孔隙式粘滯阻尼器的滯回曲線偏轉(zhuǎn)特性研究

(1. 河北寶力工程裝備股份有限公司, 河北衡水 053000； 2. 蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 甘肅蘭州 730050)

引言

孔隙式粘滯阻尼器是一種減振裝置。結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，流體阻尼器產(chǎn)生阻尼力耗散能量，降低結(jié)構(gòu)在共振頻率附近的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減弱節(jié)點(diǎn)的局部受力和變形量，保護(hù)結(jié)構(gòu)免受傷害。同時(shí)粘滯阻尼器在工程結(jié)構(gòu)中不起支撐作用，檢修時(shí)便于維護(hù)，所以粘滯阻尼器被廣泛應(yīng)用于工程中[1-3]。

20世紀(jì)90年代CONSTANTINOU等[4-7]學(xué)者在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出流體阻尼器的輸出阻尼力與活塞速度相關(guān)，并推導(dǎo)了阻尼力公式。SYMANS[8-9]在引入體積彈性模量的情況下，對半活性阻尼器進(jìn)行了研究。HOU等[10-12]在考慮了二甲基硅油的剪切細(xì)化特性的前提下，研究了阻尼器在間歇激勵(lì)下的阻尼力輸出特性，指出阻尼力的大小與活塞運(yùn)動(dòng)的幅值、頻率等參數(shù)密切相關(guān)。

粘滯阻尼器在國內(nèi)的研究起步晚于國外。葉正強(qiáng)等[13]從粘滯阻尼器的研究設(shè)計(jì)方法和理論出發(fā)，研發(fā)出減震性能優(yōu)良的雙出桿式粘滯阻尼器，并通過一系列的試驗(yàn)測試了阻尼器的力學(xué)特性。丁建華[14-15]研究了孔隙式、間隙式油缸阻尼器的結(jié)構(gòu)，并在冪律流體的基礎(chǔ)上提出了阻尼力的計(jì)算模型。何小偉[16]在忽略工作介質(zhì)粘度變化而考慮體積彈性模量隨含氣量變化的前提下，從非線性阻尼力和非線性彈性力的串聯(lián)模型出發(fā)，建立了流體阻尼器的線性并聯(lián)模型，分析了不同含氣量工況下的阻尼力輸出特性。郭暢等[17]使用流體軟件Fluent對考慮油液粘度及自重情況下的粘滯阻尼器模型進(jìn)行了仿真分析，研究了活塞長度及間隙等因素對阻尼器性能的影響。王琳等[18]使用AMESim軟件利用孔口流動(dòng)原理建立了船用液壓阻尼器的數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性。黃鎮(zhèn)[19]分別對螺旋孔式粘滯阻尼器和調(diào)節(jié)閥式粘滯阻尼器進(jìn)行了阻尼特性的試驗(yàn)和研究。劉斌[20]研究了在硅油中混合固體顆粒改善和力學(xué)性能。但上述研究都偏向于阻尼器的力-速度關(guān)系推導(dǎo)與阻尼介質(zhì)物性參數(shù)的研究，對阻尼介質(zhì)壓縮性沒有做過較為系統(tǒng)的研究。

粘滯阻尼器的位移-負(fù)載曲線代表了其耗能能力的大小，是衡量阻尼器性能的重要指標(biāo)。在上述研究基礎(chǔ)上，本研究利用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的方法，在考慮介質(zhì)壓縮性的基礎(chǔ)上，分析孔隙式粘滯阻尼器的位移-負(fù)載曲線偏轉(zhuǎn)的原因。

1 理論分析

對于粘滯阻尼器，工作介質(zhì)的物性參數(shù)直接影響著阻尼器性能好壞，而二甲基硅油的壓縮特性對于位移-負(fù)載曲線的偏轉(zhuǎn)有著重要的影響。下面以孔隙式粘滯阻尼器為例，建立阻尼力的數(shù)學(xué)模型，從理論方面分析壓縮性對于阻尼特性的影響。

孔隙式粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.活塞桿 2.油缸 3.油腔 4.活塞 5.阻尼孔圖1 孔隙式粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)簡圖

首先，對阻尼器左右兩腔列連續(xù)性方程：

(1)

(2)

Q0,Qi—— 阻尼孔流出和流入容積腔的流量

K—— 介質(zhì)體積彈性模量

V1,V2—— 兩腔介質(zhì)的體積

左右兩腔的體積為：

V1=(L1-s)A0

(3)

V2=(L2+s)A0

(4)

式中，L1,L2—— 阻尼器左右兩腔的初始長度

s—— 活塞位移

A0—— 活塞有效作用面積

通過阻尼孔的流量為：

(5)

式中，d—— 阻尼孔直徑

μ—— 動(dòng)力黏度

l—— 阻尼孔長度

Δp—— 阻尼器左右兩腔壓差

c—— 修正系數(shù)

(6)

其中：ξ的近似值為：

(7)

雷諾數(shù)：

(8)

式中，ρ—— 流體介質(zhì)密度

v—— 阻尼孔內(nèi)油液的流速

(9)

阻尼力等于活塞前后壓差乘活塞有效作用面積，即：

F=ΔpA0

(10)

因此，阻尼力為：

(11)

由式(11)可知，假定二甲基硅油的密度和黏度均為常數(shù)，給定活塞正弦位移激勵(lì)，此時(shí)若忽略工作介質(zhì)的壓縮性，負(fù)載-位移曲線應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的橢圓。但實(shí)際上工作介質(zhì)的壓縮性不可忽略，此時(shí)負(fù)載-位移曲線必然存在偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2 理論計(jì)算

根據(jù)上述理論公式在MATLAB-Simulink中建立計(jì)算模型，給定活塞正弦位移激勵(lì)信號：s=Asin(2πft)。為分析阻尼孔徑與加載頻率對于負(fù)載-位移特性曲線的影響，分別設(shè)定孔徑條件為8 mm和13 mm，頻率條件為0.4 Hz和1.0 Hz，將孔徑與頻率兩兩組合進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。

觀察圖2c、圖2d可知，在阻尼孔徑為d=13 mm的粘滯阻尼器的負(fù)載-位移曲線出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)。隨著頻率的增加，活塞運(yùn)動(dòng)速度增大且阻尼力提高，但由于孔徑較大，阻尼孔流通能力強(qiáng)，在活塞運(yùn)動(dòng)過程中活塞兩端形成的壓差不足以使油液被壓縮，因此曲線偏轉(zhuǎn)不明顯。

觀察圖2a、圖2b可知，當(dāng)阻尼孔徑為d=8 mm時(shí)曲線出現(xiàn)了明顯的偏轉(zhuǎn)。分析認(rèn)為由于小孔徑的阻尼孔流通能力弱，此時(shí)高壓腔內(nèi)油液無法及時(shí)流出，滯留在高壓腔內(nèi)油液被壓縮且壓縮量較大，因此曲線出現(xiàn)明顯的偏轉(zhuǎn)。

由仿真結(jié)果可知：

(1) 仿真結(jié)果與理論分析相一致。在考慮了流體介質(zhì)壓縮性的前提下，負(fù)載-位移曲線均出現(xiàn)了一定程度的偏轉(zhuǎn)。

(2) 在同一孔徑下，隨著頻率的增加，曲線偏轉(zhuǎn)程度增大；在同一頻率下，隨著孔徑減小，曲線偏轉(zhuǎn)程度增大，(本質(zhì)上是通過影響阻尼孔的建壓能力強(qiáng)弱來改變油液的壓縮率)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證上述理論的正確性，使用PWS-2000消能減震裝置對阻尼器樣機(jī)進(jìn)行測試。

雙出桿式孔隙式粘滯阻尼器的主要組成部分有：

圖2 負(fù)載-位移滯回曲線

缸筒、活塞桿、開有阻尼孔的活塞等。當(dāng)阻尼器工作時(shí)，活塞一側(cè)容腔內(nèi)的液體受擠壓并通過阻尼孔流入另一側(cè)的容腔中，介質(zhì)在流動(dòng)過程中與阻尼孔內(nèi)壁發(fā)生摩擦，從而完成耗能，一些基本參數(shù)如表1所示。

測試裝置如圖3所示。阻尼器的負(fù)載力由電液位置控制系統(tǒng)中的作動(dòng)器提供，而作動(dòng)器的位移由內(nèi)置的磁滯伸縮傳感器測量， 阻尼器內(nèi)活塞的位移由拉線式位移傳感器測量，阻尼力由其左端的載荷傳感器測量。力傳感器和2個(gè)位移傳感器的最大采樣頻率均為1000 Hz。實(shí)驗(yàn)中給定活塞位移激勵(lì)信號s=Asin(2πft)，通過改變活塞運(yùn)動(dòng)的頻率，可獲得不同運(yùn)動(dòng)速度下的阻尼力輸出特性。每次實(shí)驗(yàn)開始前使用紅外熱成像儀測量活塞缸外壁的溫度，每個(gè)工況記錄4～6個(gè)循環(huán)(同一頻率下的滯回曲線數(shù))。

表1 阻尼器及介質(zhì)主要參數(shù)

圖3 PWS-2000減震消能機(jī)

圖4是d=8 mm,d=13 mm的阻尼器在不同頻率下的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算的負(fù)載-位移曲線。

由圖4a、圖4b可知，小孔徑時(shí)，隨著頻率增大，實(shí)驗(yàn)曲線出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，且偏轉(zhuǎn)程度逐漸增加。對比仿真曲線，偏轉(zhuǎn)程度幾近相同；但實(shí)驗(yàn)阻尼力與計(jì)算阻尼力有所不同，造成此種現(xiàn)象的原因是：流體介質(zhì)為二甲基硅油，是一種非牛頓流體，其剪切稀化特性(黏度隨著剪切速率增大呈非線性變化)使得油液在運(yùn)動(dòng)過程粘度呈非線性降低，而在理論計(jì)算過程中粘度用定值計(jì)算，故使得阻尼力計(jì)算偏大。

由圖4c、圖4d可知，在大孔徑時(shí)，隨著頻率的增加，實(shí)驗(yàn)曲線偏轉(zhuǎn)越來越明顯。在小頻率時(shí)，實(shí)驗(yàn)曲線幾乎無偏轉(zhuǎn)，這與仿真計(jì)算結(jié)果是一致的；在大頻率時(shí)，實(shí)驗(yàn)曲線的偏轉(zhuǎn)程度比仿真計(jì)算曲線的程度大，分析認(rèn)為:在大孔徑、高頻率時(shí)，雖然活塞運(yùn)動(dòng)速度快，但阻尼孔流通能力強(qiáng)，較少的油液滯留在容積腔一端，且理論計(jì)算中油液的壓縮性不是隨動(dòng)變化的，因此在仿真曲線中偏轉(zhuǎn)不明顯。

圖4 負(fù)載-位移曲線

結(jié)合上述分析可知，小孔徑、高頻率時(shí)阻尼器滯回曲線的偏轉(zhuǎn)程度更劇烈，為解釋該觀點(diǎn)，對d=8 mm的阻尼器在頻率f=1.0 Hz條件下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，繪制作動(dòng)器位移、活塞位移與阻尼力的對比曲線，如圖5所示。

圖5 活塞位移、作動(dòng)器位移、阻尼力曲線

觀察圖5可知，當(dāng)作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)至一端端點(diǎn)處向反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于作動(dòng)器與活塞之間存在間隙，此時(shí)活塞仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，阻尼器內(nèi)殘存阻尼力，說明在受壓一腔的流體具有一定的彈性能，此時(shí)作動(dòng)器需要先克服殘存阻尼力，至彈性能消失阻尼力變?yōu)?后才能帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。正是由于二甲基硅油具有較強(qiáng)的可壓縮性，在運(yùn)動(dòng)過程中活塞位移與阻尼力的變化并非完全相同，而是存在一定的滯后，即存在相位差，而這一相位差隨著阻尼力的增大也逐步提升直至阻尼力達(dá)到峰值時(shí)，相位差值也達(dá)到最大，因此導(dǎo)致了負(fù)載-位移曲線的偏轉(zhuǎn)。同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)加載頻率加快時(shí)，這種滯后性表現(xiàn)得更加明顯且偏轉(zhuǎn)程度更劇烈。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相一致，在不同孔徑、不同頻率下的負(fù)載-位移滯回曲線均出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)，此偏轉(zhuǎn)本質(zhì)上是由流體介質(zhì)的壓縮特性引起的。因此油液的壓縮性是引起曲線偏轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)論

對孔隙式阻尼器的負(fù)載-位移特性進(jìn)行了深入討論，從理論計(jì)算，仿真模擬以及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)等多個(gè)角度進(jìn)行分析，說明了阻尼介質(zhì)的壓縮特性是影響負(fù)載-位移曲線偏轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。當(dāng)阻尼器的孔徑越小、活塞運(yùn)動(dòng)頻率越高時(shí)，介質(zhì)壓縮性使得負(fù)載-位移曲線偏轉(zhuǎn)的越明顯。