一種新型結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器

郝瑞曉， 邢海軍， 郝瑞參， 王榮棟， 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）

0 引言

磁流變阻尼器（MRD）是具有磁流變液（MRF）可控特性的阻尼器件，在土木、車輛、建筑、機(jī)械工程等振動控制領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注［1－4］。當(dāng)沒有磁場時，磁流變液是很好的牛頓流體；當(dāng)在它周圍施加磁場時，僅僅需要毫秒級的時間磁流變液就會快速轉(zhuǎn)化為粘塑性流體［5］。其屈服強(qiáng)度受控于磁場強(qiáng)度。利用MRF的可控特性制作的MRD具有阻尼力調(diào)節(jié)范圍寬泛，響應(yīng)快速，結(jié)構(gòu)簡單，方便控制等優(yōu)點(diǎn)［6－7］。

常見MRD的電磁線圈繞于活塞上，環(huán)狀通道設(shè)置在活塞上或設(shè)在活塞與缸體的間隙之間。給MRD施加電場時MR流體流過環(huán)狀通道，從而產(chǎn)生阻尼力［8－9］。給電磁線圈通電后，在環(huán)狀通道內(nèi)產(chǎn)生磁場，磁場的方向和磁流變液流動的方向相垂直，調(diào)節(jié)施加給電磁線圈的電流來改變環(huán)狀通道內(nèi)的磁場強(qiáng)度，就可以控制MRF的流變特性從而達(dá)到控制阻尼力的目的［10］。這種結(jié)構(gòu)有以下缺點(diǎn)：（1）電磁線圈纏繞在活塞上，周圍被MR流體包圍，工作時產(chǎn)生的熱量積聚在線圈附近，容易燒毀線圈；（2）當(dāng)線圈燒壞需要更換時，密封結(jié)構(gòu)不容易拆卸；（3）線圈外接電源時需要在活塞桿上鉆孔引線，這樣MRF很容易在引線部位泄漏；（4）活塞的結(jié)構(gòu)過于緊湊，容易產(chǎn)生磁場飽和現(xiàn)象，限制了阻尼力的調(diào)節(jié)范圍；（5）活塞的軸向尺寸較大，當(dāng)MRD的軸向安裝尺寸受到限制時，會減小活塞的有效行程，尤其是為了提高阻尼器的阻尼力而采用多級活塞時，這種情況更明顯。

為了克服上述缺陷，本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的MRD，該MRD主要包括內(nèi)層缸筒、外層缸筒和線圈組件，其中線圈組件固定于外層缸筒的外側(cè)。電磁線圈不與磁流變液接觸，具有線圈組件裝拆方便、散熱良好、能夠提高磁流變阻尼器活塞的有效行程等優(yōu)點(diǎn)。多個線圈串聯(lián)，可以增加阻尼器的阻尼力調(diào)節(jié)范圍。電磁線圈通電時會在MRD的磁流變液通道內(nèi)產(chǎn)生有效磁場，MRD的磁流變效應(yīng)明顯。

1 新型MRD的結(jié)構(gòu)

新型MRD的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括缸底耳環(huán)、缸底、缸底密封、浮動活塞、浮動活塞密封、活塞、活塞密封、活塞桿、缸蓋、缸蓋密封、活塞桿耳環(huán)、內(nèi)層缸筒、外層缸筒組件、緊定螺釘和線圈組件。浮動活塞、上蓋和內(nèi)層缸筒構(gòu)成的腔體稱為MR腔，其中缸蓋、活塞與內(nèi)層缸筒構(gòu)成MR上腔；浮動活塞、活塞和內(nèi)層缸筒構(gòu)成MR下腔；缸底、內(nèi)層缸筒和浮動活塞構(gòu)成蓄能腔。內(nèi)層缸筒與外層缸筒之間的環(huán)狀通道為MR流動通道，內(nèi)層缸筒上部及下部開有通流孔。MR腔及MR流動通道內(nèi)，充滿磁流變液。當(dāng)活塞上下移動時，MR由MR上腔（或下腔）流經(jīng)通流孔及MR流動通道回到下腔（或上腔）。

圖1 新型MRD結(jié)構(gòu)

線圈組件通過緊定螺釘固定于外層缸筒。新型MRD的線圈組件直接套裝在阻尼缸筒的外側(cè)，這樣線圈不與MRF直接接觸，當(dāng)線圈出現(xiàn)故障需要更換時不用拆卸密封裝置，直接將線圈組件拆下更換即可，也避免了在活塞桿上鉆孔引出線圈導(dǎo)線不方便且容易泄露MRF的現(xiàn)象發(fā)生；同時多個線圈串聯(lián)也會使阻尼力的調(diào)節(jié)范圍增大。

內(nèi)層缸筒結(jié)構(gòu)如圖2所示，在內(nèi)層缸筒的上端和下端（位于蓄能器上部）沿周邊分布若干個通流孔將磁流變液腔與環(huán)狀通道聯(lián)通，通流孔聯(lián)通了MR內(nèi)腔和MR流動通道。工作時活塞在內(nèi)層缸筒上端和下端的通流孔之間上下運(yùn)動。內(nèi)層缸筒采用高磁導(dǎo)率軟磁材料制作，內(nèi)層缸筒與上蓋、缸底之間為小間隙配合。

2 新型MRD的磁路設(shè)計(jì)

新型MRD內(nèi)層缸筒全部導(dǎo)磁，外層缸筒為導(dǎo)磁段和不導(dǎo)磁段間隔的結(jié)構(gòu)，線圈組件上各部分也為導(dǎo)磁段和不導(dǎo)磁段間隔的結(jié)構(gòu)，而且相對應(yīng)的導(dǎo)磁段和不導(dǎo)磁段長度相同。這樣線圈工作時會在內(nèi)層缸筒和外層缸筒之間形成分段的有效磁場，根據(jù)線圈的個數(shù)劃分有效磁場形成區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)會形成相應(yīng)的磁路。圖3為外層缸筒結(jié)構(gòu)剖視圖，上部為不導(dǎo)磁段，下部為不導(dǎo)磁段，其中中部導(dǎo)磁段和不導(dǎo)磁段為間隔設(shè)置結(jié)構(gòu)，通過焊接將各段連接起來。外層缸筒的導(dǎo)磁段采用高磁導(dǎo)率軟磁材料，不導(dǎo)磁段采用不導(dǎo)磁材料，中部導(dǎo)磁段與不導(dǎo)磁段的長度與線圈組件上導(dǎo)磁段和不導(dǎo)磁段的長度相同。

圖2 內(nèi)層缸筒剖視圖

圖3 外層缸筒剖視圖

圖4為線圈組件的剖視圖。線圈組件主要由導(dǎo)磁套筒、導(dǎo)磁環(huán)、線圈纏繞體和電磁線圈組成。導(dǎo)磁環(huán)和導(dǎo)磁套筒制作材料為高磁導(dǎo)率軟磁材料。圖4中導(dǎo)磁環(huán)分為上端導(dǎo)磁環(huán)、中部導(dǎo)磁環(huán)和下端導(dǎo)磁環(huán)，中部導(dǎo)磁環(huán)將線圈分別隔開，上端導(dǎo)磁環(huán)和下端導(dǎo)磁環(huán)上分別設(shè)有螺紋通孔。整個線圈組件通過緊固螺釘固定于外側(cè)缸筒，拆卸線圈組件時直接松開緊固螺釘即可，方便簡單。

圖4 線圈組件剖視圖

圖5為線圈組件中的線圈纏繞體剖視圖，采用導(dǎo)磁段和不導(dǎo)磁段間隔設(shè)置的焊接結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)磁段和不導(dǎo)磁段的長度和外層缸筒中部結(jié)構(gòu)的導(dǎo)磁段和不導(dǎo)磁段的長度一致，導(dǎo)磁段材料采用高磁導(dǎo)率軟磁材料。為了便于進(jìn)行磁路分析和計(jì)算，需要分析磁路的形成原理。新型MRD線圈組件中的兩個導(dǎo)磁環(huán)、導(dǎo)磁套筒和線圈纏繞體的不導(dǎo)磁段將單個線圈包圍起來，內(nèi)層缸筒和外層缸筒之間的MR流動通道內(nèi)充滿MRF，在線圈形成的有效磁場區(qū)域內(nèi)，會形成如圖6所示的磁路。

圖5 線圈纏繞體剖視圖

圖6 MRD的磁路

3 MRD磁路分析

通過對磁路的分析，可以對MRD的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行更加合理的設(shè)計(jì)。磁路中可以將MRD看作兩部分：一部分為導(dǎo)磁材料組成的實(shí)體部分；另一部分為MR阻尼通道間隙，里面充有磁流變液體。這里內(nèi)層缸筒、外層缸筒導(dǎo)磁段、線圈纏繞體導(dǎo)磁段、導(dǎo)磁環(huán)和導(dǎo)磁套筒采用40號低碳鋼材料，不導(dǎo)磁段采用黃銅材料，磁流變液采用美國LORD公司生產(chǎn)的MRF－132LD磁流體。表1列出MRF－132LD磁流體和低碳鋼的其他磁性參數(shù)值。

表1 低碳鋼和磁流變液的磁性參數(shù)值

3.1 MRD的電磁場理論計(jì)算分析

以便于和用ANSYS軟件分析出來的MRD磁場強(qiáng)度做對比，MR阻尼通道間隙設(shè)置為h＝1mm，其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表2所示。

磁路歐姆定律是計(jì)算激勵電流和磁路設(shè)計(jì)中磁場強(qiáng)度關(guān)系的基礎(chǔ)公式，是所有電磁設(shè)備設(shè)計(jì)和制作的基礎(chǔ)。對于此MRD的設(shè)計(jì)，由安培環(huán)路定理

表2 磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)值

可以得出公式

式中，H為線圈鐵芯的磁場強(qiáng)度；I為勵磁電流；N為電磁線圈的匝數(shù)；l為磁路的平均長度。磁感應(yīng)強(qiáng)度公式為

磁通量公式為

式中，μ為線圈鐵芯的磁導(dǎo)率；S為鐵芯橫截面積。線圈鐵芯橫截面積S＝π×（r26－r25），得出S＝201π。將公式（2）、（3）帶入公式（4）得出

忽略漏磁因素所形成的磁力線的走向?yàn)椋合韧ㄟ^內(nèi)層缸筒到達(dá)MR流動通道；而后依次穿過外層筒導(dǎo)磁段、線圈纏繞體導(dǎo)磁段、導(dǎo)磁環(huán)，再依次穿過下部導(dǎo)磁環(huán)、線圈纏繞體導(dǎo)磁段、外層缸筒導(dǎo)磁段、MR流動通道和內(nèi)層缸筒，最后形成一個閉合回路。磁路沿軸向長度l＝50mm，其中導(dǎo)磁環(huán)軸向長度L1＝10mm，電磁線圈軸向長度L2＝40mm。磁路中沿軸向方向的電阻計(jì)算式為

磁力線依次穿過的各個導(dǎo)磁段橫截面積的電阻計(jì)算式為

式中，S為所求各段電阻的橫截面積，S＝π×（D2－d2）／4；l為所求各段電阻的長度。這樣磁路中總電阻為

式中，R1為內(nèi)層缸筒軸向電阻；R6為導(dǎo)磁套筒電阻；R0為阻尼間隙內(nèi)空氣的電阻；R2為內(nèi)層缸筒橫向電阻；R3為外層缸筒電阻；R4為線圈纏繞體電阻；R5為導(dǎo)磁環(huán)電阻。

當(dāng)MRD尺寸按表2所給參數(shù)計(jì)算時，MRF－132LD的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.8 T，此時磁場強(qiáng)度Hf＝1.5×105A／m。由于MR間隙內(nèi)存在磁流變液，μ不能按空氣磁導(dǎo)率μ0計(jì)算，此時R總約為700Ω，取N＝300匝，綜合以上公式計(jì)算出達(dá)到飽和時的電流I為

將各個參數(shù)值代入公式（9），最后得出飽和電流Im的值：Im＝3.33 A。

將μ鋼＝715μ0，μ液＝5μ0（其中μ0＝4π×10－7），代入公式（1）（2）（3）（4）計(jì)算得出此時磁場強(qiáng)度公式

將磁場強(qiáng)度公式（11）代入磁感應(yīng)強(qiáng)度公式（3），得出磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁導(dǎo)率μ的關(guān)系

當(dāng)I＝2 A時，R總＝989.58Ω，此時未達(dá)到飽和電流Im的值，可知計(jì)算結(jié)果有效。MRD間隙內(nèi)的磁場強(qiáng)度 H＝271.116 8（A／m）。

3.2 MRD的有限元分析

利用有限元軟件可以更精確地分析MRD在阻尼間隙內(nèi)的磁場強(qiáng)度分布和磁力線分布。由于新型磁流變阻尼器為軸對稱結(jié)構(gòu)，只對其二分之一結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁場有限元分析。約束條件為：磁通量的作用方向和軸對稱分析結(jié)構(gòu)的表面相平行，即Az＝0。根據(jù)靜態(tài)磁場有限元分析步驟對其進(jìn)行建模分析：（1）首先對兩種MRD創(chuàng)建物理環(huán)境；（2）在ANSYS環(huán)境下對兩種MRD進(jìn)行建模，然后經(jīng)過單元的選擇，網(wǎng)格的劃分、對兩種模型的不同區(qū)域賦予材料特性；（3）加載約束條件；（4）求解；（5）后處理［11－12］。

根據(jù)表2列出的新型MRD結(jié)構(gòu)尺寸建立二維模型，并分析在勵磁電流I＝2 A時阻尼間隙內(nèi)的磁力線分布情況。圖7、圖8分別為設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)下MRD的有限元模型和MRD磁力線分布。

圖7 I＝2A時模型分塊圖

圖8 I＝2A時磁力線分布

由圖8可見，大部分磁力線繞內(nèi)缸筒經(jīng)內(nèi)層缸筒、外層缸筒組件、線圈纏繞體、導(dǎo)磁環(huán)及導(dǎo)磁套筒流回，形成封閉的閉合曲線；只有4根磁力線經(jīng)內(nèi)層缸筒直接與導(dǎo)磁套筒相接。在磁流變液阻尼通道之處的磁力線幾乎平行分布，與磁流變液的流動方向幾乎相垂直。

仿真得出I＝2 A，N＝300匝時MR間隙內(nèi)的磁流變液在水平方向的磁場強(qiáng)度H值分別為224.11 A／m、283.54 A／m、363.58 A／m、376.27 A／m、59.216 A／m、119.05 A／m、174.50 A／m。取最大值和最小值的平均值，得出此時磁場強(qiáng)度H＝217.743 A／m。

當(dāng)勵磁電流I分別取0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0時，仿真不同勵磁電流下的磁感應(yīng)強(qiáng)度值B，列出仿真結(jié)果如表3所示。

表3 電流I取不同值時磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平均值

根據(jù)表3仿真得出的勵磁電流I不同時MRD阻尼間隙內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平均值。用MATLAB軟件畫出電磁場理論分析和有限元分析時MR阻尼通道內(nèi)MRF的I－B曲線。這樣更加直觀地描述隨著激勵電流的增大磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況。為了驗(yàn)證新型MRD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，將忽略漏磁的情況下對新型MRD電磁場分析的理論值和利用ANSYS軟件對新型MRD有限元分析的實(shí)際值進(jìn)行比較。圖9為MR阻尼通道內(nèi)磁流變液的I－B曲線。

圖9 MR阻尼通道內(nèi)MRF的I－B曲線

4 結(jié)論

提出了一種新型磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，克服了常見磁流變阻尼器的缺陷和不足，尤其描述了阻尼缸筒和線圈組件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。闡述了其工作原理及材料的選擇。分別通過電磁場理論分析和應(yīng)用ANSYS軟件對新型MRD進(jìn)行了靜態(tài)磁場分析。分析結(jié)果表明：大部分磁力線繞內(nèi)缸筒經(jīng)內(nèi)層缸筒、外層缸筒組件、線圈纏繞體、導(dǎo)磁環(huán)及導(dǎo)磁套筒流回，形成封閉的閉合曲線，只有少數(shù)磁力線直接由內(nèi)層缸筒與導(dǎo)磁套筒相接；MR通道之處的磁力線幾乎平行分布，與磁流變液的流動方向幾乎相垂直；相同尺寸的MRD飽和電流相差不大；在允許的電流范圍內(nèi)利用電磁場理論分析和有限元軟件分析MR阻尼間隙內(nèi)的磁場強(qiáng)度值幾乎相等。根據(jù)理論分析和有限元分析可知這種新型MRD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行的。

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