磁性液體阻尼減振器的實(shí)驗(yàn)研究

朱姍姍， 李德才， 崔紅超

(1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044; 2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京 100042)

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磁性液體阻尼減振器的實(shí)驗(yàn)研究

朱姍姍1,2， 李德才1， 崔紅超1

(1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044; 2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京 100042)

基于二階浮力原理，著重研究了磁性液體阻尼減振器不同殼體內(nèi)壁、不同端蓋錐角對(duì)減振器減振性能的影響。通過(guò)試驗(yàn)分析得知粗糙內(nèi)壁的殼體減振性能優(yōu)于光滑內(nèi)壁的殼體；在一定范圍內(nèi)，端蓋錐角大的減振器減振性能比端蓋錐角小的減振器減振性能好。

磁性液體；殼體；端蓋錐角；減振性能

在理想狀態(tài)下，長(zhǎng)期載人空間站在軌期間處于失重狀態(tài)，有很多因素引起振動(dòng)，而且在失重狀態(tài)與真空環(huán)境的雙重影響下，振動(dòng)會(huì)對(duì)空間站的運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在特殊的工作環(huán)境中，對(duì)減振設(shè)備也提出了更高的要求。首先空間站的減振器要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕且可靠性高。其次，因?yàn)楹教炱髦休^長(zhǎng)物體(如太陽(yáng)能帆板、衛(wèi)星天線等)的局部振動(dòng)具有頻率低、位移小、加速度小的特征，所以要求減振器對(duì)慣性力非常敏感。

普通減振器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難滿(mǎn)足空間環(huán)境的特殊要求，而基于磁性液體二階浮力原理的磁性液體阻尼減振器在很大程度上滿(mǎn)足了空間環(huán)境的特殊要求。磁性液體是一種由包覆有表面活性劑的納米鐵磁性或亞鐵磁性顆粒分散于液態(tài)載液中形成的穩(wěn)定的膠態(tài)懸浮液。在磁性液體研究早期，美國(guó)NASA宇航局最先開(kāi)始了對(duì)磁性液體阻尼減振的研究，隨后磁性液體阻尼器和調(diào)諧磁性液體阻尼器等多種阻尼器成為科研人員的研究熱點(diǎn)[1]。

1 磁性液體阻尼減振器的結(jié)構(gòu)及其工作原理

磁性液體是一種新型的功能材料，它既具有液體的流動(dòng)性又具有固體磁性材料的磁性，在磁場(chǎng)的作用下，呈現(xiàn)出普通液體所沒(méi)有的特性。一方面，磁微粒子在基載液中不停地做布朗運(yùn)動(dòng)，即使在重力、磁力、離心力同時(shí)作用下也不會(huì)發(fā)生固液分離；另一方面磁性液體具有超順磁性，在外加磁場(chǎng)下，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的磁特性、黏滯性、流變性和雙折射性等獨(dú)特的性能?；诖判砸后w二階浮力原理的磁性液體阻尼減振器既不需要外加磁場(chǎng)或任何激勵(lì)、減振性能穩(wěn)定，并且壽命長(zhǎng)、無(wú)泄漏[2]。磁性液體二階浮力原理是指磁性液體可以將浸在其中的比重比磁性液體大的永久磁鐵懸浮起來(lái)。利用磁性液體的雙重特性以及永久磁鐵在磁性液體中自懸浮的性質(zhì)，通過(guò)永久磁鐵在磁性液體中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)需要吸能而達(dá)到消能減振的效果，設(shè)計(jì)了磁性液體阻尼減振實(shí)驗(yàn)臺(tái)，減振器的減振原理如圖1所示，對(duì)磁性液體阻尼減振器減振性能進(jìn)行研究[3]。

圖1 磁性液體阻尼減振原理Fig.1 The theory of magnetic fluid damper

磁性液體阻尼減振器由非磁性外殼、圓柱形永久磁鐵和磁性液體組成。當(dāng)永久磁鐵浸沒(méi)于磁性液體中時(shí)，在垂直方向上，永磁體受到自身重力Fg的作用而向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還受到磁性液體對(duì)它產(chǎn)生的方向向上的浮力Ff和阻力Fr作用；當(dāng)永磁體接近殼體時(shí)，由于殼體為非磁性的，永磁體下方的磁力線被壓縮，在永磁體下方產(chǎn)生比上方更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度，從而在永磁體上下表面產(chǎn)生一個(gè)向上的磁壓力Fm與重力平衡，使永磁體懸浮在磁性液體中。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，力的平衡方程為：

F=Fg-Fm-Ff-Fr

式中:F為永磁體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的合力。當(dāng)永磁體達(dá)到自懸浮時(shí)，F(xiàn)r=0，永磁體只受到Fg,Ff和Fm的作用，此時(shí)力的平衡方程為：

Fg=Ff+Fm

理想狀態(tài)下，空間站在軌期間處于失重狀態(tài)，則力的平衡方程為：

Ff+Fm=0

根據(jù)這種自懸浮的原理，永磁體便能穩(wěn)定的懸浮在磁性液體中。當(dāng)減振器受到外界的沖擊時(shí)，永磁體會(huì)偏離平衡位置向殼體的一側(cè)移動(dòng)，壓縮磁力線，從而產(chǎn)生一個(gè)指向平衡位置方向的磁壓力，使永磁體往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直至穩(wěn)定在平衡位置。這樣永磁體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中帶動(dòng)磁性液體運(yùn)動(dòng)做功而吸收能量，最終達(dá)到消能減振的效果[4]。

2 磁性液體阻尼減振實(shí)驗(yàn)

2.1 磁性液體選擇

由于氟碳化合物基磁性液體具有良好的穩(wěn)定性，耐酸堿性和抗輻射性。本試驗(yàn)選用購(gòu)買(mǎi)的黏度為232 mPa·s 的氟碳化合物基磁性液體[5]。

2.2 永久磁鐵的選擇

由于銣鐵硼(NdFeB)屬第三代稀土永磁材料，是當(dāng)代磁性最強(qiáng)、性能最好的永磁材料。在磁性液體阻尼減振器中使用燒結(jié)釹鐵硼永久磁鐵[6]。經(jīng)過(guò)特殊處理的永久磁鐵，其最高工作溫度可達(dá)200℃。而且前期的科研人員在太空的射線收集試驗(yàn)中也是使用了銣鐵硼，證明銣鐵硼能夠應(yīng)用于宇宙空間環(huán)境中的宇航設(shè)備上[7]。

由于試驗(yàn)是利用永久磁鐵在N-S兩極所吸附的磁性液體與減振器的上下兩個(gè)面的壓力來(lái)產(chǎn)生速度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力，消耗能量。圓柱形永久磁鐵吸附磁性液體時(shí)，圓周面和上下兩個(gè)面的磁性液體也比較飽滿(mǎn)，由此在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的壓力大，使得磁性液體的速度梯度大，減振效果更加明顯。由此根據(jù)減振器的大小選擇兩個(gè)銣鐵硼φ30 mm×10 mm的永久磁鐵疊加試驗(yàn)。

2.3 磁性液體阻尼減振器的設(shè)計(jì)

2.3.1 黏性液體管內(nèi)流動(dòng)沿程損失與局部損失理論推導(dǎo)

根據(jù)流體力學(xué)中黏性流體管內(nèi)流動(dòng)的總流Bernoulli方程：

hw=∑hf+∑hj

即黏性流體在管道中流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的能量損失可分為hf和hj兩類(lèi)，其中hf為單位重力流體的沿程損失，hj為單位重力流體的局部損失。

而l為流程長(zhǎng)度或管道長(zhǎng)度；d為管道內(nèi)徑；λ為沿程損失系數(shù)，無(wú)量綱。

并且ζ為局部損失系數(shù)，無(wú)量綱。

2 320

反算出Δ，得出工業(yè)管道的當(dāng)量粗糙度。之所以是當(dāng)量粗糙度，是因?yàn)閷?shí)際管道的粗糙凸出程度是不均勻的，將反算出的均勻的粗糙度代替一個(gè)不均勻的粗糙度，不是實(shí)際的粗糙度[8]。

2.3.2 減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用不導(dǎo)磁的ABS材料加工的減振器外殼進(jìn)行減振試驗(yàn)。為了得到更好的減振效果，將減振器外殼的端蓋的內(nèi)表面加工為錐形，如圖2所示。以粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量端蓋內(nèi)表面Ra值分布在[3.84 μm,46.72 μm]范圍內(nèi)。當(dāng)永久磁鐵偏離中心時(shí)，端蓋的錐形內(nèi)表面會(huì)作用于磁性液體一個(gè)回復(fù)力，不同端蓋錐角時(shí)磁性液體的受力狀態(tài)如圖3所示。端蓋錐角作用于磁性液體的回復(fù)力可以保證在失重環(huán)境下永久磁鐵始終處于減振器的中心位置。

圖2 磁性液體阻尼減振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 The structure of magnetic fluid damper

圖3 磁性液體在不同端蓋錐角下受力狀態(tài)Fig.3 The forced state of magnetic fluid in different cone angle

為了驗(yàn)證不同端蓋錐度對(duì)減振性能的影響，端蓋采用不同角度，分別為175°、170°。

本設(shè)計(jì)選用內(nèi)壁為規(guī)則圓柱面為磁性液體的殼體，沒(méi)有彎管、孔板、漸放管和漸縮管結(jié)構(gòu)，因此先不考慮磁性液體殼體內(nèi)的局部損失。根據(jù)黏性液體管內(nèi)流動(dòng)沿程損失與局部損失的理論推導(dǎo)，hf∝λ∝Δ，前人在試驗(yàn)中均選擇光滑的金屬或者非金屬作為阻尼減振器的磁性液體的殼體，本設(shè)計(jì)中選擇殼體內(nèi)表面極其粗糙的由3D打印成型的ABS殼體作為磁性液體阻尼減振器的外殼，與光滑內(nèi)壁的外殼試驗(yàn)對(duì)比減振性能，殼體內(nèi)壁均為φ60 mm×25 mm。

2.4 振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型

對(duì)于黃銅板，以黃銅板的集中質(zhì)量代替分布質(zhì)量來(lái)建模；針對(duì)參數(shù)化模型不能直接反映阻尼器逆向動(dòng)態(tài)特性、非參數(shù)化建模需大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)問(wèn)題[9]，結(jié)合兩者則黃銅板與阻尼減振器兩個(gè)質(zhì)量塊的振動(dòng)微分方程為：

假設(shè)其解的形式為：

xj(t)=Xjeiωt,j=1,2

則

X1=

引入以下符號(hào)：

μ=m2/m1

X1/δst=

X2/δst=

如果阻尼為零(即c2=ζ=0)，則共振發(fā)生在系統(tǒng)的兩個(gè)無(wú)阻尼共振頻率處，共振將導(dǎo)致X1=∞，因此當(dāng)c2=0和c2=∞時(shí)，X1的峰值為無(wú)窮大，所以在兩個(gè)極限之間必定存在某個(gè)阻尼值使X1的峰值最小。將ζ=0和ζ=∞兩種臨界情況代入式

X1/δst=

并令兩者相等，可以確定這兩點(diǎn)：

ga=ωa/ω，gb=ωb/ω，分別代入式X1/δst=

即：

基于試驗(yàn)要求振動(dòng)頻率低、振幅小的特點(diǎn)，振動(dòng)裝置選用黃銅板。該實(shí)驗(yàn)采用自由振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，以初始位移作為激勵(lì)條件，以消振時(shí)間長(zhǎng)短作為反映阻尼器性能的指標(biāo)。采用其一端固定， 另一端自由端安裝磁性

液體阻尼減振器。為了得到不同頻率的振動(dòng)，選取不同長(zhǎng)度的銅板進(jìn)行試驗(yàn)，銅板的寬度和厚度分別為50 mm 和5 mm。銅板長(zhǎng)度為0.5 m～2.0 m，銅板懸臂梁頻率范圍為0.75 Hz～5.80 Hz的振動(dòng)，懸臂梁提供振幅范圍10 mm～20 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)裝置采用壓電式加速度傳感器(內(nèi)部集成了信號(hào)放大器)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、分析處理軟件DASP和計(jì)算機(jī)組成。實(shí)物連接如圖3所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示。其中圖4中所示有兩個(gè)傳感器信號(hào)，銅板下端的傳感器位于銅板振幅最大處，實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)來(lái)源于銅板下端的傳感器信號(hào)。

圖4 振動(dòng)分析試驗(yàn)裝置Fig.4 The device of analysis on vibration

銅板長(zhǎng)度/m0.51.01.52.0銅板自由端初始偏移量/mm1020102010201020端蓋錐度/(°)10°5°10°5°10°5°10°5°10°5°10°5°10°5°10°5°消振時(shí)間/s3.026.139.0813.735.258.4512.0418.577.579.2314.8919.648.9410.6116.8221.27

表2 磁性液體阻尼減振粗糙內(nèi)壁殼體試驗(yàn)研究

3.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)中首先考慮磁性液體阻尼減振器的內(nèi)表面粗糙度相對(duì)于較光滑內(nèi)表面減振器的減振性能。黏性流體在管道中流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的能量損失可分為hf和hj兩類(lèi)，即hw=∑hf+∑hj。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，在相同銅板長(zhǎng)度、相同銅板自由端初始偏移量、相同的端蓋錐度的試驗(yàn)中，粗糙內(nèi)表面的減振器的消振時(shí)間明顯較光滑內(nèi)表面的消振時(shí)間短。

試驗(yàn)中，采用同樣的振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，不同長(zhǎng)度的黃銅板在減振中表現(xiàn)的消振時(shí)間不同。由于

不同長(zhǎng)度的黃銅板與減振器的質(zhì)量比不一致，減振器的固有頻率ωa和主質(zhì)量的固有頻率ωn比不一致，所表現(xiàn)的減振性能也不一致。

試驗(yàn)中采用長(zhǎng)度相同的黃銅板和相同的振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，不同端蓋錐角的減振器的減振時(shí)間也不一致。試驗(yàn)中采用的減振器的端蓋錐角分別是5°和10°，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，采用10°的端蓋錐角比采用5°的端蓋錐角減振時(shí)間短。根據(jù)圖3所示，不同端蓋錐角對(duì)磁性液體的回彈力不同。在相同的振動(dòng)狀態(tài)下，在一定范圍內(nèi)，端蓋錐角越大，端蓋對(duì)磁性液體沿水平方向的分力，也即能夠使磁性液體回彈的力越大。

4 結(jié) 論

(1) 利用二階浮力原理設(shè)計(jì)的磁性液體阻尼減振器，選用不同殼體，其內(nèi)表面粗糙度不同，對(duì)減振時(shí)間有明顯的影響；

(3) 磁性液體阻尼減振器的端蓋錐度對(duì)減振性能也有一定的影響，在一定范圍內(nèi)，端蓋錐度較大的減振器比端蓋角度較小的減振器減振性能好。

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Tests for magnetic fluid dampers

ZHU Shanshan1,2, LI Decai1, CUI Hongchao1

(1.School of Mechanical, Electronic and Control Engineering Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.Beijing Vocational Technical College, Beijing 100042,China)

Here,the effects of different inner surfaces and cone angles of a magnetic fluid damper on its vibration reduction performances were studied with tests based on the theory of second-order buoyancy. The test analysis results showed that the vibration reduction performance of a shell with rough inner surface is better than that of a shell with smooth inner surface; the vibration reduction performance of the damper with a larger cone angle is better than that with a smaller one in a certain range.

magnetic fluid; shell; cone angle; vibration reduction performances

2015-05-08 修改稿收到日期：2015-10-11

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.19.031

作 者 朱姍姍 女，博士生,講師