磁流變半主動(dòng)減振系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

夏兆旺, 張 帆, 魏守貝, 方媛媛

(1. 江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心, 北京 100076)

磁流變半主動(dòng)減振系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

夏兆旺1, 張 帆2, 魏守貝1, 方媛媛1

(1. 江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心, 北京 100076)

針對磁流變半主動(dòng)減振系統(tǒng)的力學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,分析了半主動(dòng)減振系統(tǒng)在不同激勵(lì)頻率和激勵(lì)幅值下的響應(yīng)特性。結(jié)果表明:修正的Bingham模型能很好地反映磁流變阻尼器的力學(xué)特性；半主動(dòng)減振系統(tǒng)的減振效果明顯優(yōu)于被動(dòng)減振系統(tǒng)的減振效果。

磁流變阻尼器; 半主動(dòng)減振系統(tǒng); 力學(xué)特性

減振的方式主要分為被動(dòng)減振、半主動(dòng)減振和主動(dòng)減振三種方式[1-3]。被動(dòng)減振應(yīng)用最為廣泛,但其在低頻段減振效果差,也不適用于外界載荷的復(fù)雜變化的場合[4-6]；主動(dòng)減振效果好,但其成本高[7-8]。為此,半主動(dòng)減振方式具有廣泛的發(fā)展空間,磁流變阻尼減振技術(shù)就是典型的半主動(dòng)減振方式。磁流變阻尼減振系統(tǒng)由于其具有耗能低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[9-11],目前已被廣泛應(yīng)用于橋梁、土木、機(jī)械等領(lǐng)域的減振降噪[12-13]。

本文通過實(shí)驗(yàn)建立磁流變阻尼器的力學(xué)模型,并就半主動(dòng)減振系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,分析各種參數(shù)對磁流變減振系統(tǒng)減振性能的影響。

1 磁流變阻尼力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)

Bingham模型沒有考慮半主動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)滯特性,本文采用一種修正的Bingham模型,其力學(xué)模型如圖1所示,表達(dá)式為

(1)

式中,C1為阻尼系數(shù),V為活塞與柱筒的相對速度,V0為零力速度。模型中的位置參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

圖1 MR阻尼器的修正Bingham模型

采用RD-1079型磁流變阻尼器實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證修正的Bingham模型，能較好地反映磁流變阻尼器的滯后特性,也更符合實(shí)際情況。為驗(yàn)證修正Bingham模型的正確性,選用LORD公司生產(chǎn)的RD-1079型磁流變阻尼器,對其進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn),如圖2所示。實(shí)驗(yàn)工況:頻率為1～100 Hz,振幅為1～10 mm,電流為0.1～1.0 A。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)工況內(nèi),修正的Bingham模型都能較好地反映實(shí)際磁流變阻尼器的力-速度曲線特性。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多,僅列出頻率為1.0 Hz、振幅為8 mm、電流為0.5A時(shí),磁流變阻尼器的力-速度響應(yīng)曲線,如圖3所示。

圖2 磁流變阻尼器性能實(shí)驗(yàn)

圖3 MR阻尼器的速度-阻尼力實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

由圖3可見,修正的Bingham模型能很好地?cái)M合磁流變阻尼器的力學(xué)特性:在低速度區(qū)存在滯回特性；在高速度區(qū)表現(xiàn)出黏性阻尼特性；在高、低速度交接區(qū)表現(xiàn)出光滑非線性過渡特性。

磁流變阻尼器在振動(dòng)頻率為 1 Hz、幅值為8 mm時(shí),電流對磁流變阻尼器力學(xué)性能的影響如圖4所示。隨著施加電流的增加,速度-力關(guān)系曲線表明，在低速度區(qū)速度-力為非線性滯回特性，滯回的面積隨著施加電流的增大而增大；在高速度區(qū)速度-力可近似為直線；當(dāng)無施加電壓時(shí),速度-力也為非線性滯回特性；在低速度區(qū),速度-力曲線的非線性滯回特性說明在加速和減速時(shí),部分有功功率小于零,即給系統(tǒng)輸入功率而不是消耗功率，同時(shí)也說明,在加速和減速的一個(gè)循環(huán)內(nèi),有殘余有功功率存在。

圖4 磁流變阻尼器的力學(xué)特性與電流的關(guān)系

2 磁流變半主動(dòng)系統(tǒng)減振實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

半主動(dòng)減振系統(tǒng)原理見圖5。工作原理:振動(dòng)臺(tái)和減振系統(tǒng)的響應(yīng)通過位移和速度傳感器測量,響應(yīng)信號(hào)經(jīng)電荷放大器濾波和放大,位移信號(hào)傳入到采集系統(tǒng),速度信號(hào)在每一采樣時(shí)刻被讀入PCI-9112采集卡的A/D通道,控制計(jì)算機(jī)通過A/D通道的電壓值,依據(jù)一定的轉(zhuǎn)換法則將其還原為實(shí)際速度值,再根據(jù)控制算法計(jì)算出控制裝置的切換狀態(tài),然后通過DO輸出通道驅(qū)動(dòng)繼電器開關(guān),將所需要的電壓施加給磁流變阻尼器上,實(shí)現(xiàn)減振系統(tǒng)的半主動(dòng)控制。

圖5 半主動(dòng)減振系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

磁流變阻尼器為LORD公司生產(chǎn)的RD-1079型；數(shù)據(jù)采集卡為PCI-9112數(shù)據(jù)采集卡,其采樣頻率為100 kHz,是12位、16通道多功能卡,集成了D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換) 、A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)和Timer/Counter(定時(shí)器/計(jì)時(shí)器)等功能,可直接置于計(jì)算機(jī)PCI插槽,即插即用。采集系統(tǒng)為東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所的DASP2013。振動(dòng)臺(tái)為蘇州東菱的E-240型號(hào)。

2.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量塊的質(zhì)量為32 kg,彈簧剛度為7 200 N/m,實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生不同激勵(lì)頻率和幅值的正弦激勵(lì)型號(hào),磁流變阻尼器輸入不同的控制電流。激勵(lì)頻率分別為1.0、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0 Hz；振幅分別為2、3、5 mm；控制電流分別在0～200 mA和0～300 mA之間切換。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在控制電流為200、300 mA,激勵(lì)幅值為3 mm時(shí),得到的幅頻響應(yīng)曲線見圖6和圖7。從圖中可以看出:(1)隨著控制電流的增加,被動(dòng)控制和半主動(dòng)控制的減振效果都變好；(2) 總體上,半主動(dòng)系統(tǒng)的減振效果要優(yōu)于被動(dòng)系統(tǒng)的減振效果；(3) 在低頻時(shí),半主動(dòng)減振效果與被動(dòng)減振差別不大,在高頻時(shí),半主動(dòng)減振效果比被動(dòng)減振效果要好；(4) 半主動(dòng)減振的最好效果不在系統(tǒng)的共振點(diǎn)附近,而是在共振點(diǎn)以后。原因是實(shí)驗(yàn)中在半主動(dòng)減振時(shí)是閉環(huán)控制,被動(dòng)減振時(shí)是開環(huán)控制。

圖6 電流為200 mA時(shí)的減振效果

圖7 電流為300 mA時(shí)的減振效果

4 結(jié)論

(1) 通過磁流變阻尼器的力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以得到修正Bingham模型能很好地反映磁流變阻尼器的力學(xué)特性。

(2) 半主動(dòng)系統(tǒng)的減振效果要明顯優(yōu)于被動(dòng)減振系統(tǒng)效果。

(3) 在低頻時(shí),半主動(dòng)減振效果與被動(dòng)減振差別不大,在高頻時(shí),半主動(dòng)減振效果比被動(dòng)減振效果要好。

(4) 半主動(dòng)減振的最好效果不在系統(tǒng)的共振點(diǎn)附近,而是在共振點(diǎn)以后。原因是實(shí)驗(yàn)中在半主動(dòng)減振時(shí)是閉環(huán)控制,被動(dòng)減振時(shí)是開環(huán)控制。

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Experimental study of semi-active isolation system with MR damper

Xia Zhaowang1, Zhang Fan2, Wei Shoubei1, Fang Yuanyuan1

(1. School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China; 2. Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076, China)

This paper proposes a correction Bingham model for describing magneto-rhological (MR) damper by experimental data.The response characteristics of the semi-active vibration isolation system under different excitation frequency and the excitation amplitude are analyzed.The results show that the modified Bingham model can describe the mechanical properties of MR damper. The effect of semi-active vibration isolation system is superior to that of the passive vibration isolation system.

MR damper; semi-active isolation system; mechanical properties

2014- 12- 20 修改日期：2015- 05- 22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11302088);江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(BK2012278);江蘇省研究生教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐課題 (2014018);江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目 (2014-R-33310)

夏兆旺(1981—)，男，安徽鳳陽，博士，副教授，主要從事振動(dòng)與噪聲控制方向的教學(xué)與科研工作.

E-mail：dlxzw@163.com

TB535

A

1002-4956(2015)8- 0047- 03