一種磁性液體阻尼減振器的試驗(yàn)研究

常建軍，姚 杰，李德才

（北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044）

一種磁性液體阻尼減振器的試驗(yàn)研究

常建軍，姚 杰，李德才?

（北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044）

針對(duì)航天器上長(zhǎng)直物體的振動(dòng)問題，基于磁性液體的二階浮力原理與液體的粘性耗能原理，提出了一種新結(jié)構(gòu)的磁性液體阻尼減振器。該減振器由非導(dǎo)磁性殼體、永磁體和磁性液體構(gòu)成，吸附有磁性液體的永磁體作為工作單元，當(dāng)有振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，工作單元與非導(dǎo)磁性殼體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)摩擦耗能。試驗(yàn)表明對(duì)數(shù)衰減率隨非導(dǎo)磁性殼體長(zhǎng)度（177～228 mm）的增加而增大后趨于平穩(wěn)，且效果明顯；對(duì)數(shù)衰減率隨注入磁性液體質(zhì)量（2～22 g）的增加先增大后趨于平穩(wěn)并略有下降，且效果不明顯。

磁性液體；粘性耗能；阻尼減振器；二階浮力原理

1 引言

航天器運(yùn)行過程中長(zhǎng)期處于微重力環(huán)境，很容易受到來自外界和自身振動(dòng)的影響，而這類振動(dòng)往往又很難被消除［1］。這些振動(dòng)包括各類發(fā)動(dòng)機(jī)（如遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)、反推發(fā)動(dòng)機(jī)及姿控小發(fā)動(dòng)機(jī)等）工作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力干擾，太陽能帆板的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、天線指向機(jī)構(gòu)、反作用輪等機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，艙段分離和交會(huì)對(duì)接引起的劇烈振動(dòng)，子推進(jìn)器運(yùn)行以及軌道控制和姿態(tài)控制動(dòng)作引起的振動(dòng)，各種設(shè)備比如泵、閥門和風(fēng)扇等的啟動(dòng)引起的振動(dòng)，航天員自身的活動(dòng)所引起的振動(dòng)等。為了保證航天器的正常運(yùn)行，當(dāng)振動(dòng)頻率高于0.3 Hz時(shí)就需要采取適當(dāng)?shù)臏p振措施［2］。

磁性液體是一種新型的功能材料，它是由鐵磁性或亞鐵磁性微粒高度彌散于液態(tài)載液中構(gòu)成的一種高度穩(wěn)定性的膠體溶液，既具有液體的流動(dòng)性，又具有固體磁性材料的磁性［3］。在磁性液體工程應(yīng)用之初，人們就提出了將磁性液體應(yīng)用于阻尼減振的想法［4］。1966年NASA研制了一種無線電天文探測(cè)衛(wèi)星用磁性液體粘性阻尼減振器［5］，這種阻尼減振器能夠有效抑制衛(wèi)星中穩(wěn)定系統(tǒng)引起的振動(dòng)和擾動(dòng)振蕩；之后國(guó)外研究人員相繼提出了為抑制線性振動(dòng)而設(shè)計(jì)的磁性液體阻尼減振器［6］、磁性液體旋轉(zhuǎn)式慣性阻尼減振器［7?8］、活塞式磁性液體阻尼減振器［9?10］、電流變磁性液體阻尼減振器［11?12］、活塞式磁性液體主動(dòng)阻尼減振器［13?17］、調(diào)諧磁性液體阻尼器［18?20］、多孔彈性片狀磁性液體阻尼器［21］、磁性液體動(dòng)力吸振器［22?23］等多種結(jié)構(gòu)的磁性液體阻尼減振器。

本文提出了一種新型的磁性液體阻尼減振器結(jié)構(gòu)，分析了一端固定一端加裝磁性液體阻尼減振器的銅板的振動(dòng)模型。通過試驗(yàn)測(cè)得了永磁體所受回復(fù)力與永磁體之間距離的關(guān)系，并對(duì)影響減振效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 工作原理

本文提出的磁性液體減振器結(jié)構(gòu)由一個(gè)圓柱形的非導(dǎo)磁性殼體、固定在非導(dǎo)磁性殼體兩端的圓柱形永磁體和工作單元構(gòu)成，工作單元由吸附適量磁性液體的三塊永磁體構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)如圖1所示。二階浮力原理使工作單元能夠懸浮在磁性液體之中，同時(shí)由于永久磁鐵的強(qiáng)磁場(chǎng)作用，磁性液體被牢牢束縛在磁鐵周圍，即使在失重環(huán)境下也不會(huì)發(fā)生飄逸現(xiàn)象，吸附有磁性液體的工作單元如圖2所示，其所受的懸浮力表達(dá)為式（1）［24］：

當(dāng)外界發(fā)生振動(dòng)時(shí)，工作單元由于慣性作用將與非導(dǎo)磁性殼體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得磁性液體產(chǎn)生粘性摩擦，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到消減振動(dòng)的目的。固定在非導(dǎo)磁性殼體兩端的永磁體保證了工作單元在運(yùn)動(dòng)過程中有一個(gè)始終指向中心位置的回復(fù)力，避免了由于振動(dòng)過大造成的撞壁現(xiàn)象。此外，通過改變殼體長(zhǎng)度l2可以實(shí)現(xiàn)對(duì)回復(fù)力大小的控制。通氣槽避免了工作單元運(yùn)動(dòng)時(shí)兩端氣壓不等，對(duì)回復(fù)力造成影響［23］。

3 試驗(yàn)

本次試驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。彈性銅板一端固定，另一端呈自由振動(dòng)的狀態(tài)。

本次試驗(yàn)選用的位移傳感器型號(hào)為HL?G108?S?J，其最小分辨率為2.5μm。輸出的位移信號(hào)通過型號(hào)為DI710的數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行接收，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到對(duì)數(shù)衰減率的值。

試驗(yàn)選用的銅板尺寸為1200 mm×49 mm× 5 mm；磁性液體阻尼減振器的殼體內(nèi)徑為30 mm；工作單元中永磁體的質(zhì)量為47.7 g；工作單元中位于兩端的永磁體尺寸為直徑25 mm、厚度5 mm，連接用永磁體的尺寸為直徑9 mm、長(zhǎng)度25 mm。試驗(yàn)所用的磁性液體為酯基磁性液體，其蒸汽壓較低，適用于真空環(huán)境。其飽和磁化強(qiáng)度為400 Gs，粘度為0.27 Pa·s。試驗(yàn)中銅板的振幅為1 mm，頻率為1.4 Hz。

在小位移的情況下，該系統(tǒng)的振動(dòng)模型依據(jù)傳統(tǒng)振動(dòng)的兩自由度系統(tǒng)簡(jiǎn)化得到如圖4所示的原理圖。

該二階系統(tǒng)的微分方程為式（2）：

式中的k1，C1分別為振動(dòng)系統(tǒng)的等效剛度和等效阻尼，C2為減振器工作單元的等效阻尼，F(xiàn)m為永磁體所受兩邊回復(fù)力磁鐵的磁力，m1為磁性液體阻尼減振器外殼加彈性銅板的質(zhì)量，m2為吸附有磁性液體的永磁體的質(zhì)量。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5展示了工作單元與單塊回復(fù)力永磁體之間的斥力關(guān)系。

由圖可知，在60～200 mm的范圍內(nèi)，任意1 mm振幅情況下都可認(rèn)為回復(fù)力Fm與永磁體距離呈線性關(guān)系，即：為減振器工作單元的等效剛度。

圖6展示了殼體長(zhǎng)度l2對(duì)減振效果的影響，試驗(yàn)所注入的磁性液體為20 g。根據(jù)圖5可以計(jì)算得到不同殼體長(zhǎng)度l2所對(duì)應(yīng)的等效剛度k2，如表1所示。

表1 不同殼體長(zhǎng)度下的k2值Table 1 The equivalent stiffness k2w ith the various lengths l2

由圖6可知，隨著殼體長(zhǎng)度的增加，對(duì)數(shù)衰減率增大，在長(zhǎng)度為228 mm時(shí)，對(duì)數(shù)衰減率達(dá)到了最大值0.0157。磁性液體阻尼減振器的減振效果呈增大的趨勢(shì)，原因是隨著殼體長(zhǎng)度l1的增加，殼體端面永磁體對(duì)工作單元提供的磁力減小，工作單元晃動(dòng)時(shí)所受外力減小，一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)的距離增加，由于磁性液體所加質(zhì)量一定，與殼體的接觸面積一定，當(dāng)距離增加時(shí)，粘性耗能作用增強(qiáng)。從圖中可以看出，當(dāng)殼體長(zhǎng)度從183 mm變?yōu)?88 mm時(shí)，對(duì)數(shù)衰減率有大幅度提升，這是因?yàn)楫?dāng)殼體長(zhǎng)度是177 mm與183 mm時(shí)，工作單元與端面永磁體初始距離小，永磁體之間的斥力較大，當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，工作單元在端面永磁體的作用下幾乎不能運(yùn)動(dòng)，因此此時(shí)的對(duì)數(shù)衰減率接近于不加磁性液體阻尼減振器時(shí)的對(duì)數(shù)衰減率。圖6也說明了增大殼體長(zhǎng)度對(duì)數(shù)衰減率有明顯提高。

圖7展示了磁性液體注入量對(duì)減振效果的影響，選取殼體長(zhǎng)度l2為228 mm。

由圖7可知，隨著中部永磁體兩端注入磁性液體質(zhì)量的增加，對(duì)數(shù)衰減率增大，當(dāng)注入的磁性液體質(zhì)量為4 g時(shí)，達(dá)到0.0147，原因是開始時(shí)刻隨著磁性液體質(zhì)量的增加，磁性液體與殼體的接觸面積增大，且振動(dòng)時(shí)隨中部永磁體晃動(dòng)的磁性液體數(shù)量增大，粘性耗能的能力加強(qiáng)。繼續(xù)注入磁性液體時(shí)減振效果趨于平穩(wěn)并略有下降，趨于平穩(wěn)的原因是因?yàn)樽⑷氲拇判砸后w達(dá)到一定質(zhì)量時(shí)，再繼續(xù)注入磁性液體，后注入的磁性液體沒有被吸附到工作單元兩端，而是附著在工作單元附近的殼體內(nèi)壁，增多的附著磁性液體在工作單元晃動(dòng)過程中反而會(huì)起一個(gè)阻礙的作用，這也解釋了阻尼效果趨于平穩(wěn)之后會(huì)有略微下降。當(dāng)注入磁性液體質(zhì)量達(dá)到16 g后又出現(xiàn)了一個(gè)上升趨勢(shì)，當(dāng)注入質(zhì)量為22 g時(shí)，對(duì)數(shù)衰減率達(dá)到最大值0.0167。此時(shí)由于不被工作單元吸引的磁性液體中和了一部分端面永磁體的作用，中和的這部分力大于這部分磁性液體起到的阻礙力，減振效果繼續(xù)增強(qiáng)。從圖中可以看出，當(dāng)注入的磁性液體質(zhì)量從2 g增加到4 g時(shí)，對(duì)數(shù)衰減率大幅度提升，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)選用的工作單元質(zhì)量較大，當(dāng)注入的磁性液體質(zhì)量為2 g時(shí)，工作單元難以在二階浮力原理的作用下浮起，當(dāng)懸臂梁開始振動(dòng)時(shí)，工作單元與殼體干摩擦，此種情況下磁性液體的粘性耗能作用已經(jīng)很低。圖7也說明了增加注入磁性液體質(zhì)量，對(duì)數(shù)衰減率提高不明顯。

圖8展示了實(shí)驗(yàn)中優(yōu)化后的磁性液體阻尼減振器對(duì)數(shù)衰減率與不加磁性液體阻尼減振器情況下的對(duì)比情況，由圖可知，采用磁性液體阻尼減振器的減振效果明顯，通過計(jì)算，優(yōu)化后的對(duì)數(shù)衰減率是不加減振器的3.48倍。

7 結(jié)論

提出了一種磁性液體阻尼減振器，試驗(yàn)研究了殼體長(zhǎng)度以及注入的對(duì)磁性液體阻尼減振器減振效果的影響：

1）加裝經(jīng)過優(yōu)化后的減振器的對(duì)數(shù)衰減率為不加裝減振器的3.48倍；

2）殼體長(zhǎng)度在177～228 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，加裝磁性液體阻尼減振器振動(dòng)系統(tǒng)的對(duì)數(shù)衰減率最大值為0.0157，殼體長(zhǎng)度對(duì)減振效果的影響明顯；

3）注入的磁性液體質(zhì)量在2～22 g范圍內(nèi)增大時(shí)，加裝磁性液體阻尼減振器振動(dòng)系統(tǒng)的對(duì)數(shù)衰減率最大值為0.0167，注入的磁性液體質(zhì)量對(duì)減振效果的影響不明顯。

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Experimental Study on Magnetic Fluid Damper

CHANG Jianjun，YAO Jie，LIDecai?
（School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

A new type ofmagnetic fluid damper based on the rule ofmagnetic fluid’s second?order buoyancy and the rule of themagnetic fluid＇s vicious energy dissipation was proposed to solve the vi?bration problem of the long and straightobjects on the spacecraft.Themagnetic fluid damper is com?posed of a non?magnetic shell，threemagnets and themagnetic fluid.There will be friction between the working unitwhich is composed of threemagnetswithmagnetic fluid and the non?magnetic shell when vibration occur due to the relativemotion between them.Experimental results showed that the log decrement rate increased with the increase of the length of the non?magnetic shell（increasing between 177 mm to 228 mm），and then became stable.The effect was obvious.Experimental re?sults also showed that the log decrement rate increased with the increase of the length of themass of the injected liquid（increasing between 2 g to 22 g），then tended to be stable and decreased slight?ly.The effectwas not obvious.

magnetic fluid；viscous dissipation；damper；second?order buoyancy

TH7

A

1674?5825（2017）01?0051?05

2015?09?28；

2017?01?09

國(guó)家自然科學(xué)基金（51375039）；長(zhǎng)江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金（IRT13046）

常建軍，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇判砸后w阻尼減振。E?mail：13121250＠bjtu.edu.cn

?通訊作者：李德才，男，博士，職稱，研究方向?yàn)闄C(jī)電液磁一體化理論及應(yīng)用。E?mail：dcli＠bjtu.edu.cn