新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的設(shè)計與實(shí)驗(yàn)

賈 雙， 邢海軍， 楊紹普

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

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新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的設(shè)計與實(shí)驗(yàn)

賈 雙， 邢海軍， 楊紹普

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼器，該阻尼器的勵磁線圈置于阻尼缸筒的外部，具有線圈組件拆裝方便，散熱效果好，能夠提高磁流變阻尼器的有效行程等優(yōu)點(diǎn)。研制了該磁流變阻尼器的簡易樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了樣機(jī)的阻尼特性。

磁流變阻尼器；線圈外置；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；阻尼力

0 引言

磁流變阻尼器是一種優(yōu)良的半主動控制器件，具有阻尼力連續(xù)順逆可調(diào)并且可調(diào)范圍大[1-3]、響應(yīng)快、良好的溫度穩(wěn)定性以及可與微機(jī)控制結(jié)合等優(yōu)良特性，在土木工程、車輛工程等領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注和研究[4-5]，因而各種新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器應(yīng)運(yùn)而生。Lord公司研制了多種結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼器并投入到工程應(yīng)用中；沙凌峰[6]從磁流變液的本構(gòu)關(guān)系和磁流變阻尼器的阻尼力模型出發(fā)，討論了土木工程中常用的磁流變阻尼器的設(shè)計問題，對磁流變阻尼器的構(gòu)造和磁路部分給予了詳細(xì)的介紹；L. Balamurugan[7]、吳曉慶[8]、相衡波[9]等對磁流變阻尼器的設(shè)計及相關(guān)特性進(jìn)行了研究。

圖1 新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)圖

常見磁流變阻尼器將電磁線圈繞于阻尼器的活塞之上，活塞上設(shè)置環(huán)狀通道或在活塞與缸體之間設(shè)置環(huán)狀通道，工作時磁流變液從環(huán)狀通道流過，從而產(chǎn)生阻尼力。本文提出了一種線圈外置的磁流變阻尼器，具有線圈組件拆裝方便，散熱效果好，能夠提高磁流變阻尼器的有效行程等優(yōu)點(diǎn)，并對新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的簡易樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，證明了新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的實(shí)用性。

1 新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)組成

1.1 新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)特征

新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的工作模式為剪切閥式[10]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，阻尼缸筒包括缸底、浮動活塞、上蓋、內(nèi)層缸筒和外層缸筒組件。內(nèi)層缸筒和浮動活塞、上蓋形成磁流變液腔，內(nèi)層缸筒的上端和下端設(shè)有通流孔，活塞在上下通流孔之間做往復(fù)運(yùn)動，內(nèi)層缸筒和外層缸筒組件形成磁流變液工作間隙，浮動活塞和內(nèi)層缸筒、缸底之間形成蓄能腔，蓄能腔內(nèi)充有氮?dú)?，用于補(bǔ)償活塞桿伸縮時磁流變液腔的體積變化。線圈組件、外層缸筒組件、內(nèi)層缸筒形成有效的磁場區(qū)域。

當(dāng)活塞向上運(yùn)動即拉伸行程時，阻尼器上腔的磁流變液經(jīng)過磁流變液孔、磁流變液工作間隙流入磁流變液下腔，為了補(bǔ)償有桿腔和無桿腔的體積差浮動活塞向上運(yùn)動。當(dāng)活塞向下運(yùn)動即壓縮行程時，磁流變液由下腔流入上腔，浮動活塞向下運(yùn)動。

如圖2所示，線圈組件包括導(dǎo)磁套筒、導(dǎo)磁環(huán)、線圈纏繞體、電磁線圈。多個線圈位于線圈纏繞體的外側(cè)，線圈纏繞體位于外層缸筒組件(圖1所示)的外側(cè)。電磁線圈和電磁線圈之間通過導(dǎo)磁環(huán)進(jìn)行分割，導(dǎo)磁套筒、兩個導(dǎo)磁環(huán)和線圈纏繞體之間形成的環(huán)狀腔體將單個電磁線圈封閉在其內(nèi)，線圈組件的上下端部的導(dǎo)磁環(huán)與線圈纏繞體固定連接，電磁線圈與電磁線圈之間串聯(lián)連接，導(dǎo)磁套筒、導(dǎo)磁環(huán)和線圈通過緊釘螺釘固定在線圈纏繞體上，線圈纏繞體通過緊定螺釘與外層缸筒組件固定連接。

1.2 新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的磁路形成原理

如圖3所示，外層缸筒組件(圖1所示)的上部和中部為不導(dǎo)磁段和導(dǎo)磁段間隔設(shè)置的結(jié)構(gòu)，下部為不導(dǎo)磁段結(jié)構(gòu)，導(dǎo)磁段和不導(dǎo)磁段焊接連接。內(nèi)層缸筒、導(dǎo)磁段、導(dǎo)磁環(huán)、導(dǎo)磁套筒為高磁導(dǎo)率軟磁材料，不導(dǎo)磁段為不導(dǎo)磁材料，當(dāng)電磁線圈通電后會形成如圖3所示的磁路，在內(nèi)層缸筒與外層缸筒組件之間的磁流變液工作間隙內(nèi)產(chǎn)生有效磁場。每一個線圈組件產(chǎn)生一個有效磁場，提高了磁場的利用率。各個電磁線圈串聯(lián)連接，可選擇通電線圈的個數(shù)范圍較大，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)阻尼力的范圍大。

圖2 線圈組件結(jié)構(gòu)圖

圖3 磁路形成原理圖

1.3 新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的特點(diǎn)

新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器與常見磁流變阻尼器相比較具有以下特點(diǎn)：

(1)散熱性好，線圈拆裝方便。電磁線圈設(shè)置在阻尼缸筒的外側(cè)，不與磁流變液接觸，電磁線圈及磁流變阻尼器耗能產(chǎn)生的熱量通過整個外層缸筒組件、電磁線圈均勻散發(fā)，散熱面積大，會明顯提高阻尼器的散熱速度。電磁線圈通過緊定螺釘固定在阻尼缸筒的外側(cè)，在拆卸線圈組件時只需松開緊定螺釘，電磁線圈的拆裝方便。

(2)阻尼力調(diào)節(jié)范圍大。電磁線圈串聯(lián)連接，通過選擇電磁線圈組件的個數(shù)調(diào)節(jié)阻尼力的大小。其他因素相同的情況下，電磁線圈數(shù)量大則阻尼力大， 反之則阻尼力較小。

(3)活塞的有效行程大。活塞上不纏繞電磁線圈，活塞的軸向尺寸小，提高了活塞的有效行程。當(dāng)采用串聯(lián)活塞時，活塞的有效行程更大。

(4)減弱了磁流變液泄露的問題。由于活塞上不纏繞線圈，無需在活塞桿上鉆孔穿線，活塞與活塞桿的結(jié)構(gòu)簡單緊湊，避免了由于密封不良在導(dǎo)線穿出時出現(xiàn)磁流變液泄露的問題。

2 新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的樣機(jī)制作

為了制作簡單、生產(chǎn)方便，新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器樣機(jī)采用一組電磁線圈組件和雙出桿活塞缸結(jié)構(gòu)，樣機(jī)的圖紙如圖4，實(shí)物如圖5所示。

圖4 新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器樣機(jī)圖紙

如圖4，新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器樣機(jī)采用一組線圈組件和雙出桿活塞缸結(jié)構(gòu)，活塞和活塞桿采用圓錐銷固定，活塞往復(fù)運(yùn)動時不需要考慮活塞桿體積補(bǔ)償，且活塞的穩(wěn)定性好，阻尼器制作方便。下缸蓋和下夾頭形成空氣腔體，用于試驗(yàn)過程中阻尼器的固定，保護(hù)活塞桿?；钊麠U與上夾頭采用螺紋連接。

上缸蓋上設(shè)有磁流變液補(bǔ)給孔，由螺塞和螺塞用密封墊片密封，可方便的補(bǔ)給磁流變液。當(dāng)活塞運(yùn)動時，磁流變液在活塞的上下腔之間通過通流孔及內(nèi)層缸筒、外層缸筒之間磁流變液工作間隙。活塞與內(nèi)層缸筒密封防止磁流變液在活塞與內(nèi)層缸筒的間隙泄露，上缸蓋密封防止磁流變液在活塞桿與上蓋的導(dǎo)向間隙泄露。上缸蓋與內(nèi)層缸筒采用過渡配合，壓蓋與外層缸筒螺紋連接，將外層缸筒與上缸蓋固定。

由圖5可以很直接地了解到新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器樣機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，阻尼器的樣機(jī)用于以下試驗(yàn)中。

3 新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

在試驗(yàn)機(jī)上完成新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器樣機(jī)的阻尼力實(shí)驗(yàn)測試，該試驗(yàn)機(jī)是一臺液壓伺服控制試驗(yàn)機(jī)。通過采用設(shè)計的專用夾具將樣機(jī)固定在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，如圖6所示。

圖5 新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器樣機(jī)實(shí)物圖

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用三角形激勵，測量振幅為5 mm，頻率分別為0.2 Hz、0.4 Hz、0.6 Hz、0.8 Hz、1.0 Hz、1.2 Hz、1.4 Hz、1.6 Hz、1.8 Hz、2.0 Hz。磁流變阻尼器樣機(jī)在每一個頻率下均進(jìn)行6次試驗(yàn)，電流分別為0 A、0.5 A、1.0 A、1.5 A、2.0 A、2.5 A。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)可得時間-阻尼力曲線、位移-阻尼力曲線、速度-阻尼力曲線分別如圖7、圖8、圖9所示。

由圖7可得，阻尼力隨著勵磁電流強(qiáng)度的增大而增大。這是因?yàn)?，磁場?qiáng)度隨勵磁電流的增大而增強(qiáng)，磁流變液在磁場作用下的流變是瞬間的、可逆的，而且其流變后的剪切屈服強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度的增大而增大，當(dāng)勵磁電流增大到一定值時，磁流變液由液體變?yōu)榘牍虘B(tài)甚至為固態(tài)，導(dǎo)致阻尼力不斷增大。

圖7 頻率為0.4 Hz，時間-阻尼力曲線

圖8 頻率為0.4 Hz，位移-阻尼力曲線

圖9 速度-阻尼力曲線

由圖8可知，隨著勵磁電流的增大，位移阻尼力曲線包圍面積逐漸增大，表明勵磁電流的增大導(dǎo)致阻尼器振動消耗的功增大。

由圖9可知，阻尼器振動的速度越大，阻尼力越大。這是因?yàn)閯畲烹娏饕欢?，可控阻尼力不變，粘滯阻尼力隨頻率的增大而增大，所以阻尼力增大。

由圖7、圖8、圖9可以看出，在各個勵磁電流下，時間-阻尼力曲線、位移-阻尼力曲線、速度-阻尼力曲線都很順暢、平滑，所以此新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器滿足工程應(yīng)用要求。

4 結(jié)論

介紹了新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)、工作原理，并進(jìn)行了阻尼力的實(shí)驗(yàn)研究。新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器有線圈組件拆裝方便，散熱效果好，能夠提高磁流變阻尼器的有效行程等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器樣機(jī)的時間-阻尼力曲線、位移-阻尼力曲線、速度-阻尼力曲線，驗(yàn)證了此新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器滿足工程應(yīng)用要求。

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Design and Experiment of Magneto-Rheological Damper

Jia Shuang, Xing Haijun, Yang Shaopu

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

In this paper, a new type structure of the magnetorheological damper is proposed, with the excitation coil of the magnetorheological damper on the external of the damping cylinder. The advantages of the new magnetorheological damper include easy removal and installation of the coil, good heat dissipation effect, and better effective stroke of the magnetorheological damper, etc. A simple prototype of the magnetorheological damper is developed, and its characteristics are verified through experiment.

magnetorheological damper; external coil; experimental verification; damping force

2015-05-07 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.16

河北省科技支撐項目(14212202D);河北省高校重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項目;河北省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊領(lǐng)軍人才培育計劃項目(LJRC018)

賈雙(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計及理論。E-mail:15512138270@163.com

邢海軍(1967-)，男，博士，教授，主要從事振動控制結(jié)構(gòu)分析等方面研究。E-mail:xinghj@stdu.edu.cn

TH122；TM925.33

A

2095-0373(2016)02-0083-05

賈雙， 邢海軍 ，楊紹普.新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的設(shè)計與實(shí)驗(yàn)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016,29(2):83-87.