新型磁流變彈性體隔振器關(guān)鍵技術(shù)

李 季，趙 韓，梁天也，王少萬(wàn)，李志遠(yuǎn)

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥230000；2.吉林大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，吉林132000；3.安徽微威膠件集團(tuán)有限公司，安徽 桐城231400）

新型磁流變彈性體隔振器關(guān)鍵技術(shù)

李 季1，趙 韓1，梁天也2，王少萬(wàn)3，李志遠(yuǎn)1

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥230000；2.吉林大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，吉林132000；3.安徽微威膠件集團(tuán)有限公司，安徽 桐城231400）

磁流變彈性體是近年來(lái)廣泛應(yīng)用的一種新型智能隔振材料，它繼承了磁流變液的可控、可逆、響應(yīng)速度快等優(yōu)良性能，同時(shí)具有穩(wěn)定性好、不易磨損和不易沉降等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)隔振領(lǐng)域。以橡膠作為基體研制出的新型磁流變彈性體，充分利用磁流變彈性體剛度和阻尼可控的特性，設(shè)計(jì)一款新型磁流變彈性體隔振器，對(duì)其在不同外加控制電流和激勵(lì)頻率下的振動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明在外加電流的改變下，該隔振器剛度相應(yīng)改變，從而引起固有頻率的改變，達(dá)到寬頻隔振的效果。

振動(dòng)與波；磁流變；彈性體；隔振器；振動(dòng)響應(yīng)

磁流變彈性體（magnetorheological elastomer，MRE）作為一種新型智能材料，因其優(yōu)良的性能正逐漸成為國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員關(guān)注的熱點(diǎn)。磁流變彈性體的制備最早可以追溯到1995年，日本豐田中心研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的Shiga等[1]使用硅橡膠與鐵粉混合制備出一種磁性凝膠。美國(guó)福特汽車的Ginder等1997年以來(lái)對(duì)MRE的力學(xué)模型、基于天然膠的MRE以及在汽車減振裝置上的應(yīng)用等方面進(jìn)行了研究[2—4]。近年來(lái)，瑞典、俄羅斯、新加坡、澳大利亞等國(guó)家的研究人員也在進(jìn)行磁流變彈性體的研究[5]。我國(guó)磁流變彈性體的研究起步較晚，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的龔興龍教授等首先對(duì)MRE進(jìn)行了研究，制備了磁流變彈性體樣品，為MRE性能的改進(jìn)和工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[6,7]。

目前MRE尚處于研究階段，本文結(jié)合前人的研究成果，從磁流變基體的選擇到預(yù)硫化裝置的設(shè)計(jì)，提出一種新型的制備方案。該方案經(jīng)濟(jì)適用，易于操作，制出的MRE材料具有較高的磁流變效應(yīng)、良好的材料力學(xué)性能。并且以此材料設(shè)計(jì)一種新型閉路導(dǎo)磁體磁流變彈性體隔振器，通過(guò)調(diào)節(jié)線圈繞組的電流大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)弱控制，進(jìn)而控制磁流變彈性體的剛度及阻尼，隔振器通過(guò)主動(dòng)改變系統(tǒng)的固有頻率達(dá)到移頻減振的目的，實(shí)現(xiàn)寬頻帶的振動(dòng)隔離。

1 MRE的制備與檢測(cè)

1.1 配方研制

MRE材料配方主要由以下三類材料組成：基體材料、軟磁性顆粒、合理的添加劑?；w材料的選擇對(duì)磁流變彈性體的性能起了至關(guān)重要的作用。基體材料目前常見的有硅橡膠[8]、天然膠、聚氨酯橡膠[9]。本配方采用順丁膠為基體，它不僅能產(chǎn)生較好的磁致效應(yīng)，還具有高強(qiáng)度低硬度的良好力學(xué)特性。其邵氏硬度最低能達(dá)到18度，可以起到良好的低頻隔振效果。軟磁性顆粒選擇國(guó)產(chǎn)羰基鐵粉，為了增加軟磁材料與膠體之間的結(jié)合力，選用偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理。為了達(dá)到預(yù)期效果，還添加一定比例的添加劑[10]。

將一定比例的塊狀順丁膠放到雙筒煉膠機(jī)上進(jìn)行煉制，再按照一定順序加入各種添加劑和羰基鐵粉，使其混煉均勻，最后得到混合均勻的膠體。

1.2 預(yù)結(jié)構(gòu)化成型

混煉膠在固化的過(guò)程中按照固化方式的不同可分為無(wú)磁場(chǎng)固化和有磁場(chǎng)固化，由此得到的MRE材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同，前者磁性粒子在集體中均勻分布，被稱為各項(xiàng)同性MRE，后者在基體中定向排列成鏈狀結(jié)構(gòu)，被稱為各項(xiàng)異性MRE。各項(xiàng)異性MRE一般具有更高的磁流變效應(yīng)和磁致模量變化，故本試驗(yàn)采用有磁場(chǎng)固化制備各項(xiàng)異性MRE。

對(duì)于MRE材料的預(yù)結(jié)構(gòu)化裝置，目前市場(chǎng)上有專門的磁熱耦合硫化裝置（如圖1所示）可供采購(gòu)，該裝置通過(guò)上下兩組通電線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，通過(guò)控制裝置控制時(shí)間、溫度等條件實(shí)現(xiàn)預(yù)結(jié)構(gòu)化，但是價(jià)格昂貴，浪費(fèi)電能，因此本試驗(yàn)自行設(shè)計(jì)一款新型的預(yù)結(jié)構(gòu)化裝置，該裝置采用高強(qiáng)度永久磁鐵材料釹鐵硼代替電磁線圈，大大簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)。

圖1 磁熱耦合硫化裝置示意圖

圖2 預(yù)結(jié)構(gòu)化裝置主視圖

圖3 預(yù)結(jié)構(gòu)化裝置左視圖

磁流變預(yù)結(jié)構(gòu)化裝置如圖2、3所示，由溫度控制裝置、氣缸裝置和底板3組成，溫度控制裝置由溫度繼電器、時(shí)間繼電器組成，氣缸裝置包括氣缸6和換向閥，四個(gè)導(dǎo)柱8呈四邊形固定在底板3上，導(dǎo)柱8下端通過(guò)六角螺母固定在底板3上，氣缸6的自由端1通過(guò)螺栓固定在底板3上，氣缸6的伸縮端2固定在頂板9的中部，頂板9上側(cè)與下模10接觸。下模10通過(guò)四個(gè)對(duì)應(yīng)的圓孔套裝在導(dǎo)柱8上。導(dǎo)柱8上還設(shè)有上模11，上模11也設(shè)有與四個(gè)導(dǎo)柱8相對(duì)應(yīng)的圓孔，通過(guò)圓孔套裝在導(dǎo)柱8上，圓孔上下兩側(cè)有六角螺母，將上模11固定。下模10底側(cè)中部位置內(nèi)嵌有第一磁鐵12，下模10上側(cè)固定有下加熱板4，上模11上側(cè)中部位置內(nèi)嵌有第二磁鐵13，上模11底側(cè)固定有上加熱板5，第一磁鐵12和第二磁鐵13相對(duì)面的極性相反，第一磁鐵12和第二磁鐵13的下側(cè)和上側(cè)加蓋有蓋板14。預(yù)結(jié)構(gòu)化裝置實(shí)物如圖4所示。

圖4 預(yù)結(jié)構(gòu)化裝置實(shí)物圖

將混煉后的膠體放入鋁制模具中，隨后將模具放置于釹鐵硼磁鐵架構(gòu)磁場(chǎng)中的電加熱板上，保持恒溫80°C，保溫至足夠時(shí)間后，將裝有預(yù)結(jié)構(gòu)化后磁流變彈性體的鋁質(zhì)模具放進(jìn)硫化機(jī)，硫化條件153°C～160°C，一段時(shí)間后即得到成型的磁流變彈性體（如圖5所示）。

圖5 磁流變彈性體成品

1.3 材料試片性能檢測(cè)分析

為檢測(cè)磁流變彈性體材料力學(xué)性能，制作專門試片分別用拉力測(cè)試儀和剛度測(cè)試儀做拉力實(shí)驗(yàn)和靜剛度實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明該材料拉伸強(qiáng)度與扯斷伸長(zhǎng)率均符合材料性能要求。圖6所示為力—位移變化曲線，根據(jù)結(jié)果分析其靜剛度滿足材料性能要求。

圖6 試片力—位移變形曲線

2 磁流變彈性體隔振器的研制

傳統(tǒng)的隔振器的彈性元件采用橡膠或彈簧，這類隔振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，一旦結(jié)構(gòu)設(shè)定，系統(tǒng)的固有頻率不能改變，只對(duì)特定頻率的激勵(lì)隔振效果較好，隔振頻帶窄，不能適應(yīng)寬頻帶的隔振要求，無(wú)法適應(yīng)變頻工況下的隔振。磁流變彈性體是一種剛度可調(diào)的智能材料，具有控制能耗低、響應(yīng)速度快、連續(xù)控制等特點(diǎn)，可以用來(lái)研制變剛度的主動(dòng)隔振器，實(shí)現(xiàn)不同工況下寬頻帶的最佳隔振。

2.1 磁流變彈性體隔振原理

由于磁流變彈性體的磁致效應(yīng)，即在磁場(chǎng)作用下，磁流變彈性體內(nèi)部顆粒被磁化后，產(chǎn)生相互作用力。當(dāng)磁流變彈性體受到形變時(shí)，這些磁力在其內(nèi)部形成反向力矩，增強(qiáng)材料抵抗變形能力，這種能力是隨著磁場(chǎng)變化而變化的,從宏觀上表現(xiàn)為MRE彈性模量隨磁場(chǎng)變化[11]。

隨著外加磁場(chǎng)增加時(shí)，磁流變彈性體的彈性模量變大，在受力方向上的剛度也隨之變大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的固有頻率增大。磁流變彈性體隔振器的隔振原理，就是指通過(guò)控制通電線圈電流的大小改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度，從而控制磁流變彈性體的彈性模量，最終達(dá)到控制隔振系統(tǒng)的固有頻率目的，使之遠(yuǎn)離外界激勵(lì)的頻率，使被保護(hù)對(duì)象的振動(dòng)減小。

2.2 MRE隔振器的設(shè)計(jì)

圖8為本文設(shè)計(jì)的閉路導(dǎo)磁體磁流變彈性體隔振器，該隔振器由動(dòng)導(dǎo)磁塊1、導(dǎo)磁上蓋板2、導(dǎo)磁筒體3、線圈繞組4、磁流變彈性體5和導(dǎo)磁支撐底座6組成。導(dǎo)磁上蓋板2一端固定在導(dǎo)磁筒體3上，另一端與動(dòng)導(dǎo)磁塊1的兩側(cè)連接，動(dòng)導(dǎo)磁塊1和導(dǎo)磁支撐底座6之間安裝有磁流變彈性體5，磁流變彈性體5與兩側(cè)的導(dǎo)磁筒體3之間固定線圈繞組4，導(dǎo)磁支撐底座6兩端與導(dǎo)磁筒體3通過(guò)六角螺母固定。

當(dāng)直流電源提供給線圈繞組4直流電，產(chǎn)生磁場(chǎng)。動(dòng)導(dǎo)磁塊1、導(dǎo)磁上蓋板2、導(dǎo)磁筒體3、磁流變彈性體5、導(dǎo)磁支撐底座6構(gòu)成電磁回路。通過(guò)調(diào)節(jié)線圈繞組4電流大小，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱控制，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化，磁流變彈性體的剛度發(fā)生變化，進(jìn)而改變系統(tǒng)的固有頻率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)寬頻帶的隔振與降噪。

圖7 隔振器機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)研究

如圖8振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖所示，MRE隔振器通過(guò)鋁板固定于振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，隔振器上方放置一塊質(zhì)量為M的鐵塊作為發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬質(zhì)量。信號(hào)分析儀在計(jì)算機(jī)控制下發(fā)出的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器作用于振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，提供輸入激勵(lì)；計(jì)算機(jī)同時(shí)發(fā)出的控制信號(hào)控制直流電源的大小作用于隔振器內(nèi)部的勵(lì)磁線圈，兩個(gè)加速度傳感器分別安裝在基座和配重塊上，將所測(cè)量的輸入和輸出的響應(yīng)信號(hào)傳輸至信號(hào)分析儀進(jìn)行頻譜分析，分析結(jié)果由計(jì)算機(jī)顯示輸出。圖9為試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖。

圖8 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖

圖9 試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

根據(jù)固有頻率公式

其中fn為隔振器與模擬質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，k()i為剛度，m為質(zhì)量。

由公式可以看出隔振器的剛度隨著外加電流的改變而改變，從而引起了隔振器的固有頻率的改變。通過(guò)頻譜分析儀分析表明，共振頻率與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖10所示，電流的大小從0 A變化到4.5 A，共振頻率也發(fā)生相應(yīng)改變，變化范圍11.5 Hz～14.5 Hz。由此可以看出隨著電流的不斷增加，其剛度發(fā)生變化，隔振器共振頻率明顯發(fā)生偏移，與預(yù)期的推理一致。

圖10 共振頻率值與電流的關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)自主設(shè)計(jì)的磁流變彈性體預(yù)結(jié)構(gòu)化裝置研制出具有高強(qiáng)度低硬度的磁流變彈性體，并且根據(jù)彈性體材料合理設(shè)計(jì)出一種新型結(jié)構(gòu)的主動(dòng)隔振裝置，試驗(yàn)證明在外加電流的改變下，該隔振器剛度相應(yīng)改變，從而引起固有頻率的改變，達(dá)到寬頻隔振的效果，有利于形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的主動(dòng)隔振器。

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Key Technology of a New-type Magnetorheological Elastomer Vibration Isolator

LIJi1,ZHAOHan1,LIANG Tian-ye2,WANG Shao-wan3,LI Zhi-yuan1

(1.School of Mechanical andAutomotive Engineering,Hefei University of Technology, Hefei 230000,China;2.School of Mechanical Engineering,Jilin University,Jilin 132000,China; 3.Anhui Weiwei Rubber Parts Group Co.Ltd.,Tongcheng 231400,Anhui China)

∶Magnetorheological elastomer(MRE)is a new-type smart vibration isolation material,which is widely used in recent years.It not only has the traditional advantages of MRF such as controllable,reversible and fast response characteristics,but also has the characteristics of good stability,wear-resisting and anti-settling.It is widely used in high-tech vibration isolation fields.In this article,a new-type MRE with rubber as matrix was developed.According to MRE controllable stiffness and damping characteristic,a new MRE vibration isolator was designed and the vibration response characteristics under different external controlled current and excitation frequency were tested experimentally.The test results show that when the external current changes,the vibration isolator stiffness also changes,so that the natural frequency also changes and the effect of the broadband vibration isolation is achieved.

vibration and wave;magnetorheology;elastomer;vibration isolator;vibration response

O422.6< class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.041

1006-1355(2014)06-0184-04

2014-02-24

國(guó)家新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新工程項(xiàng)目、國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013BAGO8801）

李季，男，安徽桐城人，碩士生，主要研究方向：電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)分析，磁流變彈性體懸置。

E-mail∶liji3319717@126.com。

趙韓，男，安徽宿州人，博士生導(dǎo)師。