腦操作技能，鍛煉了我的雙手。再次感謝那些在畢業(yè)設(shè)計(jì)上給我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)
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