基于磁流變彈性體的電梯減振系統(tǒng)研究

鄭祥盤，郭源帆，陳淑梅

(1.福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350116；2.福建省特種設(shè)備檢驗研究院，福建 福州 350008)

0 引言

電梯啟動、運行及停車時，電梯產(chǎn)生振動不僅會影響乘客乘坐電梯安全性、舒適性，振動傳遞產(chǎn)生噪聲還會惡化生活環(huán)境。

目前，在電梯減振結(jié)構(gòu)的振動隔離與控制中，常用的隔振裝置主要為被動式隔振器。被動式隔振器由于采用普通橡膠或金屬彈簧作為阻尼元件，完全沒有調(diào)節(jié)能力，有一定的局限性。而主動式隔振器一般結(jié)構(gòu)復雜、需消耗大量的能源，因而限制了它在工程實際中的應用。半主動控制綜合了主動控制與被動控制的優(yōu)點，即它既具有被動控制系統(tǒng)的可靠性，又具有主動控制系統(tǒng)的強適應性。而磁流變彈性體作為磁流變材料的一個新分支，既具有響應快、可逆性好、可控性好的優(yōu)點，又克服了磁流變液沉降、穩(wěn)定性差等缺點[1]。因此，將磁流變彈性體運用于主被動一體振動隔離與控制是極富研究價值的，在工程上是具有應用潛力的。近年來，已有人利用磁流變彈性體材料來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的半主動隔振，但采用的結(jié)構(gòu)式通常為剪切式受力，即磁流變彈性體材料受剪切力的作用，這種結(jié)構(gòu)式存在承載力小的缺點，不宜用于大載荷微幅振動場合[2]。而本文設(shè)計的隔振系統(tǒng)正是將磁流變彈性體與半主動振動控制技術(shù)相結(jié)合，提供一種能適應重載微幅振動結(jié)構(gòu)的主被動一體控制與振動隔離的擠壓式磁流變彈性體隔振器，在電梯啟動、運行及停車時起到良好的減振效果與抑制噪聲傳遞作用。

1 磁流變彈性體的工作原理

磁流變彈性體是一種高分子聚合物中嵌有鐵磁性顆粒的智能材料，在外磁場的作用下固化，使顆粒在基體中形成鏈狀及柱狀有序結(jié)構(gòu)，這種有序結(jié)構(gòu)導致材料的力學性能可控，因此可設(shè)計出由磁場控制的變剛度與變阻尼器件。目前，利用磁流變彈性體制備的緩沖減振器件都是基于以下兩種工作模式進行設(shè)計的[3]。

剪切模式：如圖1(a) 所示，磁流變彈性體粘置于兩相對運動的極板之間，外加磁場經(jīng)過極板垂直作用于兩極板之間的磁流變彈性體，使磁流變彈性體的粘彈性能發(fā)生變化，從而使磁流變彈性體的剪切模量發(fā)生變化，達到利用外加磁場進行變剛度的目的。利用這種工作模式可設(shè)計開發(fā)彈性體緩沖器、吸振器以及汽車懸架套筒等磁流變器件。

圖1 磁流變彈性體工作模式

拉壓模式：如圖1(b)所示，磁流變彈性體粘置于兩相對運動的極板之間，磁流變彈性體受極板的拉壓膨脹或壓縮，外加磁場經(jīng)過極板垂直作用于兩極板之間的磁流變彈性體，使磁流變彈性體的粘彈性能發(fā)生變化，從而使磁流變彈性體的楊氏模量發(fā)生變化，達到改變彈性體對所受作用力的阻力的作用。目前國內(nèi)外文獻中未見利用這種工作模式設(shè)計開發(fā)的彈性體器件。但在這一工作模式下的磁流變彈性體隔振器具有非常強的非線性，其結(jié)構(gòu)簡單，可以承受較大的載荷，本文所研究設(shè)計的主被動一體磁流變彈性體隔振器就是基于這種擠壓式工作模式進行的隔振器設(shè)計。

擠壓式主被動一體磁流變彈性體隔振器，如圖2所示。它的工作原理是：上線圈繞組6和下線圈繞組1通電后，在上導磁體7和下導磁體3間產(chǎn)生磁場，磁場作用于磁流變彈性體2上。通過固定于振動平臺上的傳感器10測到的被控對象5的振動信號經(jīng)過電荷放大器放大后發(fā)送到控制單元模塊12，控制單元模塊12根據(jù)被控對象5的振動特性和隔振要求適時調(diào)節(jié)上線圈繞組6和下線圈繞組1中的電流大小，控制上導磁體7和下導磁體3之間的磁場強度，進而改變磁流變彈性體2的剛度和阻尼，這樣就可控制磁流變彈性體2的功耗，從而達到所需的主被動一體隔振效果。

1—下線圈繞組；2—MRE；3—下導磁體；4—隔磁外筒；5—振動平臺；6—上線圈繞組；7—上導磁體；8—螺桿；9—下蓋板；10—傳感器；11—電源；12—控制單元圖2 擠壓式磁流變彈性體隔振器工作原理圖

由于磁流變彈性體2置于上導磁體7和下導磁體3之間，可承受電梯擠壓載荷作用，大大提高了隔振器的承載能力；同時根據(jù)磁流變彈性體的移頻特性，在大小不同的激振力產(chǎn)生不同的激振頻率的情況下，使用具有一定靈敏度的控制系統(tǒng)隨時測得振動平臺的振動情況，根據(jù)不同的實時反饋情況做出不同的電流輸出，形成磁感應強度不同的磁場，進而使磁流變彈性體的剛度和阻尼發(fā)生變化，即改變磁流變彈性體振動的固有頻率，以使整個振動系統(tǒng)的振動幅度降到最小，最大限度的遠離共振區(qū)域，最終達到系統(tǒng)要求的隔振效果。該隔振器的整個控制過程是一個典型的閉環(huán)控制過程，能夠?qū)崿F(xiàn)對被控對象實時自動控制。

2 擠壓式磁流變彈性體隔振系統(tǒng)的設(shè)計

隔振器的作用一是支撐設(shè)備，二是衰減振動[4]。用于電梯減振系統(tǒng)設(shè)計的擠壓式磁流變彈性體隔振器，通過使用新型智能材料-磁流變彈性體，提供支撐設(shè)備所需的剛度和阻尼，與電梯減振工作特性要求吻合。

2.1 磁流變彈性體隔振系統(tǒng)的總體設(shè)計

圖3是主被動一體隔振系統(tǒng)的控制工作原理示意圖，此系統(tǒng)可以分為兩大部分：1) 為工作部分，通過磁流變彈性體的磁致效應以實現(xiàn)不同剛度和阻尼下的振動隔離；2) 部分為控制部分，通過傳感器采集到的實時信號并經(jīng)過放大等處理后，由控制主機按程序要求處理得到控制信號，再由功率放大器與直流穩(wěn)壓電源控制加在彈性體的磁場大小，以改變彈性體的剛度和阻尼，在電梯啟動、運行、停止與緊急制停時起到良好的減振效果，不僅會提高乘客乘坐電梯安全性、舒適性，還減少振動傳遞產(chǎn)生噪聲。

圖3 主被動一體隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 磁流變彈性體電梯隔振系統(tǒng)的設(shè)計

2.2.1 彈性元件的選擇

由于磁流變彈性體具有類似于橡膠的力學特性，且其綜合力學性能比橡膠更好，主要表現(xiàn)為動態(tài)屈服應力隨磁場強度的增加而增加，且這種變化是可逆的。通過對外加磁場強弱的控制，可在毫秒級的時間內(nèi)改變彈性體的力學特性，如磁致彈性模量、磁致伸縮等。將這種特性用于電梯啟動、運行及停車時減振中，通過一個外加可控磁場來改變磁流變彈性體的彈性模量和阻尼系數(shù)，就可以自動調(diào)節(jié)阻尼器的剛度和阻尼力，從而能夠滿足電梯啟動、運行及停車時低頻微幅振動實時控制的要求?；谝陨蠈Υ帕髯儚椥泽w綜合性能優(yōu)點的考慮，所設(shè)計的擠壓式主被動一體隔振器就選用磁流變彈性體作為彈性隔振元件。

2.2.2 磁流變彈性體的選擇

作為一種新興的智能材料，現(xiàn)在磁流變彈性體還沒有統(tǒng)一的制備方法，而使用不同的工藝制成的材料在磁流變效應上的差距能達到幾倍甚至幾十倍，因此深入研究磁流變彈性體的原材料，制備工藝及其對材料性能的影響，對于用于電梯減振工況的這種材料的研制是非常重要的[5]。

磁流變彈性體在固化之前，基體呈液態(tài)或粘塑性體狀態(tài)。此時的鐵磁性顆粒懸浮于基體中，在各種外力的影響下運動并形成有序結(jié)構(gòu)。而磁流變彈性體中有序結(jié)構(gòu)對磁流變效應的影響非常大。通過分析鐵磁性顆粒在液體中的受力情況，可以提出優(yōu)化磁流變彈性體制備工藝的原則。而通過對于多種樣品的研制，為工藝優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。從固化時是否加磁場方面考慮，磁流變彈性體的基本制備方法主要分為兩種[5]。

1) 預結(jié)構(gòu)化的磁流變彈性體：它主要是由流體狀基體和鐵磁性顆粒組成，混合物在交鏈固化的過程中需要施加外部磁場，由于此時基體尚未固化而呈液態(tài)或粘塑性體狀態(tài)，鐵磁性顆粒還可以移動，所以能利用磁流變效應(即鐵磁性顆粒在磁場方向形成鏈或柱狀聚集結(jié)構(gòu))，使顆粒在橡膠基體中形成有序結(jié)構(gòu)。混合物固化后，這種有序結(jié)構(gòu)就保留在基體中。因此預結(jié)構(gòu)化磁流變彈性體(又稱有場下制備的磁流變彈性體)是一種各向異性的彈性體材料。

2) 非結(jié)構(gòu)化的磁流變彈性體：它的特點在于基體固化過程中，不用施加外磁場，顆粒也不會沿磁場方向形成鏈或柱狀結(jié)構(gòu)。因此非結(jié)構(gòu)化磁流變彈性體(又稱無場下制備的磁流變彈性體)是一種各向同性的彈性體材料。無場制備磁流變彈性體的磁流變效應一般僅為有場下制備材料的一半以下。

無論是有場還是無場制備的磁流變彈性體，在施加外磁場后，顆粒之間的磁相互作用都將會改變材料本身的一些性質(zhì)，因此它們的力學、電學諸性能可以由外加磁場來控制[5]。為了使磁流變彈性體獲得更加明顯的磁流變效應，提高整個隔振系統(tǒng)的靈敏度，該隔振系統(tǒng)采用在有磁場作用下制備的磁流變彈性體作為隔振彈性元件。

2.2.3 磁流變彈性體的尺寸設(shè)計

根據(jù)電梯現(xiàn)有減振墊，初選為圓柱體的磁流變彈性體。根據(jù)磁流變彈性體工作在擠壓狀態(tài)下，橡膠材料在拉伸或壓縮載荷作用下，載荷與變形關(guān)系式非線性的，以受拉壓的橡膠材料而言，只有在相對變形不超過15%的情況下，近似符合胡克定理。在工程中從橡膠元件的疲勞程度考慮，通常將其相對變形控制在<15%，所以在一般情況下，磁流變彈性體在拉伸與壓縮時的變形與載荷關(guān)系，也可以近似地用式(1)表示：

(1)

橡膠材料的剪切彈性模數(shù)G，主要取決于橡膠材料的硬度，不因橡膠種類或成分的不同而有明顯的變化，對于成分不同而硬度相同的橡膠，其G值之差不超過10%。在實用范圍內(nèi)，G和硬度的關(guān)系可用式(2)計算：

G=1.19e0.034HS

(2)

彈性模數(shù)E與剪切彈性模數(shù)G的關(guān)系：

E=3G

(3)

根據(jù)機械設(shè)計手冊中，橡膠壓縮彈簧的計算公式，可近似計算出變形，剛度等參數(shù)如：

(4)

(5)

先將彈性體設(shè)計為，設(shè)計尺寸直徑為150mm，高為200mm的圓柱體。

經(jīng)過上述公式校核，以預承載500N的載荷可得此尺寸的磁流變彈性體滿足設(shè)計要求，同時使用多個承載500N載荷的磁流變彈性體也能滿足電梯運行工況要求，同時使用多個承載500N載荷的磁流變彈性體也能滿足電梯運行工況要求。

2.2.4 磁流變彈性體隔振器的結(jié)構(gòu)建模

設(shè)計隔振器整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案是：將磁流變彈性體固聯(lián)于圓柱形的上導磁體和下導磁體之間，上導磁體和下導磁體的外圓周表面上的凹槽內(nèi)分別嵌有上線圈繞組和下線圈繞組，上導磁體的上部連接有螺栓連接桿；上導磁體、磁流變彈性體、下導磁體及螺栓連接桿的下部分均置于隔磁外筒內(nèi)，隔磁外筒的上部設(shè)有蓋板，螺栓連接桿的上部分從蓋板上的通孔中伸出并與被控對象連接；隔磁外筒、蓋板和連接桿均采用非導磁體材料制成。

將隔振器的主要零部件(上導磁體、下導磁體、隔磁外筒和蓋板)使用UG繪圖軟件完成三維立體建模，然后從已做好的標準件零件庫中調(diào)用螺釘和螺母等標準件組裝成隔振器的整個裝配圖，后檢查裝配好的各個零部件之間是否有位置干涉。最終設(shè)計完成的用于電梯減振的隔振器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 磁流變彈性體隔振器結(jié)構(gòu)圖

3 擠壓式磁流變彈性體隔振器的有限元分析

通過有限元分析軟件ANSYS對磁流變彈性體減振器主要工作部件進行靜力學分析，包括上下導磁體和彈性體，觀察磁流變彈性體與上下導磁體在承受一定的載荷作用下發(fā)生的變形，以及上下導磁體和磁流變彈性體內(nèi)部的應力和應變分布情況，以檢驗是否達到設(shè)計的要求[6]。

添加約束和載荷，分析減振器，應將下導磁的固定，即限制它所有的自由度，而僅在上導磁體的上表面只受到z方向上的力，此處暫設(shè)為500N。

分析要完成的結(jié)果主要是：上導磁體受到電梯載荷力的影響將力傳遞到磁流變彈性體與下導磁體，網(wǎng)格劃分如圖5在載荷的作用下，所產(chǎn)生的位移變化，應力和應變的分布云圖以及分布密度云圖如圖6。通過查看這些分析結(jié)果，可對所設(shè)計的磁流變彈性體的結(jié)構(gòu)和工作性能，有一個比較全面的了解，并針對分析結(jié)果產(chǎn)生的問題做出相應的改進措施。另外，由于設(shè)計的擠壓式磁流變彈性體隔振器受到的是沿z軸方向的正壓力，因此研究分析磁流變彈性體沿z軸方向的受力變形，對整個隔振器的工作精度的影響具有重要意義。

使用ANSYS軟件在對磁流變彈性體進行靜力學分析的過程中，就是只對其施加的z軸方向的壓力載荷，其他方向附加載荷的影響忽略不計。對磁流變彈性體施加約束和載荷后的最后分析結(jié)果如圖7與圖8所示。

圖5 網(wǎng)格劃分圖

圖6 應變云圖

圖7 應力云圖

圖8 MRE應力云圖

圖7與圖8顯示的分析結(jié)果可以看出，磁流變彈性體在承受電梯正壓力500N載荷的作用下，它的下表面應力和應變都比較明顯；沿徑向分布來看，從磁流變彈性體的外部往里，應力和應變的變化基本相同，都是逐漸減小，呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。其中應力的分布有些不同，在磁流變彈性體下表面的邊緣應力分布并不均勻，局部出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，這與隔振器實際的工作狀況——磁流變彈性體的應力分布情況比較相符。同時還可發(fā)現(xiàn)，磁流變彈性體的應力和應變基本上是成對稱分布的，最大值勻出現(xiàn)在它與導磁體的接觸位置，在這些地方容易出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

磁流變彈性體是一種新型的智能材料，在許多控制領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。本文設(shè)計了用于電梯減振的一種基于擠壓式工作模式的磁流變彈性體隔振器，對該隔振器的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了研究，并使用有限元分析軟件對隔振器的工作性能進行了理論分析與優(yōu)化設(shè)計，從而完成整個隔振器的參數(shù)設(shè)計所設(shè)計的擠壓式隔振器以磁流變彈性體作為彈性元件，在電梯啟動、運行及停車時起到良好的減振效果與抑制噪聲傳遞作用，具有結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大、能耗低和自適應主被動一體控制等優(yōu)點，是振動工程的理想控制元件，具有非常廣闊的發(fā)展前景。

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