反饋控制摩擦阻尼器的設(shè)計(jì)及分析*

劉學(xué)凱 趙 東 徐增海 劉海洋

（濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250022）

振動(dòng)控制對(duì)于建筑防震、抗震，保護(hù)人身、財(cái)產(chǎn)安全有著重要作用。工作在環(huán)境復(fù)雜、惡劣情況下結(jié)構(gòu)或設(shè)備，如海洋平臺(tái)、高速?zèng)_床、高塔建筑等，其外部激振規(guī)律具有一定隨機(jī)性，難以預(yù)測(cè)。這些環(huán)境中的振動(dòng)控制需要一種能根據(jù)被控結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況而改變輸出阻尼力的減振機(jī)構(gòu)，以最大限度地消除振動(dòng)，保護(hù)結(jié)構(gòu)。

摩擦阻尼器是一種典型的耗能減振裝置。通過(guò)利用一定預(yù)緊力下的成對(duì)摩擦片的相對(duì)滑動(dòng)作用而產(chǎn)生摩擦力，該力作用于被控結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到耗能減振、保護(hù)結(jié)構(gòu)的目的［1－3］。但是，目前常見(jiàn)的摩擦阻尼器的缺點(diǎn)主要有:摩擦阻尼力可調(diào)性差;阻尼器的起滑力不易選擇;無(wú)論阻尼器是否工作，摩擦片所受正壓力始終存在，摩擦面容易發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象;不能有效利用振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)反饋控制，耗能裝置不夠靈敏［4］。在振動(dòng)工況復(fù)雜多變的環(huán)境下，要求阻尼器能夠利用被控結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)反饋，使其阻尼力能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況進(jìn)行自我調(diào)整，為被控結(jié)構(gòu)提供可靠、足量的阻尼力［5－6］。因此，研究切實(shí)可行、具有根據(jù)被控結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)調(diào)整阻尼力功能的摩擦耗能裝置非常必要［7－9］。

1 反饋控制摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足以上減振需求，本文提出一種反饋控制摩擦阻尼器，該阻尼器具有阻尼力可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、減振效果好等優(yōu)點(diǎn)。本文根據(jù)阻尼器摩擦耗能原理建立其數(shù)學(xué)模型，對(duì)其主要部件進(jìn)行有限元仿真分析，并對(duì)其性能影響參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究分析。

1.1 反饋控制摩擦阻尼器工作原理

當(dāng)外部振源作用到被控結(jié)構(gòu)時(shí)，安裝于被控結(jié)構(gòu)的反饋控制摩擦阻尼器起到摩擦耗能減振作用。被控結(jié)構(gòu)受外部振源激振下，外殼體和作動(dòng)柱塞相對(duì)于活塞體運(yùn)動(dòng)，活塞體內(nèi)部油液－增壓氣室受作動(dòng)柱塞施力作用使得氣體蓄能增壓，活塞體腔內(nèi)的油液壓力隨之改變，通過(guò)活塞銷(xiāo)將其油液端面壓力傳遞至與之連接的摩擦板，最終實(shí)現(xiàn)摩擦阻尼力隨被控結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移而調(diào)整其減振耗能能力。反饋控制摩擦阻尼器的工作原理如圖1所示。

1.2 阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反饋控制摩擦阻尼器利用被控結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移信號(hào)調(diào)整輸出阻尼力，使其獲得適當(dāng)、可調(diào)的阻尼力，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。反饋控制摩擦阻尼器是由外殼體、活塞體、作動(dòng)柱塞、氣室殼體、氣室隔膜以及安裝座等結(jié)構(gòu)組成。

阻尼器的主體為一個(gè)能夠承壓的方形空腔活塞體，其兩端由端蓋密封?；钊w下部設(shè)計(jì)一個(gè)增壓氣室。增壓氣室內(nèi)氣體通過(guò)隔膜與活塞體內(nèi)的油液隔開(kāi)?；钊w側(cè)面有均布的活塞銷(xiāo)孔，內(nèi)安裝活塞銷(xiāo)?；钊w和外殼體之間安裝有摩擦板。摩擦板外側(cè)面與外殼體內(nèi)側(cè)面組成摩擦副?；钊N(xiāo)端部安裝在摩擦板的孔內(nèi)，可以將活塞體內(nèi)油液壓力傳遞給摩擦板。在阻尼器活塞體的密封端蓋上安裝作動(dòng)柱塞。作動(dòng)柱塞通過(guò)外殼體驅(qū)動(dòng)，可以壓入、彈出活塞體，從而改變活塞體內(nèi)流體的空間體積。

為獲得多樣的減振耗能能力以滿(mǎn)足不同需求，可根據(jù)減振需求調(diào)整反饋控制摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)。該摩擦器所提供阻尼力的大小同活塞銷(xiāo)的數(shù)量、尺寸、增壓氣室初始狀態(tài)等因素有關(guān)。阻尼器可以選擇雙面、四面結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)摩擦耗能能力不同的減振效果。同時(shí)，增壓氣室的初始?jí)毫σ仓苯佑绊懽枘崞鞯暮哪苄Ч?。因此，反饋控制摩擦阻尼器可以根?jù)不同減振要求調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的減振效果。

1.3 活塞體設(shè)計(jì)

活塞體是阻尼器的重要結(jié)構(gòu)體。阻尼器工作過(guò)程中，活塞體內(nèi)部油液壓力在一定范圍內(nèi)根據(jù)預(yù)期規(guī)律變化?；钊w是一個(gè)壁厚不均勻的空腔長(zhǎng)方體。油液－增壓氣室施加在活塞體上的壓力造成活塞體某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中甚至破壞。因此需要對(duì)活塞體的受力情況進(jìn)行分析和研究。通過(guò)有限元仿真對(duì)其受力的極限狀態(tài)進(jìn)行分析，并根據(jù)應(yīng)力分布情況，比較危險(xiǎn)點(diǎn)的最大等效應(yīng)力和材料破壞強(qiáng)度，以保證活塞體的使用壽命和安全性。

使用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維建模，將模型保存為x_t格式導(dǎo)入Adina有限元分析軟件建立有限元模型?；钊w是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此選取1/4模型，在對(duì)稱(chēng)面設(shè)置對(duì)稱(chēng)約束進(jìn)行分析。分析模型的網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格劃分，活塞體下端全約束。活塞體上端端蓋采用了螺栓連接并設(shè)計(jì)O型圈密封。對(duì)活塞體內(nèi)表面施加均布載荷，研究作動(dòng)柱塞直徑為0.01 m、0.02 m情況下，分別進(jìn)行2 MPa、5 MPa和10 MPa的載荷加載分析，其等效應(yīng)力分布情況如圖3所示:

活塞體分析結(jié)果如表1和圖3所示。分析結(jié)果顯示:（1）活塞銷(xiāo)同活塞體接觸位置存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象;（2）對(duì)于直徑為0.01 m和0.02 m的作動(dòng)柱塞，內(nèi)部油腔油液壓力從2 MPa到10 MPa的變化過(guò)程中，應(yīng)力集中點(diǎn)的最大等效應(yīng)力值遠(yuǎn)小于所選材料的破壞強(qiáng)度;（3）作動(dòng)柱塞安裝孔的增大使得活塞體的最大等效應(yīng)力有所增加，但仍在安全范圍之內(nèi);（4）為使阻尼器獲得更為強(qiáng)勁的阻尼特性可以在一定范圍內(nèi)增大作動(dòng)柱塞直徑而不會(huì)危及活塞體安全。

表1 最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力值 MPa

1.4 作動(dòng)柱塞設(shè)計(jì)

作動(dòng)柱塞是反饋控制摩擦阻尼器的關(guān)鍵作用部件。作動(dòng)柱塞是一個(gè)圓柱形長(zhǎng)柱塞，在兩端分別設(shè)置一軸用彈性擋圈溝槽。溝槽尺寸依據(jù)彈性擋圈型號(hào)選擇，安裝軸用彈性擋圈是起到限位作用。根據(jù)O型圈安裝要求，設(shè)計(jì)作動(dòng)柱塞兩端倒角為15°，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

作動(dòng)柱塞同活塞體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致活塞體磨損。為延長(zhǎng)活塞體使用壽命，在作動(dòng)柱塞和活塞體之間設(shè)計(jì)安裝套。設(shè)計(jì)中考慮兩者之間的磨損、加工成本以及制造難易程度，選用作動(dòng)柱塞作為易損件。作動(dòng)柱塞安裝套需要較高的強(qiáng)度、耐磨性以及良好的尺寸穩(wěn)定性，材料選擇QT500－7。作動(dòng)柱塞選用成本較低、耐磨性較低的材料，選擇45鋼。

反饋控制摩擦阻尼器是在作動(dòng)柱塞與活塞體的相對(duì)位移作用下，油液－增壓氣室的壓力作用于柱塞銷(xiāo)而實(shí)現(xiàn)阻尼力的調(diào)整變化。因此，內(nèi)部油液的壓力可以反映摩擦阻尼力的變化規(guī)律。本文根據(jù)阻尼器的摩擦耗能原理研究作動(dòng)柱塞參數(shù)，如壓入長(zhǎng)度、截面半徑等對(duì)其耗能性能的影響。

為得到作動(dòng)柱塞截面半徑對(duì)阻尼器性能的影響規(guī)律，選擇不同半徑的作動(dòng)柱塞進(jìn)行分析。阻尼器參數(shù)如下:增壓氣室初始?jí)毫0=2 MPa;作動(dòng)柱塞半徑R2分別選擇 0.01、0.013、0.018、0.02 m;作動(dòng)柱塞壓入長(zhǎng)度變化范圍為0～0.1 m。不同作動(dòng)柱塞的半徑、壓入長(zhǎng)度對(duì)油液壓力影響規(guī)律如圖5所示。

通過(guò)作動(dòng)柱塞壓入長(zhǎng)度－油液壓力關(guān)系可知:氣體初始?jí)毫0=2 MPa時(shí)，油液壓力變化范圍為10～35 MPa;阻尼器內(nèi)部油液隨作動(dòng)柱塞壓入長(zhǎng)度增力效果明顯;利用該增力效果使阻尼器根據(jù)被控結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)提高耗能減振效果。

1.5 隔膜設(shè)計(jì)

隔膜同氣室殼體所構(gòu)成的空間為增壓氣室。阻尼器耗能減振過(guò)程中，作動(dòng)柱塞的位移變化使得氣體增壓，油液壓力隨之改變。隔膜的材料、形狀都會(huì)對(duì)其壽命和性能產(chǎn)生影響。氯丁橡膠工作溫度－17.7～93.3℃，廣泛應(yīng)用于無(wú)腐蝕性的液體中，適宜于制造阻尼器油液－增壓氣室隔膜。

根據(jù)隔膜使用設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，角度α一般選取35°～40°，厚度t、高度h以及隔膜直徑d則根據(jù)氣體初始?jí)毫Α⒐ぷ髯罡邏毫Φ纫蛩鼐C合選定，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2 阻尼器耗能性能研究

油液－增壓氣室增力作用是阻尼器實(shí)現(xiàn)被控結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)調(diào)整其輸出阻尼力功能的關(guān)鍵。油液壓力直接反映阻尼力變化規(guī)律，該變化主要通過(guò)油液、增壓氣室的綜合作用實(shí)現(xiàn)。阻尼器減振作用過(guò)程中，油液－增壓氣室作用過(guò)程看作絕熱過(guò)程，忽略活塞體變形，油液為不可壓縮流體，液壓油在油腔中各種阻力忽略不計(jì)，忽略流體泄露、壓力損失。

為研究反饋控制摩擦阻尼器的靜態(tài)耗能性能及其耗能性能影響參數(shù)，根據(jù)增壓氣體狀態(tài)方程得到其關(guān)系式為

式中:n為氣體多變指數(shù);P0為增壓氣室初始?jí)毫?，V0為增壓氣室初始體積。靜態(tài)過(guò)程中，氣體同隔膜另一側(cè)油液的壓力相同;p為某時(shí)刻增壓氣室的氣體壓力，V為某時(shí)刻增壓氣室的氣體體積，作動(dòng)柱塞壓入長(zhǎng)度為l。

結(jié)合阻尼器摩擦耗能原理，得到油液壓力pf關(guān)于作動(dòng)柱塞參數(shù)和增壓氣室參數(shù)的關(guān)系為

活塞銷(xiāo)的截面面積為A3，作動(dòng)柱塞截面半徑為R2;ΔV是作動(dòng)柱塞作用長(zhǎng)度l時(shí)氣體的等效壓縮體積。綜合庫(kù)倫力摩擦力模型，設(shè)阻尼器為耗能面數(shù)為z，每個(gè)耗能摩擦面設(shè)計(jì)活塞銷(xiāo)數(shù)為j。得出作動(dòng)柱塞壓入長(zhǎng)度l同摩擦阻尼力F的關(guān)系為

阻尼器的力－位移滯回曲線可用來(lái)衡量阻尼器耗能效果。力－位移滯回曲線的飽滿(mǎn)性越好，則表明其耗能效果越優(yōu)良。根據(jù)式（3）可以繪制新型阻尼器的力－位移滯回曲線，如圖7所示。從圖中可以看出，傳統(tǒng)恒力摩擦阻尼器的力－位移滯回曲線近似于矩形，而反饋控制摩擦阻尼器的耗能能力在單向位移加載時(shí)隨振幅增大而增大，其輸出阻尼力可根據(jù)振動(dòng)劇烈狀況調(diào)整，耗能效果提升明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種反饋控制摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)，并對(duì)主要作用部件活塞體進(jìn)行了有限元仿真分析，驗(yàn)證阻尼器的結(jié)構(gòu)安全性和可靠性。根據(jù)新型阻尼器摩擦耗能原理建立了數(shù)學(xué)模型，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)反饋控制摩擦阻尼器的摩擦耗能效果的影響規(guī)律。通過(guò)理論模型分析得到阻尼器的力－位移滯回曲線。理論和仿真分析證明該類(lèi)阻尼器能夠根據(jù)被控結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移信號(hào)調(diào)整阻尼力，具有良好的耗能減振性能。

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