大功率磁流变液传动散热机理及高速动力稳定性研究

This proposal takes magnetorheological fluid transmission as object, and researches the high speed stability and heat radiation mechanism of high power magnetorheological transmission. Based on the particle dynamics theory and high speed camera system with microscope, the particle accumulation rule of magnetorheological fluid in the case of high speed is researched, the high speed transmission properties and the centrifugal force compensating method are studied to reduce the influence of high speed on the stability of magnetorheological transmission; According to the method of heat source disperision and power balance, the multilayer-stack and the arrayed transmission technology is proposed, the heat dissipation model and power transmission model based on the multi-field coupling are also researched to solve the heat radiation problem; the surfactants compounding technology and the combination method betwwen basic liquid displacement displacement and direct addition are put forward, the high performance transmission magnetorheological fluid is prepared, which will reduce the heat radiation difficulty effectively; the high power and high speed magnetorheologcial transmission experimental devices are developed and researched to meet the requirement of high power device speed adjusting for mine and metallurgy. The research results provide an effective method for the design of high power magnetorheological transmission device, and also provide the theory and experiment base on expanding the application area of magnetorheologcial transmission technology.

本项目以磁流变液动力传递为对象，开展大功率磁流变传动散热机理及高速动力稳定性研究。利用颗粒动力学理论及高速摄影显微成像系统，研究磁流变液在高转速状态下的颗粒群积聚规律，探寻磁流变液高速动力传递特性并寻求离心力补偿方法，减轻高转速对磁流变传动稳定性的影响；提出基于热源分散、功率匹配技术的层叠式及阵列式动力传递方案，建立并分析考虑多场耦合的散热及动力模型，以解决大功率传动面临的散热难题；利用所提出的表面活性剂复配技术和基液置换与直接添加相结合的制备工艺，制备传动用高温磁流变液，以减轻大功率传动装置冷却系统的散热压力；搭建高转速大功率磁流变传动试验装置并分析其动力传递特性，以满足矿山、冶金等场合大功率设备的调速起动要求。本项目的研究为开发一种高速大功率磁流变液动力传递装置提供有效方法，并为进一步拓展磁流变传动技术的应用范围提供理论与试验基础。

磁流变液是一种智能材料，主要由软磁性颗粒、基载液和添加剂组成，磁流变液动力传递技术以该智能材料为传动介质，具有反应迅速可逆、控制简单及能耗低、抗干扰能力强等特点，在机电装备软起动和制动、无级调速和过载安全防护等方面具有广阔的应用前景。本项目阐述了磁流变液组成，选择并分析了各组分材料，研究了表面添加剂类型和含量、触变剂类型和含量、基载液类型等对磁流变液沉降稳定性和表观粘度的影响规律，并制备得到多种传动用磁流变液，有效提高了磁流变液的温度适用范围。设计并搭建了小型磁流变液动力传递实验平台，系统研究了磁流变液动力传递稳定性的相关影响因素，获得了转速、温度、颗粒沉降和时间响应的影响规律，为磁流变液动力传递装置的设计提供参考。确定了大功率磁流变液动力传递装置的基本结构和散热方式，提出了多种传动方案，通过分析比较，确定了一种中空+导磁柱组形式的新型传动圆盘，并基于此开发出一种大功率磁流变液动力传递装置，同时对其磁路进行了详细设计分析。总结了磁流变液动力传递装置的三种基本工况，采用计算流体力学分析方法，得到了不同工况下的速度场和压力场分布特征，并研究了旋转速度、进水口流速和位置、导磁柱直径和数量等对流场的影响规律，获得了两种常用工况下的稳态和瞬态温度场，并探讨了装置的极限滑差功率，表明该装置具有优越的散热性能，能够满足大功率动力传递需要。设计并搭建了大功率磁流变液动力传递实验平台，开展了磁流变液动力传递装置性能测试，研究其空载特性、磁致扭矩、动特性、时间响应特性、温度特性，并对其温升特性开展重点分析，得到了不同转速和滑差功率、冷却水流量和进水口位置等因素对工作间隙温度的影响规律，结果验证了所设计的大功率磁流变液动力传递装置传动和散热结构的有效性。本项目所取得的研究成果对于磁流变液动力稳定传递技术的深入研究具有重要的指导意义，能够为大功率磁流变液动力传递装置的设计和应用提供技术支持。