基于磁流体密封的液/气混合支撑与润滑设计

Magnetic fluid is a kind of magnetic material with flowability. It can be concentrated and positioned under magnetic field, producing excellent gas sealing effect. The idea of this study is to fabricate magnet array on the rubbing surface, which may adsorb magnetic fluid on the magnet forming closed liquid structures. With the effect of magnetic field, magnetic fluid will be magnetized, generating liquid supporting force. Meanwhile, the gas sealed by closed magnetic fluid structures can provide supporting capacity further. The mixed supporting capacity supplied by the liquid-gas may be significantly higher than that of the single magnetic fluid support. Thus, the direct contact between friction pairs can be avoided and low friction may appear even at static or low sliding speed. The assumption will be verified by experiments in order to obtain the main effects on the supporting and lubricating properties, and to discover the co-operative mechanism between the supporting and lubricating during the movement. The theoretic and practical achievements of this study would be significant for solving the “cold welding” as well as the “creep” phenomenon at low speed, especially in precise sliding mechanism.

磁流体是一种具有流动性的磁性材料。在外磁场作用下，它可以被聚集、定位，产生优良的气体密封效果。本研究所谓“基于磁流体密封的液/气混合支撑与润滑”的设想为，在摩擦副表面构筑磁体单元阵列，使磁流体在摩擦副表面形成封闭的液体结构。在磁场作用下的磁流体，除自身磁化、内聚产生液体支撑力外，被磁流体密封于其液体结构内的气体将进一步提升支撑能力，所形成的液/气混合支撑力显著高于单一液体支撑，从而避免摩擦副的直接接触，在静止或低速状态下实现低摩擦。. 研究从表面磁场的模拟优化、液/气静支撑力的理论分析入手，以此为基础，在支撑表面设计加工相应的磁体结构单元，验证基于磁流体密封的液/气支撑和润滑的可行性，获得影响支撑和润滑效果的关键因素，并揭示两者在界面运动过程中的协同机制。通过优化界面磁场，明确磁流体密封坝的形态及分布规律；以实验为基础，揭示液/气混合支撑力与界面各物理参数间的内在对应关系，确保被支撑面的有效悬停和精准定位；实现固/液/气多元界面支撑与润滑的调控。该设想的成功，将为解决精密滑动机构中常出现的“冷焊”及“爬行”现象提供设计依据。.

实现低摩擦是人类永恒的追求。液/气支撑润滑是实现低摩的有效途径。考虑到磁流体优异的润滑特性，结合液体的静磁支撑和密封气体支撑，申请人提出了基于磁流体密封的液/气混合支撑润滑系统设计。研究初期，以实验为基础探究了单永磁环表面磁流体的液/气混合支撑特性；同时理论分析了影响支撑能力的相关因素。研究发现，相比于磁流体液体支撑，密封气体的参与能够显著增加其承载能力；为了进一步提高支撑能力，提出了多永磁环阵列及嵌套组合的两种结构形式，在相同结构尺寸条件下显著提升了承载能力。在上述研究的基础上，提出了两种面向微小型器件使用的磁流体支撑轴承，对其支撑特性进行了理论分析。研究的最后，开展了永磁环阵列的磁流体支撑及润滑特性研究。设计并加工了两种不同尺度的微小永磁体环阵列，其单包尺度分别为毫米和微米量级。研究结果表明，当阵列表面的磁流体的承载能力高于所加外载荷时，相对运动表面将被磁流体完全隔离开，该支撑结构可在低速条件下获得0.005的低摩擦系数. 本研究提出了一种新的推力支撑方式，对于低摩擦及高精密定位轴承设计具有借鉴意义。