王富山 戴畸哲 龔瑤 王凱 李趙春

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇南京 210037)

基于磁流變液阻尼器的拉力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王富山 戴畸哲 龔瑤 王凱 李趙春＊

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇南京 210037)

針對(duì)磁流變阻尼器在拉力器中的應(yīng)用,鑒于傳統(tǒng)拉力器存在材料種類單一,拉伸倍數(shù)小,體積大,使用壽命短,重量大,難拆卸,不易攜帶等方面缺點(diǎn)的思考,本文采用了新興智能材料——磁流變液注入拉力器的缸筒中形成磁流變液阻尼器這一方法,并針對(duì)其是否具有可操控性進(jìn)行了分析,從而確定拉力器的模型結(jié)構(gòu)以及尺寸大小。

磁流變液 阻尼器 拉力器 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

近年來，磁流變液的可控流變特性逐漸被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)、車輛工程和武器系統(tǒng)等眾多重要領(lǐng)域[1，2]。根據(jù)磁流變效應(yīng)設(shè)計(jì)的磁流變液阻尼器具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、阻尼力大、動(dòng)態(tài)范圍廣、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，其阻尼力可通過調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)大小來控制，在工程上有廣泛的應(yīng)用前景[3-6]。然而，傳統(tǒng)拉力器的主要原理是通過彈簧的伸縮而產(chǎn)生一定大小的力，而這種拉力器存在材料種類單一，拉伸倍數(shù)小，體積大，使用壽命短，重量大，難拆卸，不易攜帶等缺點(diǎn)。因此，對(duì)磁流變液阻尼器應(yīng)用于拉力器的具體的、可行的控制方法的研究，從而確定拉力器的結(jié)構(gòu)、尺寸等具有戰(zhàn)略性意義。將磁流變阻尼器應(yīng)用于拉力器，提高結(jié)構(gòu)性能是磁流變技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值的研究方向。本文在傳統(tǒng)彈簧拉力器的基礎(chǔ)上采用磁流液阻尼器部分替代機(jī)械彈簧的方法進(jìn)行拉力器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，為磁流變液這種新型材料應(yīng)用于傳統(tǒng)彈簧拉力器，從而為它的結(jié)構(gòu)與性能等方面的改善提供了依據(jù)。本文重點(diǎn)研究采用新興智能材料—磁流變液注入拉力器的缸筒中形成磁流變液阻尼器在可控性上進(jìn)行了定量的計(jì)算，從而確定拉力器的模型、結(jié)構(gòu)以及尺寸。針對(duì)磁流變液阻尼器的磁路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，用UniGraphics軟件和CAD軟件確定拉力器的模型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；用Visual軟件對(duì)初步設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量的計(jì)算及分析。

圖1 外形模型設(shè)計(jì)圖

圖2 外形模型尺寸標(biāo)注剖視圖

1 磁流變液阻尼器拉力器模型設(shè)計(jì)

拉力器是是一種適合于大眾健身鍛煉的器材。研究拉力器的結(jié)構(gòu)原理及新型材料對(duì)其的擴(kuò)展應(yīng)用對(duì)醫(yī)療康復(fù)儀器的設(shè)計(jì)具有極大的意義。傳統(tǒng)的拉力器主要利用彈簧的伸縮產(chǎn)生一定大小的力，其模型主要有彈力有限，彈簧易生銹，安全系數(shù)低 等缺點(diǎn)。本文提出的新型的磁流變液阻尼器拉力器具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、阻尼力大、響應(yīng)速度快，安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)拉力器和磁流變液阻尼器拉力器模型的對(duì)比，突出了磁流變液阻尼器的優(yōu)越性。本文對(duì)新型磁流變液阻尼器拉力器的模型進(jìn)行細(xì)致的分析。

用UniGraphics軟件和CAD軟件對(duì)模型進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，如圖1(a)、圖1(b)所示。其基本思路是在缸筒內(nèi)充滿磁流變液，活塞桿和拉環(huán)作為一個(gè)整體，底部安置一橡膠墊子，缸筒外部放置一機(jī)械彈簧。線圈則繞置在活塞桿上兩個(gè)圓盤中間凹下去的位置。從而，缸筒內(nèi)部的磁流變液作用形成的阻尼器與缸筒外部的機(jī)械彈簧相輔相成，共同達(dá)到阻尼力的設(shè)計(jì)要求。圖1((a)、(b))為外形模型設(shè)計(jì)圖，圖2為其尺寸標(biāo)注剖視圖。

2 磁流變液阻尼器拉力器的設(shè)計(jì)

磁流變液阻尼器拉力器的外形尺寸是基于MRD60型的設(shè)計(jì)過程而設(shè)計(jì)的。根據(jù)拉力器的需求，確定了阻尼器的幾個(gè)參數(shù)，阻尼器缸筒的內(nèi)徑D1為30mm，缸筒外徑D3為26mm，磁流變液的零場(chǎng)粘度η為0.24pas，在最大電流下液體的屈服應(yīng)力τy為52kpa，在這個(gè)尺寸參數(shù)下，要求阻尼器能夠在5m/s的速度下，提供最大500N的阻尼力，并且在0.05m/s的活塞運(yùn)動(dòng)速度下，可調(diào)系數(shù)能夠達(dá)到6。同時(shí)，在阻尼器的設(shè)計(jì)過程中，選用磁流變液的平板Bingham模型作為設(shè)計(jì)模型[2，7]。

2.1 磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

圖3 阻尼力和可調(diào)系數(shù)計(jì)算模塊界面

圖4 磁路截面積計(jì)算界面

圖5 Malab磁化曲線擬合操作界面

圖6 材料40Cr 磁化曲線

圖7 線圈匝數(shù)計(jì)算界面

(1)結(jié)構(gòu)尺寸。在計(jì)算結(jié)構(gòu)尺寸其他參數(shù)之前要先假設(shè)間隙h=2mm，有效長(zhǎng)度L=20mm，活塞桿直徑D4=12mm。根據(jù)上面已知和假設(shè)的參數(shù)，可以計(jì)算出磁流變液阻尼器簡(jiǎn)化成平板模型的等效寬度 w、活塞有效面積 Ap、阻尼器工作時(shí)的流量 Q。間隙h、有效長(zhǎng)度L、活塞桿直徑D4這三個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值，將在下面的計(jì)算過程中根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整。

表1 磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)

其中， w是平板模型的等效寬度，單位為m； Ap為活塞有效面積，單位為m2； Q為阻尼器工作時(shí)的流量，單位為3m/s。C為補(bǔ)償系數(shù)，在設(shè)計(jì)中可以近似用。

(2)磁流變阻尼器的阻尼力。在拉力器中，磁流變液阻尼器阻尼力主要由庫侖力和粘性力構(gòu)成。影響庫侖力的主要因素有活塞有效面積Ap、間隙h、有效長(zhǎng)度L等，而影響粘性力的因素則有阻尼器工作時(shí)的流量Q等?？烧{(diào)系數(shù)Δ是在一定的活塞運(yùn)動(dòng)速度下粘性力占總阻尼力比重的倒數(shù)。

根據(jù)磁流變液的本構(gòu)方程和邊界條件可以推到出阻尼器產(chǎn)生阻尼力的公式：

Fτ—產(chǎn)生的庫侖力，N； Fη—產(chǎn)生的粘性力，N；F—總的阻尼力，N；可調(diào)系數(shù)：

庫侖力和黏性力主要與阻尼器的結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用假設(shè)的參數(shù)計(jì)算出的結(jié)構(gòu)參數(shù)同樣也影響著阻尼器的阻尼力。實(shí)驗(yàn)要求能夠提供最大500N的阻尼力。根據(jù)計(jì)算出的尺寸，計(jì)算輸出的阻尼力能否達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果假定的h，L，D4計(jì)算出的阻尼力不滿足要求，則需要重新假設(shè)，并進(jìn)行計(jì)算直至阻尼力符合要求。為了減少計(jì)算量，方便尺寸的不斷優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)效率，利用Visual軟件對(duì)計(jì)算流程進(jìn)行程序化，其VB各參數(shù)計(jì)算流程界面如圖4所示。

(4)磁路截面積計(jì)算。各個(gè)磁路截面積的大小對(duì)磁流變阻尼器的性能參數(shù)有著很大的影響。

參考單桿單筒式磁流變液阻尼器的設(shè)計(jì)流程，D1，D2，D3，D4，L的值會(huì)在設(shè)計(jì)初期做出一定的假設(shè)，而在能夠影響磁流變阻尼器性能的參數(shù)中，還有線圈骨架直徑D5和長(zhǎng)度L1未定，由于這兩個(gè)參數(shù)與磁路的結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以需要在磁路的設(shè)計(jì)中來確定。

不考慮漏磁，把磁路當(dāng)做電路來看，線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)源。把阻尼器按磁路的功能分成幾個(gè)部分(如圖(4))。進(jìn)行磁路設(shè)計(jì)的主要目的是保證在電流最大時(shí)，磁路各部分能向磁流變液傳遞足夠的磁場(chǎng)。設(shè)定最大電流為2.5A，在此電流下，磁路要能向磁流變液傳遞其飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度300Amp/m。其次，要保證磁流變液中的磁場(chǎng)能量盡量大，即減少減小其他部分的能量損耗。由于結(jié)構(gòu)和材料的限制，單級(jí)的阻尼器磁路可能無法向磁流變液提供所需的磁場(chǎng)，這是可以采用多級(jí)結(jié)構(gòu)，在此我們?cè)O(shè)阻尼器分為X級(jí)(這里取3)。首先要計(jì)算出磁路各部分的導(dǎo)磁界截面積。

其中，S1是鐵芯部分截面積；S2是活塞磁軛部分截面積；S3是磁極截面積；S4是磁流變液截面積。

活塞材料為40Cr，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.5T(即B4)，要求磁流變液達(dá)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度300Amp/m，查其磁化曲線得到其所達(dá)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度0.9T(即B1)。根據(jù)磁通守恒定律： Φ= B·S，至此算出D5以及磁路各部分的截面積以及求出磁路各部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖4為利用VB程序磁路截面積計(jì)算界面。

2.2 材料磁化曲線擬合

要計(jì)算線圈匝數(shù)N，必須要先計(jì)算出磁場(chǎng)強(qiáng)度H。而磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，所以需要確定材料(這里我們用40Cr)的磁化曲線，即得到磁場(chǎng)強(qiáng)度H關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的函數(shù)，是對(duì)后面進(jìn)行線圈骨架直徑D5和長(zhǎng)度L1的確定所做的前期準(zhǔn)備。用Malab進(jìn)對(duì)此材料進(jìn)行了磁化曲線的擬合，其操作界面如圖5所示，得到了一條誤差相對(duì)最小的曲線，如圖6所示。其函數(shù)關(guān)系式為：

H─磁場(chǎng)強(qiáng)度， Amp/ m

B─磁感應(yīng)強(qiáng)度，T

2.3 線圈匝數(shù)確定

線圈匝數(shù)N除了與磁場(chǎng)強(qiáng)度H有關(guān)，還與活塞結(jié)構(gòu)各部分大小有關(guān)。根據(jù)公式：

由上面的公式得到N與L1的關(guān)系，并不能真正求出線圈匝數(shù)，因此要求出L1的值。設(shè)計(jì)線圈分三層繞制，則每層線圈長(zhǎng)度應(yīng)為(d為電磁線標(biāo)稱直徑，，線圈骨架長(zhǎng)度L 1顯然要大于。所以，匝數(shù)應(yīng)滿足不等式，求出L1的最小值，考慮到在繞制線圈時(shí)，線圈之間不可能緊密，會(huì)有間隙，所以適當(dāng)放長(zhǎng)L1的大小。圖7為所計(jì)算的線圈匝數(shù)。

至此，整個(gè)活塞部分的結(jié)構(gòu)就設(shè)計(jì)好了，各個(gè)參數(shù)表1所示。

3 結(jié)語

本文基于MRD60型的設(shè)計(jì)過程，采用了輔助圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件、Visual軟件簡(jiǎn)化計(jì)算程序等手段確定了該拉力器的模型結(jié)構(gòu)，尺寸大小以及形成磁路的各級(jí)參數(shù)，同時(shí)驗(yàn)證了磁流變液阻尼器應(yīng)用于拉力器初步符合阻尼力等設(shè)計(jì)要求，在理論上具有一定的可行性。但是該尺寸所確定的結(jié)構(gòu)形成的磁場(chǎng)規(guī)律能否符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)此，我們可以采用MAXWELL磁路分析軟件對(duì)其磁路進(jìn)一步仿真驗(yàn)證。

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