秦 巖，祝世興

(中國(guó)民航大學(xué)，1.職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.航空工程學(xué)院；天津300300)

磁流變液是一種流變特性隨外加磁場(chǎng)的變化而變化的智能材料，通過(guò)對(duì)外界磁場(chǎng)強(qiáng)弱的控制，可在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)改變磁流變液體的流變力學(xué)特性，這一特性對(duì)于動(dòng)力學(xué)主動(dòng)和半主動(dòng)控制非常有用。由磁流變液制成的阻尼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、功耗低、阻尼力大且連續(xù)可調(diào)，是一種典型的可控流體阻尼器，適用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制、飛機(jī)起落架及車輛懸架系統(tǒng)等。通過(guò)對(duì)電流的控制可以很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)以及流變力學(xué)特性的控制，使得磁流變液阻尼器成為最佳的半主動(dòng)控制元件，從而引起工業(yè)界和國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。也使得磁流變液在最近幾年得到飛速發(fā)展，應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品也不斷出現(xiàn)。

本文對(duì)自行設(shè)計(jì)的多環(huán)槽式磁流變阻尼器進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)建模，利用振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成阻尼力特性實(shí)驗(yàn)，并分析了各參數(shù)對(duì)阻尼器阻尼力的影響。為今后磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)及磁路設(shè)計(jì)

1.1 磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)磁流變阻尼器工作模式進(jìn)行分析可知，剪切模式和流動(dòng)模式共同作用(混合工作模式)的磁流變阻尼器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，阻尼效果好。因此，本文提出了基于剪切模式和流動(dòng)模式共同作用(混合工作模式)的一種多環(huán)形槽結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器，其特點(diǎn)是阻尼器的活塞上開(kāi)有若干個(gè)矩形齒狀環(huán)形槽，以增加流動(dòng)阻力。在外加磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁流變液流經(jīng)環(huán)形通道時(shí)，由于環(huán)形間隙的作用，阻尼器的阻尼力隨著磁流變液的粘度變化，會(huì)產(chǎn)生較大的變化?；旌夏Ｊ酱帕髯冏枘崞?，采用類似活塞缸式的結(jié)構(gòu)，活塞與缸體內(nèi)壁間存在環(huán)形間隙，按結(jié)構(gòu)又可分為單出桿活塞缸結(jié)構(gòu)和雙出桿活塞缸結(jié)構(gòu)?；钊囊苿?dòng)引起流體通過(guò)環(huán)形間隙而流動(dòng)，磁流變液在剪切和流動(dòng)的組合模式下工作，電磁線圈可繞在活塞上。該設(shè)計(jì)考慮阻尼器要承受靜載荷，所以采用單出桿結(jié)構(gòu)。采用單出桿活塞缸結(jié)構(gòu)，一方面需要考慮體積補(bǔ)償和熱補(bǔ)償，本設(shè)計(jì)采用了隔膜式蓄能器；另一方面，活塞通過(guò)活塞桿在缸體內(nèi)處于懸臂狀態(tài)，穩(wěn)定性差，本設(shè)計(jì)在活塞桿端部加裝導(dǎo)向盤(pán)。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的磁流變阻尼器的原理圖如圖1所示。活塞桿在缸體內(nèi)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，利用線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)控制磁流變液在阻尼通道中的流動(dòng)特性，從而改變阻尼器上下腔之間的壓力差，實(shí)現(xiàn)阻尼力控制。

圖1 阻尼器工作原理圖

1.2 磁流變阻尼器的磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)目前研究的成果，作用在磁流變液上的磁場(chǎng)方向與磁流變液流動(dòng)方向垂直時(shí)，其效果最佳。因此，這是磁路設(shè)計(jì)要考慮的因素之一，與阻尼器的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。圖2為自行設(shè)計(jì)的多環(huán)形槽結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的磁路結(jié)構(gòu)示意圖。該阻尼器的磁路設(shè)計(jì)特點(diǎn)，是在活塞矩形齒槽工作段讓磁力線與該段磁流變液流動(dòng)方向垂直，用以增大磁場(chǎng)對(duì)磁流變液的作用效果。在工作段a段和b段上，如果導(dǎo)磁缸體的磁阻比較大(大于磁流變液本身的磁導(dǎo)率)，磁力線大部分將從缸體和活塞間隙處的磁流變液中通過(guò)，使得磁力線方向與磁流變液流動(dòng)方向平行，作用效果變差。所以導(dǎo)磁缸體作為磁回路中的一部分，其材料選擇非常重要。根據(jù)以上分析，本次設(shè)計(jì)加大了缸體的壁厚。使得缸體的磁阻遠(yuǎn)小于磁流變液的磁阻。另外，磁路作為一個(gè)整體，各個(gè)活動(dòng)件之間的連接處(如圖2中e處)、磁路中每個(gè)活動(dòng)件(如圖2中1、2、5處)的磁阻都必須匹配，以提高磁路的效率[2]。

圖2 阻尼器的磁路結(jié)構(gòu)示意圖[1]

2 多環(huán)槽式磁流變阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)阻尼器的結(jié)構(gòu)和工作原理可知，磁流變液在阻尼器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形式，可以分為兩種情況來(lái)考慮：一方面，活塞擠壓缸體中一側(cè)的磁流變液，使其壓力增高，使阻尼器兩側(cè)腔內(nèi)產(chǎn)生壓力差，該壓力差使磁流變液通過(guò)縫隙流向缸體中活塞的另一側(cè)，稱為壓差流動(dòng)；另一方面，由于缸體與活塞之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，拖動(dòng)磁流變液從一側(cè)流向另一側(cè)，稱為剪切流動(dòng)。所以，阻尼器的總的阻尼力，由壓差流動(dòng)阻尼力和剪切阻尼力合成。但研究表明，壓差流動(dòng)引起的阻尼力，比剪切引起的阻尼力大得多，所以一般按壓差流動(dòng)模式計(jì)算阻尼力。應(yīng)用Bingham模型，其阻尼力計(jì)算公式可表達(dá)為[3～5]：

式中，AP為活塞受到壓力的有效面積；

u(t)為活塞與缸體的相對(duì)流速；

D為活塞的直徑；

L為活塞的長(zhǎng)度；

h為工作間隙；

η是流體的動(dòng)力粘度；

τy為屈服應(yīng)力；

符號(hào)函數(shù)sgn［u(t)］考慮活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

η和τy都與磁流變液的磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，其他參數(shù)為已知。磁感應(yīng)強(qiáng)度B與線圈匝數(shù)和電流I有關(guān)。η和τy可由應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、應(yīng)力-磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系曲線、阻尼力-位移曲線、阻尼力-速度曲線擬合為關(guān)于I的多項(xiàng)式如下

將式(2)代入式(1)，并代入阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得阻尼器的阻尼力為

3 多環(huán)槽式磁流變阻尼器的阻尼力特性實(shí)驗(yàn)

利用振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)自行設(shè)計(jì)的磁流變阻尼器進(jìn)行阻尼力特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理圖和實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。本實(shí)驗(yàn)所有用到的阻尼力，為除去蓄能器引起的與初始位置有關(guān)的偏置力后的純阻尼力。圖4為頻率為2 Hz，振幅為2 mm時(shí)，電流分別為 0A、0.1A、0.2A、0.3A、0.4A、0.5A的一組實(shí)驗(yàn)曲線；圖4(a)是該磁流變阻尼器的力—位移關(guān)系圖。圖4(b)是該磁流變阻尼器的力—速度關(guān)系圖。

圖3 實(shí)驗(yàn)原理圖和實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖4 頻率為2 Hz，振幅為2 mm的特性曲線

阻尼力特性實(shí)驗(yàn)，主要是分析各參數(shù)對(duì)阻尼力的影響。理論分析表明，在磁流變液未達(dá)到磁飽和前，電流越大，頻率越高，振幅越大，減震器的阻尼力及其變化范圍就越大。作者對(duì)該阻尼器做了大量的實(shí)驗(yàn)，分析了電流、頻率和振幅對(duì)阻尼力的影響，其分析結(jié)果如下。

3.1 電流變化對(duì)阻尼力的影響

振幅為2 mm，頻率為1～5 Hz時(shí)，電流為0.1A、0.2A、0.3A、0.4A、0.5A時(shí)的阻尼力相比電流為0A時(shí)的阻尼力分別增大的倍數(shù)如表1所示。

表1 在振幅2 mm、頻率1～5 Hz條件下電流與阻尼力的變化表

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)電流增大時(shí)，阻尼力大幅增加，這是因?yàn)殡娏髟酱?，磁流變效?yīng)越強(qiáng)，磁場(chǎng)越大，減震器的阻尼力就越大。當(dāng)電流大到磁飽和時(shí)，阻尼力增加較少。當(dāng)振幅為2 mm，頻率為2 Hz時(shí)，電流為0.5 A時(shí)的阻尼力相比電流0 A時(shí)增大了6.1倍，且未達(dá)到磁飽和的趨勢(shì)，電流繼續(xù)增大，阻尼力還有增大的趨勢(shì)。

3.2 頻率變化對(duì)阻尼力的影響

振幅為1 mm，電流為0.1 A時(shí)和振幅為2 mm，電流為0.2 A 時(shí)，頻率為 2 Hz、3 Hz、4 Hz、5 Hz時(shí)的阻尼力相比頻率為1 Hz時(shí)的阻尼力，分別增大的倍數(shù)如表2所示。

表2 振幅1mm、2 mm電流0.1A、0.2A條件下頻率與阻尼力變化表

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著頻率的增大，阻尼力不斷增大。因?yàn)轭l率增加，阻尼通道剪切速率增加，所以阻尼力增加。通過(guò)跟電流的數(shù)據(jù)對(duì)比，頻率的影響較電流影響弱。

3.3 振幅變化對(duì)阻尼力的影響

電流為0.1 A，頻率為1 Hz時(shí)，振幅為2 mm、3 mm、4 mm時(shí)的阻尼力與振幅為1 mm時(shí)的阻尼力相比，分別增大的倍數(shù)如表3所示。

表3 在電流0.1A、頻率1Hz條件下振幅與阻尼力的變化表

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著振幅的增大，阻尼力不斷增大。因?yàn)檎穹脑黾?，?dǎo)致更多的磁流變液產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，所以阻尼力增加。通過(guò)跟電流和頻率的數(shù)據(jù)對(duì)比，振幅的影響較電流和頻率的影響弱。

綜合以上對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，電流的變化對(duì)阻尼力的變化影響最大，頻率次之，振幅最小。還可以看出，電流調(diào)節(jié)范圍寬，磁場(chǎng)變化大，可利用半主動(dòng)控制令其實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。

4 動(dòng)力學(xué)模型檢驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)所得圖像與應(yīng)用公式(3)擬合所得數(shù)據(jù)的圖像，畫(huà)在一個(gè)窗口中(如圖5所示)。圖5(a)所示為電流為0.2 A、頻率為2 Hz、振幅為2 mm時(shí)的阻尼力與速度關(guān)系圖像；圖5(b)所示為電流為0.5 A、頻率為2 Hz、振幅為2 mm時(shí)的阻尼力與速度關(guān)系圖像。

圖5 阻尼力與速度關(guān)系圖

從圖5可以看出，該模型能較好的模擬磁流變阻尼器的阻尼力—速度關(guān)系。本文選用Bingham模型，該模型簡(jiǎn)單，參數(shù)識(shí)別方便，但不能反映阻尼力的滯回特性。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電流變化對(duì)阻尼力的變化影響最大，頻率次之，振幅最小。因此，改變電流(即改變磁場(chǎng))，該阻尼器的阻尼力特性變化范圍大，如在頻率2 Hz，振幅2 mm，電流0.5 A時(shí)其阻尼力增幅可達(dá)6.1倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，該阻尼器在低頻(如1～3 Hz)條件下，比其他頻率條件工作效果更佳。

(2)利用Bingham模型和阻尼器結(jié)構(gòu)特性建立的阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型，其模型數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合良好，證明了模型的正確性。

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