擠壓式MRE阻尼器減振特性的實驗研究

梁志強， 張 賽， 徐文娟， 李廣錄

(1.黑龍江科技大學 工程訓練與基礎實驗中心， 哈爾濱 150022； 2.天津天海同步科技有限公司傳動研究所， 天津 301600； 3.哈爾濱煤礦機械研究所， 哈爾濱 150036)

擠壓式MRE阻尼器減振特性的實驗研究

梁志強1， 張 賽2， 徐文娟1， 李廣錄3

(1.黑龍江科技大學 工程訓練與基礎實驗中心， 哈爾濱 150022； 2.天津天海同步科技有限公司傳動研究所， 天津 301600； 3.哈爾濱煤礦機械研究所， 哈爾濱 150036)

為了獲得自主設計擠壓式MRE阻尼器的減振效果，搭建實驗測試平臺，在分別輸入不同控制電流(0～2.0 A)和激振頻率(90～170 Hz)的條件下，測試和分析該阻尼器的減振性能。結(jié)果表明：在共振區(qū)域施加控制電流時，該MRE阻尼器能有效降低隔振系數(shù)和振動幅值。施加電流時，若激振頻率小于共振頻率，則整體的隔振系數(shù)隨著控制電流的增大而減??；若激振頻率大于共振頻率，則整體的隔振系數(shù)隨著電流的增大而增大。不施加電流時，隨著激振頻率的增大，振幅峰值均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且振幅均有不同程度的降低。該MRE阻尼器在較寬的激振頻段內(nèi)具有較好的磁控性能和移頻減振作用。

阻尼器； 擠壓式； 減振性能； 磁流變彈性體

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，磁流變材料逐漸應用到機械加工設備中[1]，并有著廣闊的應用前景。磁流變彈性體(Magnetorheological elastomer,MRE)是由日本科研人員于1995年發(fā)現(xiàn)的[2]，它是磁流變材料的一個新分支，既有磁流變材料和彈性體的優(yōu)點，又克服了磁流變液穩(wěn)定性差、易沉降等缺點，剛度可通過外加磁場的強度來控制，因此，將其用于機床振動的抑制，可以根據(jù)機床振動的變化來自適應調(diào)節(jié)磁場強度，進而實現(xiàn)機床減振的實時可調(diào)。近年來，磁流變彈性體和以其作為吸振元件的隔振裝置的研究越來越受到科技工作者的關注，已經(jīng)成為智能材料及其應用的研究熱點[3-7]，部分產(chǎn)品已用于實際工程中，但有關機械加工設備減振方面的研究及應用還處于起步階段。因此，研究和探索MRE阻尼器在機械加工設備中的應用，對于提高工件的加工質(zhì)量，特別是復雜曲面工件(如航空整體葉輪)的加工質(zhì)量具有重要的理論和實踐意義。

隔振裝置或阻尼器(MRE阻尼器)的磁控性能和減振效果是其重要的評價指標，尤其是動態(tài)環(huán)境下的磁控性能，直接影響其抑振效果和實際應用。筆者針對自主設計的一款擠壓工作模式的MRE阻尼器，搭建振動實驗測試平臺，建立動態(tài)環(huán)境下的動力學模型，并對其減振性能進行實驗測試和分析研究，旨在為后續(xù)研究進行有益的探索。

1 MRE阻尼器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

文中設計的MRE阻尼器的結(jié)構(gòu)、組成部分如圖1所示。

圖1 MRE阻尼器裝配

該MRE阻尼器中勵磁線圈漆包線的直徑為0.6 mm，繞組匝數(shù)為200圈，允許通過的最大安全電流為Imax=2 A。漆包線引出線用黃臘管套上防止其漏電，為了隔磁，上蓋、外殼、底座擋板均采用鋁2A17，上蓋與上導磁體(選用電工純鐵DT6)用銅質(zhì)螺釘連接，磁流變彈性體與下導磁體(選用電工純鐵DT6)用硅橡膠固聯(lián)，底座擋板與外殼用螺釘連接。

1.2 工作原理

該MRE阻尼器的下部通過螺釘與實驗平臺的振源固連，上蓋通過螺釘與抑振對象固連，電源接通后，抑振對象隨著MRE阻尼器一起振動。當勵磁線圈中通入電流后其周圍將產(chǎn)生電磁場，磁流變彈性體的剛度因受到磁致效應的作用而發(fā)生變化，整個振動系統(tǒng)的剛度隨之發(fā)生變化，從而對抑振對象起到抑制振動的作用。MRE阻尼器產(chǎn)生阻尼力的大小與磁流變彈性體上外加磁場的強度有關，磁場強度的大小受勵磁線圈中的電流控制，因而可以利用通入勵磁線圈中控制電流的大小來控制 MRE阻尼器的剛度。當MRE阻尼器斷開電源后，勵磁線圈中的電流消失，同時產(chǎn)生的外加磁場也隨之消失，由于磁流變彈性體的可逆性及響應迅速，MRE阻尼器的剛度迅速恢復到初始狀態(tài)。

2 實驗系統(tǒng)與動力學模型

2.1 實驗系統(tǒng)

為了獲得該MRE阻尼器的減振性能，搭建減振實驗系統(tǒng)，見圖2。

圖2 實驗測試系統(tǒng)

如圖2所示，激振器安裝支架固定在實驗臺基座上用來產(chǎn)生振動信號，實驗臺基座下面用橡膠墊進行隔振，激振器與功率放大器的輸出接口通過專用連接線連接。將MRE阻尼器固定到激振器正上方的簡支梁上，直流穩(wěn)壓電源與阻尼器線圈漆包線連接，用來調(diào)節(jié)其控制電流的大小。MRE阻尼器上通過螺釘固定質(zhì)量塊作為荷載質(zhì)量，兩個加速度傳感器分別用來測試激振基礎(加速度傳感器1)和質(zhì)量塊(加速度傳感器2)的振動加速度，數(shù)據(jù)采集儀將測得的信號進行處理并通過總線傳入PC機。

2.2 動力學模型

針對圖2所示振動系統(tǒng)建立動力學模型，如圖3所示。

圖3 動力學模型

假設豎直方向激振力F=F0sinωt，根據(jù)圖3所示的單自由度隔振系統(tǒng)，可得其運動微分方程：

(1)

式中：m——被隔振系統(tǒng)的質(zhì)量，kg；c——隔振系統(tǒng)的阻尼，N·m/s；k——隔振系統(tǒng)的剛度，N/m；F0——激振力的幅值，N；ω——激振力的圓頻率，rad/s；t——時間，s。

通過化簡計算可得到力傳遞率η：

(2)

式中：FT——實驗臺對系統(tǒng)的反作用力，N。

從式(2)可以看出，當激振力的圓頻率ω發(fā)生變化時，隔振系統(tǒng)力傳遞率的大小可以通過調(diào)整其質(zhì)量m、阻尼c和剛度k這幾個參數(shù)變量來改變。但是在實際工作中，系統(tǒng)的阻尼c和內(nèi)部質(zhì)量m不容易調(diào)整，因此，通過改變系統(tǒng)的剛度k來達到此目的。MRE阻尼器中磁流變彈性體的剛度k=k1+k2，其中，k1為零場下的剛度，k2為磁控剛度。

3 實驗測試與結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)固有頻率

通過穩(wěn)壓直流電源將MRE阻尼器的控制電流調(diào)至0 A，通過功率放大器使激振器的激振頻率從0 Hz依次增大，測得質(zhì)量塊的振動幅值在132.2 Hz時最大，因此，132.2 Hz為系統(tǒng)的固有頻率。

3.2 施加電流時振幅峰值

3.2.1 共振區(qū)域的振幅峰值

將激振器的激振頻率調(diào)至130 Hz，使系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源，依次向MRE阻尼器中輸入大小為0、0.5、1.0、1.5、 2.0 A的控制電流，分別記錄兩個加速度傳感器測得的激振基礎和MRE阻尼器上質(zhì)量塊的振動幅值，結(jié)果如表1所示。

表1 共振區(qū)域的振幅

以隔振系數(shù)和質(zhì)量塊的振幅峰值作為MRE阻尼器減振效果的評價指標?，F(xiàn)用A1表示加速度傳感器1測得的振幅峰值，用A2表示加速度傳感器2測得的振幅峰值，A2與A1的比值為系統(tǒng)的隔振系數(shù)，即MRE阻尼器的隔振系數(shù)，

(3)

利用Matlab軟件對測得的數(shù)據(jù)進行處理，得到質(zhì)量塊、激振基礎的振幅峰值和MRE阻尼器隔振系數(shù)隨控制電流的變化曲線，如圖4所示。

a 振幅

b 隔振系數(shù)

Fig. 4 Amplitude and isolation coefficient under different current

由圖4可以看出，在共振區(qū)域(f=130 Hz)，當MRE阻尼器中施加控制電流時，質(zhì)量塊的振幅峰值和MRE阻尼器的隔振系數(shù)均隨著控制電流的增大而減小，其中系統(tǒng)隔振系數(shù)從0 A時的最大值0.460，下降到2.0 A時的最小值0.390，下降了15.15%；質(zhì)量塊的振幅峰值從0 A時的5.454 μm，下降到2.0 A時的4.502 μm，下降了17.5%。由此可見，施加控制電流，能夠明顯降低質(zhì)量塊的振幅峰值，有效降低MRE阻尼器的隔振系數(shù)。分析表明,通過改變MRE阻尼器中控制電流的大小可以改變振動系統(tǒng)的固有頻率，使系統(tǒng)有效避開共振區(qū)域，也就是通過移頻起到減振作用。

3.2.2 非共振區(qū)域的振幅峰值

在共振頻率130 Hz的左右兩側(cè)各取兩個頻率，分別為90 、110 Hz以及150、170 Hz，調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源，依次向MRE阻尼器中輸入大小為0、0.5、1.0、1.5、 2.0 A的控制電流，分別記錄兩個加速度傳感器測得的激振基礎和MRE阻尼器上質(zhì)量塊的振動幅值，如表2、3所示。

表2 加速度傳感器1測得的振幅

表3 加速度傳感器2測得的振幅

利用Matlab軟件對測得的數(shù)據(jù)進行處理，分別得到系統(tǒng)在不同激振頻率下質(zhì)量塊振幅峰值與控制電流的關系,以及MRE阻尼器隔振系數(shù)與控制電流的關系，如圖5所示。

由圖5可以看出，當激振頻率為90 Hz和110 Hz時，即激振頻率小于阻尼器零磁場下系統(tǒng)的共振頻率時，質(zhì)量塊的振幅峰值隨著控制電流的增大而減小，整體上隔振系數(shù)也是隨著控制電流的增大而減小，即通過向MRE阻尼器中輸入控制電流，改變了阻尼器的磁控剛度，降低其隔振系數(shù)進而達到減振的目的；當激振頻率為150 Hz和170 Hz時，此時激振頻率大于阻尼器零磁場下系統(tǒng)的共振頻率時，質(zhì)量塊的振幅峰值隨著控制電流的增大而增大，整體上隔振系數(shù)也是隨著控制電流的增大而增大。這是由于通入電流后，MRE阻尼器的磁控剛度變化使整個系統(tǒng)的固有頻率接近激振器的激振頻率，系統(tǒng)接近共振區(qū)域。

a 振幅

b 隔振系數(shù)

Fig. 5 Relationship between amplitude, solation factors and current under different excitation frequencies

3.3 不施加電流時振幅峰值

在對MRE阻尼器不施加控制電流的情況下，將激振器的激振頻率分別調(diào)至90、110、130、150、170 Hz，分別記錄兩個加速度傳感器測得的激振基礎和MRE阻尼器上質(zhì)量塊的振動幅值，如表4所示。

表4 不施加電流時的振幅

利用Matlab軟件對測得的數(shù)據(jù)進行處理，分別得到傳感器1和傳感器2的振幅峰值隨激振頻率變化的曲線，如圖6所示。

圖6 I=0 A時傳感器測得的振幅

由圖6可以看出，隨著激振頻率的增大，傳感器1和傳感器2測得的振幅峰值均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，雖然MRE阻尼器中沒有施加控制電流，但質(zhì)量塊的振幅都有不同程度的降低，其振幅最大可降低60.8%，說明此時MRE阻尼器可作為常規(guī)的阻尼器發(fā)揮減振作用。

4 結(jié) 論

(1)文中所設計的MRE阻尼器在較寬的激振頻段內(nèi)具有較好的磁控性能和移頻減振作用，對系統(tǒng)振動既可進行主動控制也可進行被動控制。在系統(tǒng)的共振區(qū)域，當MRE阻尼器中輸入最大控制電流時，可以獲得最理想的減振效果，使系統(tǒng)有效避開共

振區(qū)域。

(2)在低頻段(f<132.2 Hz)，如果能為每一激振頻率找到MRE阻尼器的最佳控制電流，即可獲得理想的減振效果; 在高頻段(f>132.2 Hz)，增大MRE阻尼器中控制電流會起到反作用，此時需斷開電源采用被動式控制方式，MRE阻尼器起到常規(guī)阻尼器的作用對振動進行抑制。

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(編校 荀海鑫)

Experimental study on vibration reduction characteristics of squeeze type MRE damper

LiangZhiqiang1,ZhangSai2,XuWenjuan1,LiGuanglu3

(1.Center for Engineering Training & Basic Experimentation, Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022, China; 2.Transmission Institute, Tianjin Tanhas Technology Co.Ltd., Tianjin 301600, China;3.Harbin Coal Mine Machinery Research Institute, Harbin 150036, China)

This paper is devoted to a better insight into the vibration reduction characteristics of a self-designed MRE damper in a squeeze operation mode. The research involves designing an experiment test platform; and testing and analyzing the vibration reduction effect of the damper under the condition of inputting different control current (0～2.0 A) and exciting frequency (90～170 Hz). Experimental results show that when the control current is applied in the resonant area, the MRE damper could provide an effective reduction in the vibration isolation coefficient and the vibration amplitude; when current is applied, the whole vibration isolation coefficient decreases with the increase of the control current if the excitation frequency is less than the resonance frequency while the whole vibration isolation coefficient increases with the current increase if the excitation frequency is larger than the resonance frequency; and when no current is applied, an increase in the excitation frequency is accompanied by an initial increase and a subsequent decrease in the amplitude peaks, with different degrees of the amplitudes reduction. The MRE damper demonstrates a better magnetic control performance and frequency shift damping effect in a wider excitation frequency range.

damper; squeeze type; vibration attenuation; magnetorheological elastomer

2017-05-20

黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目(12541732)

梁志強(1985-)，男，河北省滄州人，工程師，碩士，研究方向：機械設計及理論，E-mail：290251906@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.020

TB535.1

2095-7262(2017)05-0550-05

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