機(jī)械可調(diào)阻尼系數(shù)黏滯流體阻尼器設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

郭有松，洪 明，吳 激

（1. 江蘇工邦振控科技有限公司，江蘇常州 213000；2. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024；3. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

黏滯流體阻尼器起初應(yīng)用于火炮與航天器的發(fā)射過(guò)程，其作用是提供后坐沖擊反力。如今，這種阻尼器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到建筑、橋梁、交通運(yùn)輸及能源等眾多行業(yè)，主要為特定結(jié)構(gòu)提供保護(hù)。20世紀(jì)80年代起，人們開(kāi)始使用黏滯阻尼器進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制。美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校在美國(guó)科學(xué)基金會(huì)的資助下開(kāi)始了黏滯阻尼器的研制，并對(duì)其減振機(jī)理、阻尼材料及熱力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[1]。此后，以美國(guó)Taylor、意大利FIP和ALGA[2]以及日本Kajima等公司為代表的阻尼器生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)發(fā)出了一系列相關(guān)產(chǎn)品，并應(yīng)用于實(shí)際工程。20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、廣州大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)和哈爾濱建筑大學(xué)等國(guó)內(nèi)單位和企業(yè)對(duì)黏滯阻尼器開(kāi)展了系統(tǒng)性的研究和制造[3-8]。

目前，黏滯流體阻尼器已經(jīng)從第一代內(nèi)置高黏度介質(zhì)發(fā)展到第三代內(nèi)置低黏度介質(zhì)，其阻尼機(jī)理基于N-S方程，但尚未有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行定量分析。本文根據(jù)試驗(yàn)研究的變系數(shù)需要，提出了外置阻尼調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)阻尼系數(shù)可調(diào)節(jié)的方式，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了滿(mǎn)足要求的可調(diào)阻尼器，并對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)原件的樣件進(jìn)行了參數(shù)性能試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 機(jī)械可調(diào)阻尼系數(shù)阻尼器設(shè)計(jì)

進(jìn)行多工況試驗(yàn)時(shí)，要求阻尼器擁有不同參數(shù)，考慮到試驗(yàn)的方便性與經(jīng)濟(jì)性，就需要有可調(diào)參數(shù)（參數(shù)覆蓋試驗(yàn)范圍）的阻尼器，而市場(chǎng)上很難找到合適的產(chǎn)品。文章根據(jù)傳統(tǒng)液體阻尼器和防振阻尼器的原理，提出了一種簡(jiǎn)單易行的可調(diào)參數(shù)阻尼器設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的黏滯阻尼器在產(chǎn)品成型之后，其阻尼系數(shù)是不變的。阻尼器的阻尼系數(shù)由內(nèi)部介質(zhì)黏度與流體通道幾何尺寸決定，其與雷諾數(shù)相關(guān)，是產(chǎn)品的固有特性。通過(guò)改變雷諾數(shù)可以實(shí)現(xiàn)阻尼器阻尼系數(shù)可調(diào)節(jié)。本研究以傳統(tǒng)阻尼器為基礎(chǔ)，在其活塞兩邊的油缸之間增加外置阻尼通道，在油缸外增加外置流體管路，管路中部設(shè)置閥門(mén)，調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)口角度可控制管路阻尼結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)阻尼參數(shù)的可調(diào)節(jié)。閥門(mén)的流量控制與阻尼參數(shù)關(guān)系通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定。

根據(jù)應(yīng)用試驗(yàn)系統(tǒng)的需要，結(jié)合提出的可調(diào)阻尼器的構(gòu)造，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的可調(diào)阻尼器，如圖1和圖2所示。

圖1 可調(diào)參數(shù)阻尼器設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖2 可調(diào)參數(shù)阻尼器樣機(jī)圖

阻尼參數(shù)的變化是通過(guò)控制阻尼器外兩個(gè)油管的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)外油管閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，黏滯液體只能在固定油孔流動(dòng)，此時(shí)阻尼器的阻尼系數(shù)最大；增大外油管閥門(mén)的開(kāi)口角度，相當(dāng)于增加油孔的通過(guò)量，阻尼器的阻尼系數(shù)相應(yīng)減小。

2 阻尼器基本理論

2.1 阻尼器主要形狀參數(shù)確定

考慮到所設(shè)計(jì)阻尼器的應(yīng)用工況，確定其行程范圍為0～500 mm，阻尼系數(shù)可調(diào)范圍為0～1.0 N/(mm·s-1)，最大運(yùn)動(dòng)速度不小于750 mm/s，阻尼器形式和液缸尺寸分別如圖3和表1所示。

圖3 阻尼結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

表1 液缸幾何參數(shù)

用A0、A1和A2分別表示缸體來(lái)流處截面面積、縫隙面積和小孔面積，根據(jù)幾何參數(shù)分別可得

A0=1.568×10?2（mm2）

A1=2.006×10?4（mm2）

A2=9.05×10?6（mm2）

阻尼器采用的工作液體為甲基硅油，其密度一般為 930 kg/mm3～975 kg/mm3，黏度系數(shù)μ取 0.963 Pa·s。液缸內(nèi)液體流動(dòng)區(qū)域主要有來(lái)流區(qū)域、縫隙區(qū)域和小孔區(qū)域，3個(gè)區(qū)域內(nèi)相對(duì)應(yīng)的液體流動(dòng)速度分別取0.02 m/s、1.0 m/s和10 m/s，3個(gè)區(qū)域的雷諾數(shù)分別為1.6、0.4和24?？梢钥闯觯鹤枘崞黟焊赘鲄^(qū)域雷諾數(shù)數(shù)值遠(yuǎn)小于臨界雷諾數(shù)數(shù)值，滿(mǎn)足層流模型的要求。

2.2 阻尼器特性關(guān)系

假設(shè)缸內(nèi)流體滿(mǎn)足連續(xù)性方程

式中：v0為缸內(nèi)主體液體速度，即遠(yuǎn)方來(lái)流速度，m/s；v1為縫隙內(nèi)流體速度，m/s；v2為小孔內(nèi)流體速度，m/s。

活塞與缸壁的縫隙間流動(dòng)用無(wú)限大平行平板間的定常層流流動(dòng)（Poiseuille flow）模擬，流速的分布特征可由N-S方程精確解得。活塞與缸壁的縫隙間最大流速和板間平均速度分別為

式中：b為兩板間距，此處b=0.4 mm；dp1/dx為縫隙間的壓強(qiáng)梯度。

小孔內(nèi)的流動(dòng)采用圓管定常層流流動(dòng)來(lái)模擬，流速的分布特征可由 N-S方程精確解得。小孔內(nèi)的最大流速和小孔內(nèi)平均流速分別為

假定活塞左邊和右邊的壓強(qiáng)是均勻分布的，即壓強(qiáng)差Δp相等，則有

由式（6）可以推導(dǎo)出活塞左邊和右邊的壓強(qiáng)與液缸縫隙長(zhǎng)度和小孔長(zhǎng)度的關(guān)系為

將式（4）～式（7）式代入連續(xù)性方程式

（1），化簡(jiǎn)可以得到

阻尼器活塞左邊和右邊的兩端壓強(qiáng)差為

通過(guò)計(jì)算活塞兩面的壓差，可得到阻尼器活塞受力為

設(shè)定使用甲基硅油的阻尼器滿(mǎn)足黏滯阻尼特征，活塞運(yùn)動(dòng)速度與活塞受力的關(guān)系為F=cv，結(jié)合活塞運(yùn)動(dòng)速度與受力，可以得到阻尼器的阻尼系數(shù)為

2.3 阻尼器性能參數(shù)確定

根據(jù)阻尼器性能關(guān)系，假定活塞速度為0.01885 m/s，由式（11）可以得到相應(yīng)的阻尼系數(shù)為2296 kN/(m·s-1)。阻尼器相關(guān)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 阻尼器性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果

使用ANSYS對(duì)阻尼器進(jìn)行仿真分析，活塞受力結(jié)果為37.07 kN，其中壓差阻力為36.81 kN，摩擦阻力0.26 kN。計(jì)算壓強(qiáng)云圖和速度矢量圖分別如圖4和圖5所示。

3 阻尼器參數(shù)測(cè)試

為了確定可調(diào)阻尼器的性能，在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)制造的樣品進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定。阻尼試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)阻尼器的模擬加載，并得到相應(yīng)的參數(shù)。圖6為樣品參數(shù)測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)，主要設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)包括：1）加載頻率：0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz、3.0 Hz；2）加載規(guī)律：簡(jiǎn)諧函數(shù)；3）最大動(dòng)態(tài)位移：±150 mm；4）動(dòng)態(tài)測(cè)試精度：＜1%。

圖4 壓強(qiáng)云圖

圖5 速度矢量圖

圖6 可調(diào)阻尼器樣品標(biāo)定試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

考慮到黏滯阻尼器力學(xué)特性[6]，若頂桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率小于3 Hz時(shí)，會(huì)存在一定的非線(xiàn)性效應(yīng)，阻尼器受到的阻尼力可以表示為：

式中：C為阻尼器阻尼常數(shù)，N/(m·s-1)；α為速度系數(shù)，取0.3～1.0，取值為 1.0時(shí)，即為線(xiàn)性阻尼，系數(shù)越小耗能越大；v為阻尼頂桿活塞對(duì)于油缸的相對(duì)速度，m/s。

通過(guò)可調(diào)閥門(mén)的不同位置，得到阻尼器推力、推動(dòng)速度及阻尼系數(shù)之間的關(guān)系，如圖7所示。圖8為閥門(mén)不同角度與阻尼系數(shù)關(guān)系的回歸結(jié)果，使用時(shí)可以根據(jù)圖8的關(guān)系調(diào)整得到需要的阻尼參數(shù)。

圖7 試驗(yàn)測(cè)得調(diào)整閥門(mén)不同角度時(shí)阻力與活塞運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系

圖8 閥門(mén)不同角度與阻尼系數(shù)關(guān)系回歸結(jié)果

4 結(jié)論

基于黏滯阻尼器和液壓防振阻尼器的原理，提出了一種結(jié)構(gòu)變異阻尼器，能夠在使用過(guò)程中根據(jù)要求方便地實(shí)現(xiàn)阻尼參數(shù)的調(diào)整。本文研究開(kāi)發(fā)的可調(diào)節(jié)參數(shù)阻尼器以傳統(tǒng)黏滯阻尼器原理為基礎(chǔ)，在活塞兩側(cè)設(shè)置了一段帶閥門(mén)的油路，擴(kuò)展了傳統(tǒng)黏滯阻尼器活塞上固定油孔的模式。這種阻尼器的原理與傳統(tǒng)黏滯阻尼器的原理一致，只是在形式上做了改進(jìn)，非常適用于需要頻繁調(diào)整阻尼參數(shù)的研究類(lèi)試驗(yàn)。

以本文設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，還可以根據(jù)需要進(jìn)行下列擴(kuò)展：1）將機(jī)械閥變?yōu)殡姶砰y，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)；2）根據(jù)功能需要，設(shè)計(jì)阻尼器液缸與外回路管的面積比，確定可調(diào)阻尼系數(shù)的范圍與最大值；3）設(shè)計(jì)阻尼器液缸與活塞頭油孔的面積比，確定可調(diào)阻尼系數(shù)的調(diào)節(jié)下限；4）在活塞頭油孔設(shè)置單向閥，可以得到行程可調(diào)的非線(xiàn)性特征阻尼器。

[1] 張志強(qiáng), 李?lèi)?ài)群. 建筑結(jié)構(gòu)黏滯阻尼器減震設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2013.

[2] 陳永祁. 橋梁工程液體黏滯阻尼器設(shè)計(jì)與施工[M].北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2012.

[3] 賈久紅, 華宏星. 新型阻尼器的力學(xué)建模與試驗(yàn)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2008, 44(8): 253-256.

[4] 李?lèi)?ài)群. 建筑減振粘滯阻尼器工程應(yīng)用新進(jìn)展[J].建筑結(jié)構(gòu), 2006, 36(S1): 88-93.

[5] 汪大洋, 周云. 粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 工程抗震與加固改造, 2006, 28(4): 22-31.

[6] 翁大根. 粘滯阻尼器力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 世界地震工程, 2002, 18(4): 30-34.

[7] 李英, 閆維明, 紀(jì)金豹. 變間隙粘滯阻尼器的性能分析[J]. 震災(zāi)防御技術(shù), 2006, 1(2): 154-162.

[8] 歐進(jìn)萍. 油缸間隙式粘滯阻尼器理論與性能試驗(yàn)[J]. 地震工程與工程振動(dòng), 1999, 19(4): 82-89.