夏兆旺, 張 帆, 魏守貝, 方媛媛

(1. 江蘇科技大學 能源與動力工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 中國運載火箭技術研究院 研究發(fā)展中心, 北京 100076)

磁流變半主動減振系統(tǒng)實驗研究

夏兆旺1, 張 帆2, 魏守貝1, 方媛媛1

(1. 江蘇科技大學 能源與動力工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 中國運載火箭技術研究院 研究發(fā)展中心, 北京 100076)

針對磁流變半主動減振系統(tǒng)的力學模型進行了驗證,分析了半主動減振系統(tǒng)在不同激勵頻率和激勵幅值下的響應特性。結果表明:修正的Bingham模型能很好地反映磁流變阻尼器的力學特性；半主動減振系統(tǒng)的減振效果明顯優(yōu)于被動減振系統(tǒng)的減振效果。

磁流變阻尼器; 半主動減振系統(tǒng); 力學特性

減振的方式主要分為被動減振、半主動減振和主動減振三種方式[1-3]。被動減振應用最為廣泛,但其在低頻段減振效果差,也不適用于外界載荷的復雜變化的場合[4-6]；主動減振效果好,但其成本高[7-8]。為此,半主動減振方式具有廣泛的發(fā)展空間,磁流變阻尼減振技術就是典型的半主動減振方式。磁流變阻尼減振系統(tǒng)由于其具有耗能低、響應快等優(yōu)點[9-11],目前已被廣泛應用于橋梁、土木、機械等領域的減振降噪[12-13]。

本文通過實驗建立磁流變阻尼器的力學模型,并就半主動減振系統(tǒng)進行實驗研究,分析各種參數(shù)對磁流變減振系統(tǒng)減振性能的影響。

1 磁流變阻尼力學模型實驗

Bingham模型沒有考慮半主動控制系統(tǒng)的時滯特性,本文采用一種修正的Bingham模型,其力學模型如圖1所示,表達式為

(1)

式中,C1為阻尼系數(shù),V為活塞與柱筒的相對速度,V0為零力速度。模型中的位置參數(shù)可以通過實驗數(shù)據(jù)擬合得到。

圖1 MR阻尼器的修正Bingham模型

采用RD-1079型磁流變阻尼器實驗來驗證修正的Bingham模型，能較好地反映磁流變阻尼器的滯后特性,也更符合實際情況。為驗證修正Bingham模型的正確性,選用LORD公司生產(chǎn)的RD-1079型磁流變阻尼器,對其進行性能實驗,如圖2所示。實驗工況:頻率為1～100 Hz,振幅為1～10 mm,電流為0.1～1.0 A。在整個實驗工況內,修正的Bingham模型都能較好地反映實際磁流變阻尼器的力-速度曲線特性。由于實驗數(shù)據(jù)較多,僅列出頻率為1.0 Hz、振幅為8 mm、電流為0.5A時,磁流變阻尼器的力-速度響應曲線,如圖3所示。

圖2 磁流變阻尼器性能實驗

圖3 MR阻尼器的速度-阻尼力實驗模型

由圖3可見,修正的Bingham模型能很好地擬合磁流變阻尼器的力學特性:在低速度區(qū)存在滯回特性；在高速度區(qū)表現(xiàn)出黏性阻尼特性；在高、低速度交接區(qū)表現(xiàn)出光滑非線性過渡特性。

磁流變阻尼器在振動頻率為 1 Hz、幅值為8 mm時,電流對磁流變阻尼器力學性能的影響如圖4所示。隨著施加電流的增加,速度-力關系曲線表明，在低速度區(qū)速度-力為非線性滯回特性，滯回的面積隨著施加電流的增大而增大；在高速度區(qū)速度-力可近似為直線；當無施加電壓時,速度-力也為非線性滯回特性；在低速度區(qū),速度-力曲線的非線性滯回特性說明在加速和減速時,部分有功功率小于零,即給系統(tǒng)輸入功率而不是消耗功率，同時也說明,在加速和減速的一個循環(huán)內,有殘余有功功率存在。

圖4 磁流變阻尼器的力學特性與電流的關系

2 磁流變半主動系統(tǒng)減振實驗

2.1 實驗原理

半主動減振系統(tǒng)原理見圖5。工作原理:振動臺和減振系統(tǒng)的響應通過位移和速度傳感器測量,響應信號經(jīng)電荷放大器濾波和放大,位移信號傳入到采集系統(tǒng),速度信號在每一采樣時刻被讀入PCI-9112采集卡的A/D通道,控制計算機通過A/D通道的電壓值,依據(jù)一定的轉換法則將其還原為實際速度值,再根據(jù)控制算法計算出控制裝置的切換狀態(tài),然后通過DO輸出通道驅動繼電器開關,將所需要的電壓施加給磁流變阻尼器上,實現(xiàn)減振系統(tǒng)的半主動控制。

圖5 半主動減振系統(tǒng)實驗原理圖

2.2 實驗裝置

磁流變阻尼器為LORD公司生產(chǎn)的RD-1079型；數(shù)據(jù)采集卡為PCI-9112數(shù)據(jù)采集卡,其采樣頻率為100 kHz,是12位、16通道多功能卡,集成了D/A(數(shù)/模轉換) 、A/D(模/數(shù)轉換)和Timer/Counter(定時器/計時器)等功能,可直接置于計算機PCI插槽,即插即用。采集系統(tǒng)為東方振動和噪聲技術研究所的DASP2013。振動臺為蘇州東菱的E-240型號。

2.3 實驗工況

實驗中質量塊的質量為32 kg,彈簧剛度為7 200 N/m,實驗中振動臺產(chǎn)生不同激勵頻率和幅值的正弦激勵型號,磁流變阻尼器輸入不同的控制電流。激勵頻率分別為1.0、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0 Hz；振幅分別為2、3、5 mm；控制電流分別在0～200 mA和0～300 mA之間切換。

3 實驗結果分析

在控制電流為200、300 mA,激勵幅值為3 mm時,得到的幅頻響應曲線見圖6和圖7。從圖中可以看出:(1)隨著控制電流的增加,被動控制和半主動控制的減振效果都變好；(2) 總體上,半主動系統(tǒng)的減振效果要優(yōu)于被動系統(tǒng)的減振效果；(3) 在低頻時,半主動減振效果與被動減振差別不大,在高頻時,半主動減振效果比被動減振效果要好；(4) 半主動減振的最好效果不在系統(tǒng)的共振點附近,而是在共振點以后。原因是實驗中在半主動減振時是閉環(huán)控制,被動減振時是開環(huán)控制。

圖6 電流為200 mA時的減振效果

圖7 電流為300 mA時的減振效果

4 結論

(1) 通過磁流變阻尼器的力學實驗可以得到修正Bingham模型能很好地反映磁流變阻尼器的力學特性。

(2) 半主動系統(tǒng)的減振效果要明顯優(yōu)于被動減振系統(tǒng)效果。

(3) 在低頻時,半主動減振效果與被動減振差別不大,在高頻時,半主動減振效果比被動減振效果要好。

(4) 半主動減振的最好效果不在系統(tǒng)的共振點附近,而是在共振點以后。原因是實驗中在半主動減振時是閉環(huán)控制,被動減振時是開環(huán)控制。

References)

[1] 劉文鋒.現(xiàn)代結構控制的最新進展[J].力學與實踐,1997(2):18-19.

[2] 關新春,歐進萍.磁流變耗能器的阻尼力模型及其參數(shù)確定[J].振動與沖擊,2001,20(1):5-8.

[3] 汪建曉,孟光.磁流變液裝置及其在機械工程中的應用[J].機械強度,2001,23(1):50-56.

[4] Dyke S J,Spencer B F,Sain M K.Experimental study of MR dampers for seismic protection[J].Smart Material and Structures,1998,7(5):693-703.

[5] Choi S B,Lee S K.A hystreresis modle for the field-dependent damping force of a magneto-rhological damping[J].Journal of Sound and Vibration,2001,245(2):375-383.

[6] Tseng H E,Hedrick J K.Semi-active control laws-optimal and sub-optimal[J].Vehicle System Dynamics,1994,23(5):545-569.

[7] 田正東,姚熊亮,沈志華.基于MR 的船用減振抗沖隔離器力學特性研究[J].哈爾濱工程大學學報,2008,29(8):783-788.

[8] Esmailzadeh,Bateni H.Optimal active vehicle suspensions with full state feedback control[J].Journal of Vibration and Control,2000,7(2):279-306.

[9] Ebrahimi B, Khamesee M， Golnaraghi F.Permanent magnet configuration in design of an eddy current damper[J].Microsystem Technologies,2010,16(1):19-24.

[10] Sodano H A， Inman D J. A review of power harvesting from vibration using piezoelectric materials[J].The Shock and Vibration,2004,36(3):197-205.

[11] Glynne-Jones P, Tudo M J, White N M. An electromagnetic,vibration-powered generator for intelligent sensor systems[J].Sensors and Actuators,2004(110):344-349.

[12] Popovic Z.Resistor Emulation Approach to Low-Power RF Energy Harvesting[J].Power Electronics,2008,23(3):142-148.

[13] Mitcheson P D, Miao P, Yeatman E M. MEMS electrostatic micro-power generator for low frequency operation[J].Sensors and Actuators,2004(115):523-529.

Experimental study of semi-active isolation system with MR damper

Xia Zhaowang1, Zhang Fan2, Wei Shoubei1, Fang Yuanyuan1

(1. School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China; 2. Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076, China)

This paper proposes a correction Bingham model for describing magneto-rhological (MR) damper by experimental data.The response characteristics of the semi-active vibration isolation system under different excitation frequency and the excitation amplitude are analyzed.The results show that the modified Bingham model can describe the mechanical properties of MR damper. The effect of semi-active vibration isolation system is superior to that of the passive vibration isolation system.

MR damper; semi-active isolation system; mechanical properties

2014- 12- 20 修改日期：2015- 05- 22

國家自然科學基金項目(11302088);江蘇省自然科學基金青年基金項目(BK2012278);江蘇省研究生教育教學改革研究與實踐課題 (2014018);江蘇省現(xiàn)代教育技術研究重點項目 (2014-R-33310)

夏兆旺(1981—)，男，安徽鳳陽，博士，副教授，主要從事振動與噪聲控制方向的教學與科研工作.

E-mail：dlxzw@163.com

TB535

A

1002-4956(2015)8- 0047- 03