磁场作用下锰锌铁氧磁流体承载能力试验研究.pdf

第3 6 卷第6 期 2 0 0 7 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 6N o ．6 N o v ．2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 6 0 8 3 3 0 4 磁场作用下锰锌铁氧磁流体承载能力试验研究 王利军，郭楚文，杨志伊 中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 2 2 1 1 1 6 摘要通过对M S - 8 0 0 四球试验机油杯的改进，在测试区域内产生可调磁场t 利用改进后的油杯 在四珠机上测定磁场作用下添加锰锌铁氧纳米磁性颗粒润滑油的承栽能力．结果表明外加磁场 作用下，磁性液体的摩擦学性能得到较大改善，首先磁性液体黏度值随磁场强度的增强而增大， 从而提高了添加锰锌铁氧体磁性颗粒润滑油的综合磨损值，最大可迭基础液的1 ．4 3 倍；其次纳 米磁性颗粒中的z n 元素可使润滑油的最大无卡绞负荷P e 值提高5 0 ％，烧结负荷尸。值提高 i 0 0 ％． 关键词锰锌铁氧体磁流体；润滑；综合磨损值 中图分类号T H1 1 7 ．1 文献标识码A E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nL o a dC a p a c i t yo f M n o ．7 BZ n o ．2 2F e 20 4M a g n e t i cF l u i di naM a g n e t i cF i e l d W A N GL i - j u n ，G U OC h u - w e n ，Y A N GZ h i y i S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ．C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t Ac o n t r o l l a b l ea n dv a r i a b l em a g n e t i cf i e l dw a sf o r m e db yi m p r o v i n gt h eo i lc u po ft h e M S - 8 0 0f o u r - b a l lt e s t e r ． B yt h ei m p r o v e df o u r - b a l l t e s t e r ，t h el o a d c a p a c i t y o f M n o7 B Z n o ．2 2 F e 2 0 4m a g n e t i cf l u i dw a st e s t e di nt h em a g n e t i cf i e l d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt r i b o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h el u b r i e a o ta d d i n gM n 07 8Z n o ．2 zF e 20 4n a n o p a r t i c l e sw e r ei m p r o v e d c o n s i d e r a b l yw i t ht h ee f f e c to fm a g n e t i cf i e l d ．T h ev i s c o s i t yo fm a g n e t i cf l u i di n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go fm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h ．T h ec o m p r e h e n s i v ew e a rv a l u ew a si m p r o v e dg r e a t l y ， a n dt h eb i g g e s tc o m p r e h e n s i v ew e a rv a l u eo fM n o7 s Z n o2 2 F e z 嘎m a g n e t i cf l u i di s1 4 3t i m e so f t h eb a s eo i l ．T h eZ ne l e m e n tc o n t e n t e di nt h eM n o7 BZ | l oz 2F e 2 qn a n o p a r t i c l e si m p r o v e st h e l o a dc a r r y i n gc a p a c i t yP Ba n dP D o fl u b r i c a n t ，w h i c ht h eP si si n c r e a s e db y5 0 ％，a n dt h eP o i s i n c r e a s e db y1 0 0 ％． K e yw o r d s M n o7 B Z 山∞F 8 2 0 4 m a g n e t i cf l u i d ；l u b r i c a t i o mc o m p r e h e n s i v ew e a rv a l u e 纳米颗粒具有尺寸小、比表面积大、表面键形 态不同于颗粒内部、表面原子配位不全及表面活性 强等特性，在高技术新材料领域具有重要的研究 和应用价值．正因如此，针对纳米微粒摩擦学性能 的研究受到了广泛关注”3 1 ．业已发现，纳米颗粒 作为润滑油添加剂通常表现出良好的抗磨性能、优 异的极压性能和一定的减摩性能⋯3 ；此外，纳米 材料在磨损表面的沉积可能对磨损表面起一定的 修复作用‘“． 纳米磁性颗粒具有磁性材料的特性，将其作为 收稿日期2 0 0 6 1 1 2 8 基金项目目家高技术研究发展计射 8 6 3 项目 2 0 0 Z A A 3 0 2 6 0 8 作者简介王利军 1 9 8 1 一 ．男．河南省焦作市 - 博士研究生，从事磁漉体润精方面的研究． E - J b w a n 9 1 1 2 6 ．t o m T e l 1 3 9 1 2 0 4 2 3 5 1 万方数据 中国矿业大学学撮 第3 6 卷 润滑油的添加剂，具有良好的摩擦学性能，提高基 础油的抗磨和承载能力‘’“。并且具备普通润滑剂 不具备的一系列优点如，良好的自密封性能，不发 生泄漏，不产生污染等，有非常好的应用前景． 目前对磁性渡体润滑的研究很少涉及磁场作 用下纳米磁性液体润滑性能的研究。“，而关于变磁 场强度下磁性液体润滑性能的研究则更少，因此本 文对处于外磁场作用下的磁流体的润滑性能进行 了试验研究，利用改进的M s _ 8 0 0 立式四球机，测 试了外加磁场下不同浓度M n 。。z r I 。．”F e z O 。磁流 体的综合磨损值，并使用改进旋转黏度计测定了相 应磁流体的黏度 从理论上结合R o s e n s w e i g 模型， 分析了试验结果．得出外加磁场可以进一步改善铁 磁流体的润滑性能，综合磨损值 Z M Z 最大可提 高至原来的1 ．4 3 倍等重要结论． 1试验 11 摩擦学性能试验 采用M S - 8 0 0 立式四球试验机 厦门试验机 厂 ，按照G B - T ．1 2 5 8 3 1 9 9 8 对添加 M n o 7 8 Z n 。F e 。0 4 磁性颗粒的润滑油 锰锌铁氧磁 流体 进行摩擦性能试验；并测量了最大无卡咬负 荷 P 。 和烧结负荷 P 。 ，计算得到综合磨损值 Z M Z ．试件均采用直径1 2 ．7m m ，硬度5 8 ～6 2 H R C 的G C r l 5 标准钢球，主轴转速14 5 0r ／r a i n ． 以4 6 8 汽轮机油为基载液，配置了M ‰Ⅲz n 。2 2 F e 。O 。质量分数为0 ．5 ％，1 ％，3 ％和6 ％的磁流 体，并测定相应浓度磁流体承载能力随磁感应强度 的变化规律． 为了得到一个可调磁场，本试验将四球机油杯 进行了改进，磁路设计如图l 所示，在一块不锈钢 环上打l O 个直径为6m m 的通孔，可以将磁铁镶 在孔中，安装磁铁时，一侧N 极朝上．另一侧s 极 朝上，下面为工业软铁，上面2 个为极靴，极靴材料 也为工业软铁，在2 极靴之问形成磁回路．磁场的 大小通过改变镶嵌磁铁的数目来调节，图2 为改进 油杯的装配图照片． 图l 可凋磁场结构示意图 F i g ．1 A d j u s t a b l em a g n e t i cf i e l d 图2 改进油韦f 装配图片 F i g ．2I m p r o v e do l lc u p 1 ．2 磁性液体黏度试验 在2 8 ℃的恒温条件下，采用经改进的旋转式 黏度计⋯，测定得出M n o 。。z n 0 F e 2 0 。质量分数 为0 ．5 ％，1 ％，3 ％和6 ％的M n 8 Z n o ，2 2 F e 2 Q 磁 流体在不同的磁感应强度下的黏度曲线． 2试验结果 2 ．， 锰锌铁氧磁流体对润蒲剂极压性能的影响 试验测得4 64 汽轮机油的最大元卡绞负荷P B 为4 9 0N ．图3 为不同M n 。，g Z n ㈣2 F 戢O 。质量分数 磁性液体的最大无卡绞负荷值与磁感应强度之间 的关系曲线，结果表明，纳米磁性颗粒的加入可以 提高润滑油的P 。值，但是当M n o ，。Z n w F e 20 4 质 量分数增大到一定量 本试验为1 ％1 后，P e 值就 不再继续增加；P 。值增大的原因为锰锌铁氧体磁 性颗粒中锌元素的化合物可以起到极压剂的作用． 7 4 0 6 4 0 圣5 4 0 4 4 0 万方数据 第6 期王利军等，磁场作用下锰锌铁氧磁流体承载能力试验研究 的摩擦学性能．对于M f l o ．，。Z n o z F e 。O 。质量分数 大于1 ％的磁性液体随着磁感应强度的增大其P e 值和P D 值将不在增大． 18 0 0 ‘ 1 6 0 0 ●．．．．．．．- ．．．．．．．．．．．- ．．．- - 一 1 4 0 0r 1 2 0 0 卜‘‘o 圣一8 0 0 C．．／卜一‘- - ．．．．．．．，／ 6 0 04 - ．- “M n o7 拉l 】0 0 2 F e 2 0 4 P 3 ％，6 ％ 4 0 0 } 一“M n o 证m2 2 F e 舢产I ％ 2 0 0r 一叫M 虬7 s z l l o n F e l 0 4 - O5 ％ 0l - - - - - - - - - - J - - - - - - - - - - J - - ．- - - - - - - - L - - - - - - - - 、L - - - - - - 一 1 0 2 0 3 04 05 0 礁愚应强厦／m T 图4各组分油在不同磁感应强度下的烧结负荷值 F i g ．4 L o a dc a r r y i n gc a p a c i t yP Do fl u b r i c a n t s u n d e rd i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l d s 2 ．2 综台磨损值 图5 为不同M n o ．，s Z I l 。．2 2 F e 2 0 t 质量分数磁性 液体的综台磨损值与磁感应强度之间的关系曲线， 可以看出，在不同的磁场强度下，基载液的综台磨 损值为1 9 9 ．9 2N ，不受磁场影响；相同质量分数 M n ”s z l l 。z F e 。0 4 磁流体的综合磨损值随磁感应 强度的增强而增加} 在同～磁感应强度下，质量分 数大的磁流体综合磨损值要优于质量分数小的磁 流体．经过计算，在磁感应强度为4 5m T 的时候， M I l ot 8 Z n o 。F e 。O 。质量分数为6 ％磁流体的综台 磨损值相对于同样条件下的基础液 4 6 8 汽轮机 油 增大了4 2 ．8 ％． 螽 疆 差 错 磺感应强厦／r a t 图5 综合磨损值与磁感应强度关系曲线 F i g ．5 R e l a t i o nb e t w e e nl o a dc a p a c i t ya n dm a g n e t i cf l i e d 圈5 中还可以看出M n o7 8 Z n 0 2 F e z0 4 质量分 数为0 ．5 ％纳米磁性液体的综合磨损值有一个明 显的拐点，同样在M n ”s Z n oz z F e 2 0 。质量分数为 0 ．5 ％磁性液体的最大无卡绞负荷P 。 图3 也存 在一个拐点，鉴于润滑油添加剂分子中的z n 原子 能够赋予润滑剂以良好的极压和抗磨性能，因此可 以推测综合磨损值增大原因之一就是由于其中含 有一定量的Z n 元素，从而提高了基础油的承载能 力．图6 显示的是磁感应强度为0m T ，不同质量分 数的锰锌铁氧磁流体的综合磨损值，可以看出随着 浓度的增大，磁性液体的综合磨损值增大．其中， M n o ，。Z n o F e O 。质量分数为6 ％的磁性液体综 合磨损值要比基础液的综合磨损值提高4 0 蹦．根 据润滑理论分析，润滑剂的黏度与其承载能力有密 切的关系，当润滑油中分布有纳米颗粒的时候，其 油膜黏度增大、厚度增加，从而改善了油品的抗磨 减摩性能和承载能力．对磁性液体的黏度与承载能 力的关系将在后面进行讨论． 嚣匠 v 琅 1 可5 ≠ ， 1 ， 芒 ￡ 越 蒋 d M T l 0 ，拉～2 2 F e O 栅 图7 磁流体黏度与质量分数的关系曲线 F i g ．7 R e l a t i o nb e t w e e nv i s c o s i t ya n dc o n c e n t r a t i o no f M n o7 s Z n o ㈣F eqm a g n e t i cf l u i d 图8 是磁场作用下磁性液体黏度变化曲线，可 以看出磁流体的黏度随外加磁场的增强而逐渐增 大，呈现非牛顿流体的特性；原因在于，分散相磁性 颗粒的磁化矢量M 总是和外磁场强度矢量H 一 致，所以分散相颗粒的微电流环平面垂直于外磁 场方向．在2 种极端的情况下1 如果润滑油的涡 旋矢量与外磁场强度矢量相平行，则当分散相颗粒 旋转时，它的微小电流环不切割磁力线，因而不产 生驸加的磁力矩，这就表现为外磁场对磁流体不发 生影响．2 如果润滑油的涡旋矢量与外磁场强度 矢量相垂直，则当分散相颗粒旋转时，它的微电流 万方数据 8 3 6中国矿业大学学报 第3 6 卷 环就会受到磁力矩的作用，这个力矩总要阻止分散 相颗粒旋转，从而造成分散介质与分散相颗粒之间 的旋转速度差增大，也就是两相间的摩擦应力增 加，从而在宏观上表现为磁流体的黏度增加．而磁 场力是控制雅粒运动的一种因素，所以存在外磁场 时，磁流体的黏度必然会发生变化．实际情况介于 两者之间，所以说磁性液体的黏度必然会增大． “M n o ，正1 1 0 M F e 2 0 4 6 ％ f 正 E 魁 椽 张露应强度f m l 图8各组分油在不同磁感应强度下的黏度值 F i g ．8V i s c o s i t yo fl u b r i c a n tu n d e r d i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l d s R o s e n s w e i g 模型分析。”认为，磁流体的动力 黏度很大程度决定了其承载能力，黏度越大，其承 载能力就越大，润滑性能越好．由此可知磁性液体 综合磨损值的提高的另外一个原因就是由于磁流 体在磁场的作用下黏度增加所敛． 3结论 1 添加纳米磁性颗粒以后，将纂础液的最大 无卡绞负荷P 。最大提高了2 6 ％，烧结负荷P o 最 大提高了1 0 0 ％，最大无卡绞负荷提高的原因在于 磁性液体中的软金属Z n 的作用． 2 基载液的综合磨损值不受磁场影响．而 M n o ．。Z n o 。F e O 。磁流体的综合磨损值随着磁场 强度和质量分数的增大，呈非线性增加的趋势，综 台磨损值最大提高至基础液的1 ，4 3 倍． 3 纳米磁性液体综合磨损值提高的主要原因 有以下2 个原因，一方面是由于纳米磁性液体在磁 场作用下黏度增加} 另一方面是润滑剂的最大无卡 绞负荷P s 的提高，也提高了综台磨损值． 参考文献 [ 1 3 于伟，傅洵．台纳米银有机流体的制备及其摩 擦学性能研究[ J ] ．摩擦学学报，2 0 0 4 ，2 4 5 ；4 2 5 4 2 8 ． Y UW e i ．F UX u n ．P r e p a r a t i o na n dt r i b o l o g i c a lb e - h a v i o ro fo r g a n i cf l u i dc o n t a i n i n gs i l v e rn a n o p a r t i c l e s E J 3 ．T r i b l o g y ，2 0 0 4 ，2 4 5 4 2 5 4 2 8 ． [ 2 ]欧雪梅，葛长路，汪剑．等．润滑油添加剂分散纳 米铜的摩擦学性能[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 5 ， 3 4 5 6 4 0 6 4 3 ． O UX u e - m e i ．G EC h a n g l u ．W A N GJ i a n ，e ta 1 ．T r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fN a n oc o p p e rp o w d e dd i s p e r s e d b ya d d i t i v e so fl u b r i c a n t [ J ] ．J o u r r r a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ．2 0 0 5 ，3 4 5 6 4 0 - 6 4 3 ． [ 3 3 朱佳媚，刘维民，褚睿智，等．桥联环三磷嗪用作润 滑油掭加刹的摩擦学特性[ J ] ．中国矿业大学学报， 2 0 0 5 ．3 4 6 ，7 8 9 7 9 2 ． Z H UJ i a - m e i ．L I UW e i - m i n 。C H UR u i - z h i ，e ta 1 ． T r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s o fb r i d g e d e y c l o t r i p h o s p h a z e n ea sl u b r i c a t i n g 幽1a d d i t i v e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n a U n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g y ．2 0 0 5 t3 4 5 7 8 9 7 9 2 ． r 4 ] T A R A S O VS ，K I 。U B A E VA ．B E L Y A E VS ，e t a 1 ．S t u d yo ff r i c t i o nr e d u c t i o nb yn a n o e o p p e ra d d i t i v e st om o t o ro i l [ J ] ．W e a r 。2 0 0 2 ．2 5 2 6 3 6 9 ． [ 5 3Q I USQ ．c H E NGx ．P r e p a r a t i o no fN in a n o p a r t i t i e sa n de v a l u a t i o no ft h e i rt r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c e a sp o t e n t i a la d d i t i v e si no i l s [ J ] ．J o u r n a lo fT r i b o l o g Y ，2 0 0 1 。1 2 3 4 4 1 4 4 3 ． [ 6 3L I A NYF 。Y UL G ．X U E QJ ．T h ea n t i w e a ra n d e x t r e m ep r e s s u r ea c t i o nm e c h a n i s mo fC e Ri ng r e a s e [ J ] ．L u b r i c a t i o nS c i e n c e ，1 9 9 6 ，8 4 l3 7 0 3 8 8 ． [ 7 3 S H A HR A J E S HC ，B H A TMV ．F e r r o f l u i ds q u e e z e f i l mi nal o n gj o u r n a ib e a r i n g [ J ] ，T r i b o l o g yI n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 4 ，3 7 4 4 1 4 4 6 ， E 8 ] S H A HR A J E S HC ．B H A TMV ．F e r r o f l u i dl u b r i c a t i o ni np o r o u si n c l i n e ds l i d e rb e a r i n gw i t hv e l o c i t ys l i p [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM e c h a n i c a lS c i e n c e s ， 2 0 0 2 ．4 4 2 4 9 5 2 5 0 2 ． ’ [ 9 3 杨志伊- 王坤东．磁场中磁流体黏度测试系统的实 现[ J ] ．机械工程材料，2 0 0 3 ．2 7 5 2 2 2 5 ． Y A N GZ h i - y i 。W A N GK u n - d o n g ．R e a l i z a t i o no f m e a s u r i n gs y s t e mo fv i s c o s i t yO fm a g n e t i cf l u i d si n m a g n e t i cf i e l d [ J ] ，M a t e r i a l sf o rM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，2 7 5 2 2 2 5 ． [ 1 0 3 池长青，壬之珊，赵丕智．铁磁流体力学[ M ] ．北 京北京航空航天大学出版社，1 9 9 3 ． 责任编辑姚志昌 万方数据