1.1.3 磁流变液的发展概述

美国学者Rabinow于1948年发现磁流变液，1951年申请了磁流变液传动技术相关专利[27]。但之后主要研究方向集中于电流变液等智能材料，直至20世纪80年代科研人员重新投入对磁流变液材料的研究，20世纪90年代起它成为了一种被深入研究的新型智能材料。近年来，磁流变液技术得到了快速的发展和广泛的应用，包括磁流变液阻尼器、磁流变抛光、磁流变液阀、磁流变液制动器、柔性卡具、建筑和桥梁的减震器[28, 29]，如图1.4所示。

图1.4 磁流变液的主要应用形式

实际工程应用中，磁流变液的工作模式主要有阀模式、剪切模式和挤压模式，如图1.5所示。

1）阀模式。如图1.5a所示，在外界压力作用下，磁流变液在一对相对静止的平板磁极间运动，磁场垂直于平板并穿过工作间隙中的磁流变液。通过控制磁场强度来改变磁流变液的黏度，从而调节为磁流变液施加压力的结构所受到的阻力大小，达到控制输出阻尼的目的。这种工作模式通常被用来设计磁流变液控制阀、制动器和减震器等。

2）剪切模式。图1.5b中，磁流变液置于相对运动的两平板之间，两平板做平行于磁流变液流动方向的相对移动或转动，从而带动磁流变液作剪切运动，磁场方向垂直于两平板相对运动方向。该工作模式下，调节磁场强度可以改变磁流变液的应力-应变特性，实现对其剪切阻尼力的调节与控制。工程应用中，通常利用该模式制成离合器、制动器等。

3）挤压模式。如图1.5c所示，磁流变液同样置于相对运动的平板之间，但两平板的相对运动方向与磁场方向相同或相反，磁流变液受到挤压力作用而流动，其流动方向垂直于磁场方向，从而改变了推动平板相对运动的活塞所受阻尼力的大小。该模式下平板间的相对运动位移只需达到毫米级，便可以产生很大的阻尼力，在工程中一般被用来研制振幅较小、阻尼力较大的阻尼器。

图1.5 磁流变液常见的工作模式

1.磁流变液阻尼器

磁流变液阻尼器是一种阻尼力连续可调的新型装置，具有控制能耗低、工作电压低、响应快、使用安全等优良特性，又因其结构轻巧可适用于机器人等小型设备中[30, 31]。磁流变阻尼器按照结构形式不同可分为圆盘式和活塞式两种[32]，主要应用于振动控制场合，如桥梁、车辆、工程机械等，其中美国Lord公司、Ford公司、马里兰大学的技术已经比较成熟。美国Lord公司是国际上最大的磁流变液产品生产厂商，已有多种类型的磁流变阻尼器在市场上销售。图1.6所示为LORD RD-8040-1系列磁流变阻尼器，适用于工业悬架，通过改变磁场强度来控制磁流变液的屈服应力，从而得到连续、可控的阻尼力[33]。

图1.6 LORD RD-8040-1系列磁流变阻尼器

国内对于磁流变阻尼器的研究起步较晚，但近年来各高校的研究同样取得了一定的成果。南京航空航天大学针对常规阻尼器存在的缺点，设计了一种如图1.7所示的挤压式半主动磁流变阻尼器，对其进行结构和磁路设计以及阻尼力数学模型建立，并测试了实验样机的性能[34]。华东交通大学胡国良等人针对车用半主动式磁流变减振悬架系统中的因磁流变阻尼器与传感器分离式装配带来的空间利用率低、精度差和抗干扰性差等问题，设计了一种位移差动自感式磁流变液阻尼器，采用内、外双线圈产生感应电压的方式来控制励磁电流，利用线圈之间的差动构建模型，并搭建试验台进行测试，结果表明磁流变阻尼器的位移与自感应电压呈线性关系[35]。

图1.7 挤压式半主动磁流变阻尼器

2.磁流变抛光

磁流变抛光通过超强磁场作用提高磁流变液的剪切屈服强度及其流变特性等物理属性，完成零件表面的高精度、高效率和无损伤加工。它耦合了流体力学、电磁学、流变学、化学等多门学科理论，是对传统机械加工的一种拓展，对现代制造技术的发展具有重要意义[36, 37]。磁流变抛光工作原理如图1.8所示，待抛光工件放置于运动盘上方，两者之间的间隙内充满磁流变液。工件抛光过程中，向磁流变液施加高强度的梯度磁场，致使磁流变液从Newton流体变成黏度较大的Bingham流体，磁流变抛光液中的磁敏粉粒沿着磁场分布线形成链状结构，磨料会依附在铁粉链状结构表面，从而具有强剪切力，在工件运动过程中，通过流体动压剪切实现工件表面的材料去除，实现柔性抛光。

图1.8 磁流变抛光工作原理图

日本秋田县立大学[38, 39]采用磁性复合流体抛光轮进行抛光加工，能够提高抛光效率，降低表面粗糙度，提高工件的表面加工质量。广东工业大学阎秋生等[40]提出集群磁流变抛光技术，其工作原理如图1.9所示，将永磁体均匀地嵌入到绝磁材料制成的抛光盘中，磁流变抛光液中的磁性磨料会在磁场作用下形成抛光垫层，根据集群效应，在每个磁极处形成研磨液堆积突起，由此形成抛光微磨头，随着工件主轴的转动，工件与微磨头之间发生剪切，从而实现表面材料去除。

图1.9 集群磁流变抛光工作原理