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磁流變液的性能與應(yīng)用
M. Kciuk a,* R. Turczyn b
a Division of Nanocrystalline and Functional Materials and Sustainable
Pro-ecological Technologies, Institute of Engineering Materials and Biomaterials,
Silesian University of Technology, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Poland
b Department of Physical Chemistry and Technology of Polymers,
Silesian University of Technology ul. Marcina Strzody 9, 44-100 Gliwice, Poland
* Corresponding author: E-mail address: monika.kciuk@polsl.pl
Received 15.03.2006; accepted in revised form 30.04.2006
目的 ：本文介紹了近年來磁流變流體（MR）的基本屬性及其發(fā)展，以及在各種 機械設(shè)備的實際應(yīng)用中的作用提高了。
設(shè)計/方法/方式 ：理論研究成果中獲得的性能和應(yīng)用。在過去的幾十年和近幾年所取得的進(jìn)步。
調(diào)查結(jié)果： 它是非常清楚的介紹傳統(tǒng)的設(shè)備更換與應(yīng)用，這種智能系統(tǒng)能更好地適應(yīng)環(huán)境的刺激是必要的。他們中的許多應(yīng)用將包括磁流變液為活性成分。
研究限制/影響 ：MR流體性能優(yōu)異的可以應(yīng)用在各個領(lǐng)域的民用工程，安全工程，交通運輸和生命科學(xué)。他們提供了一個具有優(yōu)秀的活動能力控制的機械性能。
實踐意義： 從事剎車的設(shè)計工程師非常有用的材料，阻尼器，合器和減震器系統(tǒng)。
創(chuàng)新/價值 ：本文介紹了一個跟上時代的MR材料的開發(fā)和應(yīng)用在土木工程。超過時下解決方案的智能系統(tǒng)的優(yōu)點將成為的方向21世紀(jì)器件的研究和設(shè)計。
關(guān)鍵詞： 智能材料，磁材料，磁學(xué)性質(zhì)，剪應(yīng)力
1. 1 介紹
目前使用標(biāo)準(zhǔn)的電子和機械設(shè)計的材料在科學(xué)技術(shù)已經(jīng)取得了驚人的發(fā)展，這些材料不具有某些金屬材料特別特殊的特性（即 鋼，鋁，金）。
試想一下各種可能性，存在的特殊材料具有的屬性，并且科學(xué)家可以操作，一些材料有能力改變形狀或大小，只需加入一點點的熱量，或從液體到固體在磁鐵附近時發(fā)生改變，這些材料就是所謂的智能材料。 智能材料具有一個或多個屬性，可以顯著地改變材料的屬性。最日常的材料具有的物理性質(zhì)，這是不能隨便改變的：例如，如果油被加熱會變得更薄一點，而智能材料加于變量可能會變成易流動的液體狀態(tài)到固體。每個單獨的智能材料有不同的屬性，它可以顯著地改變，如粘度、體積或著導(dǎo)電性。這些可以可以改變的屬性， 確定是什么類型的應(yīng)用程序的智能材料可以應(yīng)用于下表[1]。
智能材料的品種已經(jīng)存在，并正在廣泛的研究。這些包括壓電材料和形狀記憶合金，一些日常用品（如咖啡壺，汽車，眼鏡）將智能材料和為他們的應(yīng)用程序數(shù)量已經(jīng)在穩(wěn)步增長了。磁材料（流體）（MR）是一類智能材料的流變性能（例如粘度）通過施加磁場，可以迅速改變其特性。在磁場下的影響，懸浮的磁性粒子相互作用形成的結(jié)構(gòu)，即抵抗剪切變形或拉伸形變。
在材料中出現(xiàn)的這種變化作為一種快速增加表觀粘度或半固體狀態(tài)的發(fā)展。在磁流變材料中的應(yīng)用進(jìn)展是處于新的，使更復(fù)雜的磁流變材料的具有發(fā)展更好的性能和穩(wěn)定性。
許多智能系統(tǒng)和的粘度的變化或其他結(jié)構(gòu)將受益于材料性能的MR。 如今，這些應(yīng)用程序包括制動器，減震器，離合器，避震系統(tǒng)。
2. 2 流體的磁特性
典型的磁流變流體的懸浮液微米級的，可磁化顆粒（主要是鐵顆粒）懸浮于適當(dāng)?shù)妮d體液體，如礦物油、合成油、水或乙二醇。載體液作為分散的介質(zhì)中，并確保流體中的顆粒的均勻性。各種各樣的添加劑（穩(wěn)定劑和表面活性劑）是用來防止重力沉降和促進(jìn)穩(wěn)定的顆粒懸浮液，提高潤滑性和改變初始粘度的磁流變液。穩(wěn)定劑將有助于保持顆粒懸浮在流體中，從而被吸附的表面活性劑的表面上的磁性顆粒，以提高流體中感生的極化的磁場的應(yīng)用程序后的懸浮顆粒。
表1概括的MR流體的屬性 ：
表[1]：
特性 典型值
初始粘度 0,2 – 0,3 [Pa·s] (at 25oC)
密度 3 – 4 [g/cm3]
磁場強度 150 – 250 [kA/m]
屈服點 50 – 100 [kPa]
反應(yīng)時間 幾毫秒
典型的電源電壓和電流強度 2 – 25 V, 1–2 A
工作溫度 -50 do 150 [oC]
通常情況下，可磁化粒子的直徑范圍從3到5微米，可以用于功能性磁共振液體中。但是較大的顆粒，讓懸浮液中顆粒的穩(wěn)定的會變得越來越困難，因為增加顆粒的大小使它要更大的浮力使其懸浮。相對便宜的羰基鐵的數(shù)量通常是限于尺寸大于1或2微米。更小的顆粒容易暫停并且更好的運用，但制造這樣的顆粒是困難的。較小的顯著鐵磁顆粒，顆粒通常是僅可作為氧化物，如材料通常在磁記錄介質(zhì)中找到。從這些顆粒材料的磁流變液是相當(dāng)穩(wěn)定， 因為顆粒通常直徑只有30納米。 然而，由于其較低的飽和度磁化強度，由這些顆粒制成的流體通有常約5千帕的壓強，并有一個比表面積大的大的塑料來限制其粘度。這些主要參數(shù)被列于上表1。
在外加磁場的情況下，MR流體是近似于牛頓流體。對于大多數(shù)工程應(yīng)用一個簡單的賓漢塑性模型對其有效的描述必不可少的，實際情況取決于流體的特性。一賓漢型塑料是一種非牛頓流體，其屈服應(yīng)力必須超過前的流量可以開始。此后，將剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線曲線是程線性的。在此模型中，
總屈服應(yīng)力由下式給出（1）：
其中：-屈服應(yīng)力引起的磁場，[Pa]
H -磁場強度，[A / M]
- 剪切速率，[S]
-塑性粘度，[[Pa]
許多現(xiàn)代的復(fù)雜模型，如磁流體[5，6]，通常情況下，磁流變液是自由流動的液體，和潤滑油（圖1）相類似。
圖1. 1
無外磁場MR流體模型（1 -載體液體，2 -懸浮磁化顆粒）
然而，在所施加的磁場的存在下，在鐵粒子獲得與外部對齊的偶極矩的時候，這會導(dǎo)致顆粒形成對準(zhǔn)到磁場的直鏈。
這種現(xiàn)象可以穩(wěn)定暫停的鐵顆粒和限制的流體運動。因此，在屈服強度與流體內(nèi)的開發(fā)的變化程度所施加的磁場的大小有關(guān)，并且這種改變可以發(fā)生在幾個毫秒之內(nèi)。
磁流變液的性能及應(yīng)用典型的磁流變材料可以實現(xiàn)產(chǎn)量強度和磁場強度分別為約50-100千帕，150–250 kA/m。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壁面粗糙度對接觸與流體的屈服強度是很重要的，特別是在低磁場之中。在MR材料中，最終達(dá)成飽和點時增加的磁場強度的做不增加的MR材料的屈服強度。這現(xiàn)象通常在大約300千安/米的磁飽和時的MR材料的強度是可以的。
使用有限元分析研究：
圖2. 2流體模型外磁場
MR流體模型外的磁場作用是立即恢復(fù)，如果磁場強度是減少或取消，將會記錄6.5毫秒的反應(yīng)時間。MR材料是已經(jīng)可以是穩(wěn)定的從-50℃至150℃的溫度范圍內(nèi)有輕微的變化的體積分?jǐn)?shù)，因此在這些溫度下的強度輕微減少它的吸收率，但它們的變化是很小的。
另外的懸浮顆粒的粒度的影響分布是在一個變化中的MR流體的屬性磁場之中。
磁性材料表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，是典型的隨電流變化的材料。相對的那些材料，磁流變液是有用的，因為流變性質(zhì)的改變是大，ER流體，所以增加的屈服應(yīng)力的20-50倍。與ER的材料不同的是，他們也不太對濕度和污染物敏感，因此，磁流變材料的候選中的使用不潔或受污染的環(huán)境中。 它們也不作為ER材料的表面活性劑的表面化學(xué)。 功率（50 W），電壓（12-24V）的條件下MR與ER是相對比較小的材料被激活的材料。
3. 3 應(yīng)用磁流體
磁流變材料的在液體狀態(tài)，因為可以由控制所施加的磁場的強度，在應(yīng)用程序中變量的性能是必需的而且它是有用的。微處理器，傳感器技術(shù)和提高電子信息內(nèi)容和處理速度已經(jīng)創(chuàng)建了實時智能控制的可能性系統(tǒng)的MR設(shè)備。
MR技術(shù)的商業(yè)化開始1995年在使用的旋轉(zhuǎn)制動器的有氧運動設(shè)備中，從這一刻開始應(yīng)用磁流變材料技術(shù)并在在現(xiàn)實應(yīng)用中的實現(xiàn)穩(wěn)步增長。在過去的幾年中，一些商用提供的產(chǎn)品（或接近商業(yè)化）發(fā)展，例如：
﹒線性磁流變阻尼器的實時主動振動控制
﹒系統(tǒng)在重型卡車
﹒線性和旋轉(zhuǎn)制動器的低成本的，準(zhǔn)確的位置，氣動執(zhí)行器系統(tǒng)的速度控制
﹒旋轉(zhuǎn)制動器，轉(zhuǎn)向提供觸覺力反饋線系統(tǒng)，在先進(jìn)的實時步態(tài)控制的線性阻尼器
﹒假肢裝置
﹒可調(diào)節(jié)的實時控制減震器
﹒汽車
﹒MR洗衣機海綿阻尼器，
﹒磁流體拋光工具，
﹒為減輕地震破壞非常大的磁流變液阻尼器
﹒在土木結(jié)構(gòu)，大型磁流變液阻尼器風(fēng)致振動控制斜拉橋。
MR制動器在直接剪切模式中，剪切 MR流體灌裝在兩個表面之間的間隙（軸瓦和轉(zhuǎn)子）與相對于彼此移動。轉(zhuǎn)子被固定到軸，它被放置在軸承和可以旋轉(zhuǎn)有關(guān)軸瓦。 MR中制動阻力轉(zhuǎn)矩取決于液體的粘度，可以通過磁場變化的MR流體。MR制動可用于連續(xù)控制的扭矩。當(dāng)有沒有磁場的轉(zhuǎn)矩引起的載體的粘度液體變化時，軸承處于密封。MR制動特別適合在各種應(yīng)用場所，包括氣動致動器控制，精密張力控制和觸覺力反饋的應(yīng)用，轉(zhuǎn)向離合器。
MR離合器類似MR制動的操作在直接剪切模式和傳輸輸入和輸出軸之間的扭矩。那里主要有兩種類型的MR離合器的結(jié)構(gòu)：圓柱和平面的。在圓柱模型MR流體兩圓柱面和正面的MR流體填補差距大概兩張光盤的距離。在工作期間由線圈產(chǎn)生的磁場讓流體的粘度增加，造成的轉(zhuǎn)矩形式轉(zhuǎn)移輸入到輸出軸。有用的扭矩是經(jīng)過從刺激2-3毫秒。
磁流變阻尼器的半有源器件包含磁流變液。磁場應(yīng)用后從液態(tài)到半固態(tài)的流體的變化是幾毫秒，這樣的結(jié)果是無級變速，可控大阻尼力的阻尼能力。磁流變阻尼器提供了一個機械系統(tǒng)中的能量吸收吸引力的解決方案和結(jié)構(gòu)，并可以被認(rèn)為是“故障-安全”的設(shè)備。
4. 4 結(jié)論
科學(xué)和技術(shù)在21世紀(jì)將依賴新材料的發(fā)展以及在預(yù)期回應(yīng)環(huán)境的變化和體現(xiàn)自己的功能根據(jù)最佳的條件。
智能材料的發(fā)展無疑將是在許多領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)，比如基本任務(wù)信息科學(xué)，微電子技術(shù)，計算機科學(xué)，醫(yī)學(xué)治療，生命科學(xué)，能源，交通運輸，安全工程和軍事技術(shù)。
因此在未來的材料的開發(fā)中，應(yīng)使導(dǎo)演朝著創(chuàng)建功能亢進(jìn)材料在某些方面甚至超過生物器官。目前的材料研究開發(fā)各種途徑，這將導(dǎo)致現(xiàn)代技術(shù)向智能系統(tǒng)。
這些液體能可逆地從一個瞬間改變自由流動的液體，半固體狀的，可控的屈服強度下暴露于磁場之中。
在外加磁場的情況下，MR流體是合理近似牛頓流體。對于大多數(shù)工程應(yīng)用程序，一個簡單的賓漢塑性模型是有效的描述必不可少的，現(xiàn)場取決于流體的特性。
MR技術(shù)已經(jīng)走出實驗室，進(jìn)入可行的商業(yè)應(yīng)用程序為不同的頻譜的產(chǎn)品。應(yīng)用范圍包括汽車主要懸浮液，
卡車座椅系統(tǒng)，的設(shè)備， 氣動控制，減震和人類假肢。
MR 相反，常規(guī)的電氣-機械-解決方案，MR技術(shù)提供了：
﹒實時，連續(xù)可變控制
﹒阻尼
﹒運動和位置控制
﹒鎖定
﹒觸覺反饋
﹒高耗散力的速度
﹒更大的能量密度
﹒簡單的設(shè)計（很少或根本沒有移動部件）
﹒快速響應(yīng)時間（10毫秒）
﹒在極端的溫度變化一致的療效（140℃至130℃范圍）
﹒使用最小的功率（通常為12V，最大1安培的電流;故障安全備用電池，后者可能無法安全到被動阻尼模式）
﹒系統(tǒng)固有的穩(wěn)定性（產(chǎn)生沒有現(xiàn)役部隊）
﹒磁流變液的操作可以直接從低電壓電源用品。 MR技術(shù)可以提供靈活，可靠的控制在設(shè)計的能力。
參考文獻(xiàn)
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重 慶 工 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
題目 磁流變液動壓軸承設(shè)計
（任務(wù)起止日期 2013年 2 月 25 日～ 2013 年 6 月 9日）
機械工程 學(xué)院
機械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè) 109040205班
學(xué)生姓名 鄧?yán)? 學(xué) 號 10904020505
指導(dǎo)教師 系 主 任
二級學(xué)院院長
課題內(nèi)容：
研究磁流變液傳力機理，提出磁流變液動壓軸承的設(shè)計方案，設(shè)計具體結(jié)構(gòu)，基于雷諾方程和磁流變特性，推導(dǎo)不同狀態(tài)下的動壓性能與磁場的關(guān)系，進(jìn)而獲得軸承的具體控制方法，最后完成三維建模及運動仿真。
課題任務(wù)要求：
1、掌握磁流變液傳力元件的設(shè)計方法，
2、對具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確設(shè)計分析
3、基于雷諾方程和磁流變特性，推導(dǎo)不同狀態(tài)下的動壓性能與磁場的關(guān)系。
4、提出技術(shù)方案，得到該軸承的控制方法
5、完成具體設(shè)計理論結(jié)果，對各種狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，形成技術(shù)文檔。
主要參考文獻(xiàn)
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5. A. Lawniczak, Electro- and Magnetorheological Fluids and
their Applications in Engineering, Poznanan 1999 (in Polish)
同組設(shè)計者
無
注：1、任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫；
2、任務(wù)書在第七學(xué)期期末下達(dá)給學(xué)生。
學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計（論文）工作進(jìn)度計劃表
序號
畢業(yè)設(shè)計（論文）工作任務(wù)
工 作 進(jìn) 度 日 程 安 排
周次
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
前期準(zhǔn)備
—
提出設(shè)計方案
—
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完成具體設(shè)計
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—
—
—
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形成技術(shù)文檔，完成設(shè)計任務(wù)
—
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答辯
—
注：1、此表由指導(dǎo)教師填寫；
2、此表每個學(xué)生一份，作為畢業(yè)設(shè)計（論文）檢查工作進(jìn)度之依據(jù)；
3、進(jìn)度安排用“—”在相應(yīng)位置畫出。
畢業(yè)設(shè)計（論文）階段工作情況檢查表
時間
第 一 階 段
第 二 階 段
第 三 階 段
內(nèi)容
組織紀(jì)律
完 成 任 務(wù) 情 況
組織紀(jì)律
完 成 任 務(wù) 情 況
組織紀(jì)律
完 成 任 務(wù) 情 況
檢
查
情
況
教師簽字
簽字 日期
簽字 日期
簽字 日期
注：1、此表由指導(dǎo)教師認(rèn)真填寫（要求手寫）；
2、“組織紀(jì)律”一欄根據(jù)學(xué)生具體執(zhí)行情況如實填寫；
3、“完成任務(wù)情況”一欄按學(xué)生是否按進(jìn)度保質(zhì)保量完成任務(wù)的情況填寫；
4、對違紀(jì)和不能按時完成任務(wù)者，指導(dǎo)教師可根據(jù)情節(jié)輕重對該生提出警告或不能參加答辯的建議。
重慶理工大學(xué)（畢業(yè)設(shè)計）,課題：磁流變液動壓軸承設(shè)計姓名：鄧?yán)趯I(yè)方向：機械設(shè)計指導(dǎo)老師：楊巖,1.設(shè)計思路及過程,,,,1.1.設(shè)計思路,本次畢業(yè)設(shè)計是磁流變液動壓軸承的設(shè)計。其中動壓軸承的結(jié)構(gòu)與原有動壓軸承并無多大差異，最主要的變化就是將原有的潤滑油改成磁流變液。由于磁流變液要在磁場環(huán)境下才能發(fā)揮其材料特性，因此還需考慮給滑動軸承如何添加磁場。,1.2.1軸瓦的設(shè)計,1.2設(shè)計過程（主要是軸瓦的設(shè)計）,線圈走向，由接入點向左邊沿著18個條形槽纏繞一周回到接入點,1.3工作原理總裝配圖：,工作原理,當(dāng)動壓軸承處于工作狀態(tài)時，接通電源，由進(jìn)油管道向軸瓦與軸的配合間隙（間隙配合）處添加磁流變液，磁流變液在重力的作用下，流入軸瓦底部，此時通過改變介入軸瓦線圈的電流強度就可以改變軸瓦內(nèi)部磁場強度，從而改變磁流變液的粘度，最終改變油膜的承載力，來達(dá)到本設(shè)計的目的。,軸瓦的線圈電流由軸承座下端蓋的通孔接入電線引人,,謝謝觀看,重 慶 理 工 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）開 題 報 告
題 目 磁流變液動壓軸承設(shè)計
二級學(xué)院 機械工程學(xué)院
專 業(yè) 機械設(shè)計制造與自動化 班 級 109040205
姓 名 鄧?yán)? 學(xué) 號 10904020505
指導(dǎo)教師 系 主 任
時 間
1、本課題的研究目的及意義
本次畢業(yè)設(shè)計的題目是磁流變也動壓軸承的設(shè)計,對此研究查閱的大量的資料,首先明白動壓軸承的原理和特性，再了解磁流變液的性能和應(yīng)用場合，最終完成磁流變液動壓軸承的設(shè)計。傳統(tǒng)的動壓軸承中潤滑油的粘度是不可調(diào)節(jié)的，如果將潤滑油用磁流變液代替，那么就可以通過改變磁場強度來改變磁流變液的粘度，讓動壓軸承具備更加高的性能。具體內(nèi)容：
1、掌握動壓軸承的特性
2、了解磁流變液性能以及應(yīng)用，以及在動壓軸承之中的密封方式
3、提出設(shè)計磁流變液動壓軸承的方案
4、掌握三維繪圖機仿真軟件
5、完成具體設(shè)計理論結(jié)果，形成技術(shù)文檔。
2、本人對課題任務(wù)書提出的任務(wù)要求及實現(xiàn)目標(biāo)的可行性分析
本課題的主要任務(wù)要求有：
設(shè)計動壓軸承、添加磁流變液、采用什么樣的密封方式以及如何給磁流變液施加電磁場。主要內(nèi)容：
1.動壓軸承的設(shè)計，采用何種動壓軸承，如何選取這些軸承：如液體動壓推力軸承、對開式徑向滑動軸承；
2.動壓軸承電磁鐵接入方式，再磁流變液保證良好密封環(huán)境下，如何才能有效的施加電磁場；
3.磁流變液密封系統(tǒng)的設(shè)計，磁流變液之中含有微小顆粒，這是不利于密封的，因此在驗證可行性時將會必不可少的驗證動壓軸承的密封而不至于軸瓦內(nèi)引起堵塞，而且給軸承內(nèi)施加電磁場的時候也要考慮密封性，以使磁流變液不會沿著線路管道流出。
在驗證所有提出的方案之中總結(jié)錯誤方案的優(yōu)缺點，以便于提出最終方案。
3、本課題的關(guān)鍵問題及解決問題的思路
本次任務(wù)的設(shè)計題目是磁流變液動壓軸承的設(shè)計。
關(guān)鍵問題：
1） 、動壓軸承
解決方案：在常用的滑動軸承之中選擇可行性較高的動壓軸承。
2） 、密封裝置
解決方案：可參考建筑材料之中攪拌機密封沙石混合物的密封方式。
3） 、外接磁場
解決方案：在保證磁流變液能良好的密封環(huán)境下，添加外接磁場不會引 起磁流變液密封環(huán)境的改變。
4）、磁流變液
最后在總結(jié)前面的方案是否可行的情況下，確定最終方案并做好總體的設(shè)計方案。
4、完成本課題所需的工作條件（如工具書、計算機、實驗、調(diào)研等）及解決辦法
所需要的工具書：機械制造工藝學(xué)、機械設(shè)計、機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊、我國現(xiàn)代機械制造技術(shù)的發(fā)展趨勢、機械設(shè)計手冊單行本滑動軸承、滑動軸承故障診斷實用技術(shù)、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計等
本課題所需的工具書可以在學(xué)校的圖書館借閱，也可以在網(wǎng)上購買相關(guān)資料、或者下載相關(guān)的電子檔文件，也可在老師的指導(dǎo)下查閱資料。有關(guān)圖形的繪制可以用電腦下載相關(guān)軟件進(jìn)行繪制。
5、工作方案分析及進(jìn)度計劃
1周到3周 明確設(shè)計任務(wù)，收集資料、調(diào)查研究，撰寫開題報告、文獻(xiàn)綜述、外文譯文
4周 提出動壓軸承選擇方案
5周 同上
6周 完成軸承方案的確定
7周 開始動壓軸承的設(shè)計
8周 同上
9周 將軸承的潤滑方式采用磁流變液，并考慮其密封方式以及如何添加電磁場
10周 同上
11周 同上
12周 同上
13周 繪制所需的所有二維和三維圖形并完成仿真
14周 同上
15周 撰寫說明書
16周 準(zhǔn)備答辯
報告人：
年 月 日
指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師：
年 月 日
開題報告應(yīng)根據(jù)教師下發(fā)的設(shè)計（論文）任務(wù)書，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨立撰寫。
重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 文獻(xiàn)綜述
磁流變液動壓軸承的設(shè)計
重慶理工大學(xué) 機械工程學(xué)院 10904020505 鄧?yán)?
摘要： 磁流變液動壓軸承的是基于滑動軸承，將潤滑油中添加磁流變液，再添加磁場，根據(jù)雷諾方程改變磁場強度使液體粘度改變，從而引起軸承與液體之間的摩擦力改變，來實現(xiàn)可控制的滑動軸承。在此之前要先研究磁流變液傳輸機制，提出磁流變液動壓軸承的設(shè)計方案，設(shè)計具體結(jié)構(gòu)，基于雷諾方程和磁流變特性，推導(dǎo)不同狀態(tài)下的動壓性能與磁場的關(guān)系，進(jìn)而獲得軸承的具體控制方法。磁流變液動壓軸承讓原來的動壓軸承具有更多的功能可以在很多不同的場合下工作。
ABSTRACT：Magnetorheological fluid dynamic pressure bearing is based on sliding bearing,Add the magnetorheological fluid in the lubricating oil,and Add field,According to the Reynolds equation for changing the magnetic field strength so that the liquid viscosity changes,In order to cause the change of friction between bearing and liquid,Implementation of the sliding bearings control. Must first study of magnetorheological fluid transmission mechanism before, magnetorheological fluid dynamic pressure bearing design scheme is proposed, the specific design of the structure, the Reynolds equation and the magnetic Rheological characteristics based on the derived under different conditions, the relationship between pressure properties and magnetic field, the control methods and bearing.Magnetorheological fluid dynamic pressure bearing for the original dynamic pressure bearing has more functions can work in many different situations.
1、 動壓軸承簡介
根據(jù)滑動軸承兩個相對運動表面油膜形成原理的不同?？煞譃榱黧w動壓潤滑軸承（也稱動壓軸承）和流體靜壓軸承（也稱靜壓軸承）。一般討論的是流體動壓潤滑軸承，它通過軸和軸承的相對運動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。在液體潤滑條件下，滑動表面被潤滑油分開而不發(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)稱為滑動軸承材料。常用的滑動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)用場合和要求而定。以液體作潤滑劑的徑向軸承按潤滑膜的厚薄分為薄膜潤滑軸承和厚膜潤滑軸承。和滾動軸承相比，滑動軸承具有承載能力高、抗振性好，工作平穩(wěn)可靠，噪聲小，壽命長等優(yōu)點，它廣泛用于內(nèi)燃機、軋鋼機、大型電機及儀表、雷達(dá)、天文望遠(yuǎn)鏡等方面。常見滑動軸承如下圖：
2、 磁流變液簡介
1、 磁流變液定義：磁流變液（Magnetorheological Fluid , 簡稱MR流體）屬可控流體，是智能材料中研究較為活躍的一支。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條件下呈現(xiàn)出低粘度的牛頓流體特性；而在強磁場作用下，則呈現(xiàn)出高粘度、低流動性的Binghan體特性。由于磁流變液在磁場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度與磁場強度具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，因此是一種用途廣泛、性能優(yōu)良的智能材料。
2、 磁流變液應(yīng)用范圍：目前，磁流變液已經(jīng)開始應(yīng)用于研磨（拋光）工藝、閥門和密封、家庭健身器、機械手的抓持機構(gòu)、裝配車間不規(guī)則形體的依托架、以及自動化儀表、機器人的傳感器和采礦、印刷等行業(yè)。在其眾多應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，研究最多、發(fā)展最快的應(yīng)用領(lǐng)域是汽車座位減振器、剎車器、主動驅(qū)動器以及土模機構(gòu)減振器。
3、磁流變液應(yīng)滿足的指標(biāo)
（1） 零磁場粘度低，以便使其在磁場作用下，具有同等剪切屈服強度增長時，具有更大的可調(diào)范圍。
（2） 強磁場下剪切屈服強度高，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，以使磁流變液減振器作為主動和半主動控制器時，基本不存在時遲問題。
（6） 抗沉降性好，長時間存放應(yīng)基本不分層。
（7） 能耗低，在較弱的磁場下可產(chǎn)生較大的剪切屈服強度。
（8） 無毒、不揮發(fā)、無異味，這是由其應(yīng)用領(lǐng)域所決定的。
3、 磁流變液的發(fā)展前景
1、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勁的發(fā)展勢頭,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。511 磁流變液應(yīng)用于阻尼元件由于磁流變液能夠產(chǎn)生強大的阻尼力,而且磁流變液阻尼器可以根據(jù)外部的振動環(huán)境不同調(diào)節(jié)磁場強度,很容易改變減振系統(tǒng)的阻尼和剛度,可達(dá)到主動減振的目的,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年的第五屆國際電流變液、磁流變液及相關(guān)技術(shù)研討會上展示了一種應(yīng)用磁流變液技術(shù)的卡車座位減振器,減振器全長為15cm,在磁場區(qū)域內(nèi)有效的流體量僅為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在崎嶇道路上駕車的危險性。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。Lord公司設(shè)計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)中的一個新應(yīng)用,Marathe[19]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,而在向前飛行時如果空氣動力阻尼足夠,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[20]對一種用于直升飛機旋冀系統(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、單個或成對使用、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[21]建立了磁流變阻尼器的非線性力學(xué)模型。
2、 磁流變液應(yīng)用于控制元件磁流變液可以做成優(yōu)良的敏捷控制元件,應(yīng)于汽車、航空航天、機械制造、礦山等工業(yè)中,在可控機械部件間傳遞力或力矩。在這一類的磁硫變液元件中,離合器、制動器都是典型的例子。另外,磁流變液還可以做成磁流變可控閥門,利用磁流變液在磁場作用下在液態(tài)固態(tài)間可逆變化的特性,控制液壓回路的開合。利用該特征可設(shè)計成控制阻力大小的伸縮缸,由于這種結(jié)構(gòu)在外部回路中建立專門的控制閥,可控性非常好,而且反應(yīng)比較敏捷,可在大力矩、大行程的結(jié)構(gòu)中使用。利用磁流變液在磁場作用下發(fā)生固化的特征,可對形狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的工件進(jìn)行定位和夾緊,以保證加工精度并減少非加工工時,這樣可以開發(fā)柔性夾具。由于典型磁流變液的屈服應(yīng)力為80～100Pa,這對柔性夾具來說還不夠,利用加壓的方法迫使液體微觀結(jié)構(gòu)由單鏈變?yōu)榇执蟮闹鶢?在中等磁場的作用下使其屈服應(yīng)力達(dá)到800Pa以上,從而滿足夾具的承載能力要。
4、 軟件應(yīng)用簡介
SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內(nèi)，當(dāng)初的目標(biāo)是希望在每一個工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實體模型設(shè)計系統(tǒng)。從1995年推出第一套SolidWorks三維機械設(shè)計軟件至今，至2010年已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由300家經(jīng)銷商在全球140個國家進(jìn)行銷售與分銷該產(chǎn)品。1997年，Solidworks被法國達(dá)索（Dassault Systemes）公司收購，作為達(dá)索中端主流市場的主打品牌。
5、 總結(jié)
磁流變液動壓軸承由于是在全液體條件下工作，因此軸承應(yīng)該選取流體潤滑的動壓軸承，例如液體動壓止推軸承、液體動壓徑向軸承等，液體動壓推力軸承是由若干個油楔組成的推力軸承，其承載能力為各油楔油膜壓力之和，常用于水輪機、汽輪機、壓氣機等中等以上速度的設(shè)備(如推力滑動軸承、對開式徑向滑動軸承)。動壓止推軸承結(jié)構(gòu)如下圖所示：
對開式徑向滑動軸承結(jié)構(gòu)圖：
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