时变非连续场作用下磁流变液动力传递机理及热流特性研究

This project takes hollow transmission structure as object, and researches the transmission mechanism and heat transfer characteristic of magnetorheological fluid under the application of time-varying discrete magnetic field to solve the heat dissipation problem of high power transmission. The kinetic characteristic and accumulation rule of particles under the application of time-varying discrete magnetic field is researched, the force models of particles, clusters, walls and carrier fluids are analyzed respectively, and the transmission mechanism is obtained. The hollow transmission and heat dissipation structure is designed and optimized. The boundary gradient characteristics under the application of time-varying discrete magnetic field is analyzed, the heat generation/transfer/disappear mechanism is researched, and the heat characteristic of magnetorheological transmission is obtained. The micro-particle reversible coated process is analyzed, and the direct addition preparation method is developed and optimized to obtain the novel high temperature resistant magnetorheological fluid and further improve the power transmission capacity. The experiment research of high power magnetorheological transmission device with the time-varying discrete magnetic field is developed. The research results provide the theory and method on the design of high power magnetorheological transmission device.

本项目针对磁流变液大功率动力传递过程中的散热难题，以中空盘式传动结构为对象，开展时变非连续场作用下磁流变液动力传递机理及热流特性研究。主要内容包括：分析时变非连续场作用下微观颗粒运动特性及积聚规律，建立颗粒、团簇体、壁面及基载液间相互作用模型，揭示其动力传递机理；设计并优化中空式传动及散热结构，分析非连续场作用边界的渐变特点，探究工作过程中热量产生/流动/散失机制，获得磁流变传动的热流特性；分析微观颗粒表面活性剂可逆包覆特点，优化磁流变液直接添加法制备工艺，制备高温传动用磁流变液，进一步提升磁流变液动力传递能力；开展基于时变非连续场的大功率磁流变传动装置性能实验研究。本项目的研究成果可为大功率磁流变传动装置的研制提供新的理论和方法。

为解决大功率磁流变液动力传递过程中的散热难题，本项目综合利用理论分析、数值模拟和实验研究等方法，对时变非连续场作用下磁流变液传动机理及其热流特性进行了研究。揭示了不同磁场强度、颗粒质量分数下磁流变液微观结构的演化规律，即颗粒链随磁场增大逐渐加粗，随颗粒质量分数增加由短链连接为长链乃至聚合形成网状；对比分析了偶极子模型在不同颗粒大小、数目、间距，以及不同剪切角度和不同磁场强度下的误差规律，并在此基础上对其进行了优化，提高了剪切屈服应力计算的准确性；探究了壁面滑移产生的原理，发现沟槽密度增加可抑制壁面滑移，沟槽深度在0.1mm-0.5mm间屈服应力最大；发现了沉降主要发生在制备完成后的48小时内，而触变剂气相二氧化硅与硅烷偶联剂将有效提高磁流变液的沉降稳定性，使用多种筛选后的表面活性剂复配制备了高沉降稳定性的磁流变液；分析了颗粒粒径、质量分数等材料性质和剪切速率、温度等工况对剪切屈服应力的影响并制备了大功率传动用磁流变液；研究了时变非连续场下动力传递系统的热流特性，提出了新型的中空+导磁柱组传动和散热结构，基于该结构开发了水冷式磁流变传动装置及其控制系统，实现了高效散热和稳定控制。本项目获得的剪切屈服应力计算模型、多种磁流变液材料、中空+导磁柱组盘式传动结构和相应的控制策略，为磁流变液动力传递系统提供了坚实的理论基础、高性能的传动介质和可靠的应用依据。在上述研究成果的基础上，本项目还将磁流变液动力传递由单一剪切模式向挤压-剪切复合模式延伸，以进一步提高磁流变液动力传递系统的功率。在本项目的资助下，发表论文12篇，其中SCI检索11篇，申请或授权专利10件，培养硕士博士共13名。本项目的研究成果有效提升了磁流变液动力传递功率，可满足机电设备的软起动、调速、软制动等需求，有利于提升机电设备的智能化水平、提高能源利用率，展现出较高的经济价值和社会意义。