磁流變液裝置在高速列車領(lǐng)域中的應(yīng)用

張雅嫻，沈景鳳，徐 斌

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海材料研究所，上海 200437)

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磁流變液裝置在高速列車領(lǐng)域中的應(yīng)用

張雅嫻1,2，沈景鳳1，徐 斌2

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海材料研究所，上海 200437)

磁流變液是一種在磁場(chǎng)作用下可以改變其流變特性的智能材料，這種連續(xù)可逆可調(diào)的磁流變效應(yīng)使其在汽車、建筑、航空等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在高速列車領(lǐng)域的減振、制動(dòng)等方面也得到了新的發(fā)展。文中概述了磁流變液及其器件的特性與國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，介紹了磁流變裝置在高速列車振動(dòng)控制等方面的研究與應(yīng)用概況，討論了磁流變液裝置在高速列車領(lǐng)域未來(lái)研究中仍面臨的技術(shù)問(wèn)題以及應(yīng)用前景。

磁流變液；高速列車；阻尼器；減振

磁流變液(Magneto Rheological Fluid， MRF)是一種可控流體，是智能材料研究中較為活躍的一支。磁流變液是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微米級(jí)磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體。這種懸浮體在零磁場(chǎng)情況下呈現(xiàn)出低粘度的牛頓流體特性；而在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，其可在毫秒內(nèi)呈現(xiàn)出高粘度、低流動(dòng)性的Bingham體特性，如圖1所示。這種由強(qiáng)磁場(chǎng)的作用引起磁流變液在牛頓流體和類固體之間轉(zhuǎn)變的特性稱為磁流變效應(yīng)。磁流變液在磁場(chǎng)作用下的流變是瞬間的、連續(xù)的，其流變后的剪切屈服強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使它可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)控制，阻尼力可以連續(xù)可逆變化。磁流變液具有低電壓低能耗、穩(wěn)定耐久、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，因此在車輛減振、土木建筑、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，運(yùn)行速度日益提高，引發(fā)的動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)問(wèn)題愈加突出，安全問(wèn)題就愈加重要。在高速列車的振動(dòng)控制與動(dòng)力學(xué)研究中，磁流變液凸顯出其可調(diào)阻尼力的重要性。本文旨在介紹磁流變液及其器件的特性與研究概況、磁流變液在高速列車領(lǐng)域中的一些應(yīng)用和進(jìn)展。

圖1 磁流變液在無(wú)磁場(chǎng)與施加磁場(chǎng)時(shí)的磁性顆粒所處的形態(tài)

1 磁流變液的研究現(xiàn)狀

磁流變液是由美國(guó)學(xué)者Rabinow[6]在 1948年發(fā)明的應(yīng)用磁流變液的離合器中首次提出。然而，在20世紀(jì)50年代到80年代期間,由于沒(méi)有認(rèn)識(shí)到磁流變液剪切應(yīng)力的潛在性及其存在懸浮性、腐蝕性等問(wèn)題，磁流變液發(fā)展緩慢。進(jìn)入90年代，隨著制備技術(shù)的提高，較之電流變液的低屈服應(yīng)力、高電壓安全性問(wèn)題，磁流變液研究重新引起了研究人員的興趣，成為當(dāng)前智能材料研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。

美國(guó)LORD公司的Carlson和Weiss等人在磁流變液性能研究和應(yīng)用開發(fā)方面取得了較為突出的成就，LORD公司在磁流變阻尼器領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。我國(guó)的磁流變液研究工作起步較晚，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)先后有復(fù)旦大學(xué)、重慶大學(xué)、上海交通大學(xué)、電子科技大學(xué)等數(shù)十家單位進(jìn)行磁流變液的研究工作。

2 磁流變阻尼器研究

(Magnetorheological Damper，MRD)磁流變阻尼器是利用磁流變液的磁流變效應(yīng)而制成的可調(diào)阻尼元件。在阻尼器的活塞軸上纏繞電磁線圈，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用于磁流變液，通過(guò)控制電磁線圈電流的大小來(lái)改變磁流變液的粘度，以實(shí)現(xiàn)阻尼可調(diào)的目的。 MRD具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易安裝、響應(yīng)快、使用范圍廣、阻尼力大且連續(xù)順逆可調(diào)和無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)，特別突出的是MRD功耗低(<5 OW)，工作電壓只需2～25 V。即使能源中斷時(shí)控制器停止工作,MRD仍可作為被動(dòng)耗能裝置而繼續(xù)發(fā)揮控制作用，因此具有很強(qiáng)的安全可靠性。圖2為典型的磁流變阻尼器。

圖2 典型的磁流變阻尼器

在磁流變液減振器的研究過(guò)程中，有不少學(xué)者研究了基于混合或流動(dòng)模式的直筒型磁流變液減振器，這種減振器的阻尼通道是工作缸與活塞之間的間隙[14]。由于制作和裝配誤差，常使阻尼通道變成非對(duì)稱環(huán)形通道，不同位置的磁阻差異導(dǎo)致磁場(chǎng)分布不均，磁流變液在通道中的流動(dòng)特性發(fā)生變化，影響到磁流變液減振器的阻尼特性。磁流變液減振器活塞與工作缸之間的偏心率對(duì)其阻尼特性有較大影響，從理論上研究非對(duì)稱環(huán)形通道中的磁場(chǎng)分布和磁流變液的流動(dòng)特性，導(dǎo)出其理論阻尼特性及研究偏心率對(duì)阻尼特性的影響，對(duì)磁流變液減振器設(shè)計(jì)與制造具有重要的參考價(jià)值。如圖3所示，在同一電流下，偏心率越低時(shí)阻尼力越大。在設(shè)計(jì)制作磁流變液減振器中應(yīng)盡量減小偏心率，以提高阻尼力調(diào)節(jié)范圍[2]。

圖3 不同偏心率對(duì)阻尼力調(diào)節(jié)的影響

傳統(tǒng)磁流變阻尼器可以隨控制電流的變化來(lái)改變阻尼的大小，卻不可以改變剛度的大小。系統(tǒng)剛度等于模型中單個(gè)線性彈簧的剛度，且為一定值。磁流變液構(gòu)成的可變阻尼與固定剛度的彈簧通過(guò)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的搭配，可以得到變剛度變阻尼的效果。依據(jù)不同的模型，科研人員[12-13]做了大量設(shè)想,提出了不同的結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中,可通過(guò)對(duì)于內(nèi)外筒中控制電流的控制,來(lái)使減振器調(diào)節(jié)到適合的阻尼與剛度,達(dá)到最佳的減振效果。

在MRD應(yīng)用研究中，美國(guó)學(xué)者Spencer和Dyke等做了許多開創(chuàng)性的工作,系統(tǒng)研究了MRD的性能及在建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用。1996年以來(lái)，Spencer[8]等人研究了MRD的阻尼力模型、結(jié)構(gòu)MRD的地震反應(yīng)。Dyke[16]提出基于加速度反饋的Clipped-Op-tamale控制策略，并針對(duì)一座3層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行MRD控制的振動(dòng)臺(tái)研究。國(guó)內(nèi)的周云[7]等人也對(duì)MRD在高層建筑風(fēng)振控制中的應(yīng)用做出了系列研究。實(shí)踐證明，將MRD應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的減振控制中能取得良好效果。在醫(yī)療技術(shù)方面，李輝等人[10]將MRD用于康復(fù)機(jī)的阻尼部件，能降低噪音、減少污染，延長(zhǎng)使用壽命。Biedermann[11]將MRD集成于假肢膝關(guān)節(jié)，效果穩(wěn)定，兼具主動(dòng)關(guān)節(jié)和被動(dòng)關(guān)節(jié)兩者的優(yōu)勢(shì)，與人腿機(jī)理高度匹配?；贛RD的半主動(dòng)控制在汽車懸架系統(tǒng)中得到了長(zhǎng)足發(fā)展，Jeon[10]設(shè)計(jì)制作的流動(dòng)模式MRD已用于大型載重汽車座椅半主動(dòng)減振系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)的楊紹普教授等已將MRD應(yīng)用于汽車懸架的控制研究中，并改進(jìn)了Bingham模型[3]。

3 磁流變液在高速列車上的應(yīng)用

鐵路運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，我國(guó)鐵路承擔(dān)著全國(guó)客運(yùn)總量1/3以上和貨運(yùn)總量1/2以上的運(yùn)輸任務(wù)?，F(xiàn)代軌道車輛以“高速、重載”作為發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著高速列車運(yùn)行速度的逐漸提高，輪/軌之間、弓/網(wǎng)之間、車體/氣流之間的耦合作用不斷加強(qiáng)，輪軌作用力和列車的振動(dòng)愈加劇烈，列車的運(yùn)行穩(wěn)定性等動(dòng)態(tài)性能及安全性能逐漸惡化。因此，必須采用有效手段抑制車體振動(dòng)，提高系統(tǒng)性能。在眾多的阻尼器中，與傳統(tǒng)的液壓式、機(jī)械式和充氣式減振器的體積大、反應(yīng)速度慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)相比，磁流變阻尼器出力大、范圍寬、反應(yīng)迅速準(zhǔn)確，其阻尼力可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，變化可逆，適合于實(shí)時(shí)控制，且能耗非常低，可用于軌道車輛垂向振動(dòng)控制、橫向振動(dòng)控制、抗蛇行振動(dòng)控制等領(lǐng)域。

半主動(dòng)控制技術(shù)可以得到與主動(dòng)控制接近的效果，無(wú)需復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)和外部動(dòng)力源，而且能耗和系統(tǒng)性能較之主動(dòng)控制也極優(yōu)。MRD是比較合適半主動(dòng)控制技術(shù)的作動(dòng)器，MRD結(jié)合半主動(dòng)控制技術(shù)的這種策略，是近年熱點(diǎn)。圖4為基于MRD的半主動(dòng)控制器示意圖。Savaresi[15]提出一種天棚阻尼控制(SH)和加速度阻尼控制(ADD)混合控制策略(SH-ADD)，只需要一個(gè)加速度傳感器就可以實(shí)現(xiàn)，在低頻及高頻區(qū)域都能取得較好的控制效果。楊紹普等人[3]采用一種基于MRD的三自由度“開-關(guān)式半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)”，在低頻時(shí)控制效果與主動(dòng)懸掛接近，可顯著降低機(jī)車懸掛質(zhì)量的加速度值。對(duì)MRD輸入電流進(jìn)行模糊控制，并根據(jù)加速度即控制效果實(shí)時(shí)調(diào)整電流值的自適應(yīng)模糊控制策略，在5～8 Hz的低頻范圍內(nèi)能更有效地衰減車體的橫向振動(dòng)，改善乘坐舒適度。在高速列車中采用時(shí)滯較小的MRD，結(jié)合適當(dāng)?shù)陌胫鲃?dòng)控制，可以使得系統(tǒng)的行駛穩(wěn)定性得到大幅改善。

圖4 基于磁流變阻尼器的半主動(dòng)控制器

由于實(shí)際機(jī)車系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜和動(dòng)力學(xué)非線性等特征，要準(zhǔn)確建立所有部件的動(dòng)力學(xué)詳細(xì)模型非常困難。研究者們通常要在能描述機(jī)車系統(tǒng)主要力學(xué)特征和振動(dòng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化系統(tǒng)。馬新娜等建立了基于MRD的17自由度和21自由度高速機(jī)車橫向半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，在高速列車上使用MRD作為抗蛇行減振器和二系橫向阻尼器，可以滿足設(shè)計(jì)需求[4]。蛇形運(yùn)動(dòng)是鐵路車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)的固有屬性，在很大程度上決定了車輛能否高速運(yùn)行。曲線通過(guò)和蛇形失穩(wěn)都和車輛的橫向運(yùn)動(dòng)關(guān)系密切?？股咝螠p振器是高速客車轉(zhuǎn)向架上不可或缺的重要部件，合理使用抗蛇形減震器，對(duì)提高車輛整體動(dòng)力學(xué)性能具有重大意義。圖5為兩種典型的抗蛇行減震器的特性曲線，在高速列車上均有應(yīng)用。

圖5 抗蛇行減震器特性

以往，受結(jié)構(gòu)和成本控制，鐵路貨車采用彈性旁承代替液壓減震器。使用可調(diào)阻尼特性的MRD，應(yīng)用蛇行運(yùn)動(dòng)半主動(dòng)控制裝置，替代傳統(tǒng)常接觸性旁承，車輛可以滿足在不同載荷、不同路況下的轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、直線運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性以及曲線通過(guò)安全性的要求。在直線運(yùn)行穩(wěn)定性上，彈性旁承受結(jié)構(gòu)限制，難以再提升空車臨界速度，采用MRD后，空車速度得以大幅度提高；在曲線通過(guò)性能方面，彈性旁承的摩擦力矩為固定值,而MRD可調(diào)節(jié)飽和阻尼力的輸出[5]。

磁流變制動(dòng)器具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便、振動(dòng)小、耐久性能良好的優(yōu)點(diǎn)，使其在低地板輕軌車上凸顯作用。低地板輕軌車的地板距離軌道平面僅35 cm，現(xiàn)代低地板輕軌車輛不斷發(fā)展，對(duì)平穩(wěn)性和噪聲的控制要求越來(lái)越高，常規(guī)的機(jī)械制動(dòng)方式已難以達(dá)到安全環(huán)保的先進(jìn)要求。磁流變液制動(dòng)技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)中后期，其在城市軌道交通上的應(yīng)用是一項(xiàng)新興的研究。磁流變液制動(dòng)器的制動(dòng)是利用圖6中的剪切工作模式產(chǎn)生的剪切屈服應(yīng)力來(lái)達(dá)成的。通過(guò)合理的電磁控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用磁流變液連續(xù)無(wú)級(jí)的變化特性，可以快速、連續(xù)地改變剪切屈服應(yīng)力，從而設(shè)計(jì)出制動(dòng)力自動(dòng)適應(yīng)和匹配輪軌接觸力的制動(dòng)器，繼而實(shí)現(xiàn)連續(xù)、可逆、響應(yīng)迅速和易于控制的制動(dòng)過(guò)程，給相對(duì)低速的低地板輕軌交通帶來(lái)新的啟發(fā)。

圖6 磁流變液的剪切工作模式

4 磁流變液在高速列車上的應(yīng)用前景

雖然目前磁流變液的應(yīng)用在土木結(jié)構(gòu)和高級(jí)汽車上已經(jīng)日趨成熟，但在高速列車領(lǐng)域，磁流變技術(shù)的發(fā)展還未完善。磁流變液的零場(chǎng)強(qiáng)度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，導(dǎo)致運(yùn)行能耗增加，密封性能下降；除少數(shù)商業(yè)化的磁流變液外,大多數(shù)磁流變液的零場(chǎng)粘度較高、穩(wěn)定性能不理想，具體的制作工藝需要改進(jìn)；磁流變液在工作的過(guò)程中，由于液內(nèi)摩擦、零部件發(fā)熱等問(wèn)題導(dǎo)致磁流變液溫度升高，會(huì)造成粘度降低、基礎(chǔ)液蒸發(fā)、磁性顆粒沉淀等一系列問(wèn)題，進(jìn)而使磁流變液完全失效。磁流變液應(yīng)用于高速列車上的設(shè)計(jì)理論還不完善，而且由于高速列車本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每節(jié)車廂之間、各車廂與輪軌之間的動(dòng)力學(xué)分析都不相同,是一個(gè)極復(fù)雜的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，要準(zhǔn)確建立所有部件的動(dòng)力學(xué)詳細(xì)模型還需要進(jìn)一步的完善。磁流變液裝置的數(shù)學(xué)模型及控制技術(shù)也有待深入研究。從理論設(shè)計(jì)到深入實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)際應(yīng)用還有很多問(wèn)題亟待解決，商業(yè)化的磁流變液及應(yīng)用裝置價(jià)格偏高，這使得磁流變液裝置的廣泛應(yīng)用或在代替某些傳統(tǒng)裝置方面受到限制；在緊急情況下高速列車可能會(huì)斷電，磁流變液器件在這些情況下電源問(wèn)題的解決等，都是投入具體應(yīng)用前待解決的問(wèn)題?？傮w看來(lái)，磁流變液在高速列車上的研究取得了許多有價(jià)值的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并在一些場(chǎng)合得到了成功應(yīng)用。磁流變技術(shù)還在不斷的發(fā)展中，其優(yōu)異的阻尼性能與運(yùn)用優(yōu)勢(shì)，決定了其今后在高速列車減振以及制動(dòng)上具備廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

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Applications of Magnetorheological Fluid Devices in High-speed Trains

ZHANG Yaxian1,2, SHEN Jingfeng1,XU Bin2

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093, China;2.Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

Magnetorheological fluid is an intelligent material of variable rheological properties. The property known as the magneto rheological effect is continuous, reversible and adjustable, thus the widespread use of magnetorheological fluids in such fields as automobile, architecture and aviation. Magnetorheological fluids have also made further progress in the damping and brake of high-speed trains. This paper introduces the characteristics of magnetorheological fluid and its devices, reviews the researches and applications in the vibration control of the high-speed trains, and points out the future technical problems and application prospect.

magnetorheological fluid; high-speed trains; damper; vibration

2016- 09- 23

張雅嫻(1993-)，女，碩士研究生。研究方向：消能減震。沈景鳳(1968-)，女，副教授。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與理論等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.048

TB381

A

1007-7820(2017)07-170-04