電渦流阻尼器沖擊制動性能仿真與試驗研究

沈艷萍，劉 寧，王楠楠

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

在高速列車、航天裝備和武器發(fā)射等工程領(lǐng)域常面臨高速大慣量機(jī)械裝備高效可靠制動需求，傳統(tǒng)制動裝置采用液壓阻尼工作原理，存在阻尼系統(tǒng)低、摩擦磨損大、工作介質(zhì)易泄露、環(huán)境適應(yīng)性差及維護(hù)保養(yǎng)困難等缺點(diǎn)。電渦流阻尼器利用導(dǎo)體在恒定磁場中運(yùn)動或在交變磁場中產(chǎn)生的電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作,根據(jù)應(yīng)用場合的不同形成了各種形式的電渦流阻尼裝置。電渦流阻尼裝置具有非接觸、無需流體介質(zhì)的特點(diǎn)，能夠有效克服液壓裝置的弊端，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械、建筑及橋梁等領(lǐng)域的振動控制方面得到了廣泛應(yīng)用。Sodano[1]詳細(xì)地介紹了多種阻尼器，對磁制動、旋轉(zhuǎn)機(jī)械渦流阻尼以及動態(tài)系統(tǒng)渦流的近年研究進(jìn)行回顧，提出了渦流阻尼機(jī)制未來應(yīng)用在太空和汽車減震與制動系統(tǒng)的可能性。Bae等[2]對永磁體置于導(dǎo)電管內(nèi)時的渦流阻尼特性進(jìn)行了分析和試驗研究，驗證了提出的模型可以準(zhǔn)確預(yù)測穩(wěn)態(tài)阻尼力及低激勵頻率下的阻尼力。Ebrahimi[3]設(shè)計開發(fā)了直線永磁執(zhí)行器，可應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)。宋偉寧等[4]以上海中心大廈為對象，對電渦流阻尼器在建筑上應(yīng)用的可行性、安全性和效益性進(jìn)行了分析。汪志昊等[5]提出了一種適用于吊桿減振的永磁式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器方案，實(shí)物樣機(jī)的工況測試表明研制的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器能勝任實(shí)際工程應(yīng)用。陳政清等[6-7]在傳統(tǒng)的磁介質(zhì)阻尼器基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，研發(fā)了永磁式磁介質(zhì)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，能更好地滿足橋梁減振的需要。陳政清等[8-10]還提出了板式磁介質(zhì)阻尼器，其優(yōu)勢在于阻尼器的質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)更為簡單，制動比容易控制和調(diào)節(jié)，在跨度大的人行橋、拱橋等橋梁的剛性吊桿振動控制上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。李子軒等[11]研究了沖擊載荷下永磁式電渦流阻尼器的去磁效應(yīng)，并進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

總體而言，國內(nèi)外將電渦流阻尼器用于沖擊制動領(lǐng)域的研究較少，對沖擊載荷下電渦流阻尼器動力特性認(rèn)識不清，特別是缺乏相關(guān)試驗研究，制約其在高速重載制動領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。本文針對圓筒型直線式電渦流阻尼器沖擊制動性能進(jìn)行研究，建立了電渦流阻尼器電磁有限元模型，研究阻尼器不同磁路設(shè)計方案制動性能，并進(jìn)行試驗驗證。

1 電渦流阻尼器理論模型

(1)

(2)

運(yùn)用磁偶極矩法，取單個載流環(huán)進(jìn)行分析，代入畢奧薩伐爾定律，并沿圓柱形永磁體縱向進(jìn)行磁通密度的積分，得到空間內(nèi)任意(r,z)點(diǎn)的徑向和軸向的磁通密度公式

(3)

(4)

其中：τm和Rm為圓柱形永磁體的厚度和半徑；圓柱形永磁體的上下表面位置為z'=±τm/2；等效電流I=Mτm。K(k)和E(k)分別為第一類和第二類完全橢圓積分

(5)

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k2=4Rmr[(Rm+r)2+(z-z')2]-1

(7)

永磁組在阻尼筒內(nèi)運(yùn)動，導(dǎo)體筒切割磁感線產(chǎn)生電渦流阻尼力

(8)

(9)

其中：δ為導(dǎo)體筒厚度；rin和rout為導(dǎo)體筒內(nèi)外半徑；負(fù)號代表阻尼力方向與永磁體運(yùn)動速度方向相反。

2 圓筒型電渦流阻尼器磁路設(shè)計

2.1 磁路設(shè)計方案

圓筒型直線式電渦流阻尼器結(jié)構(gòu)主要由阻尼筒和磁組兩部分組成，如圖1所示。阻尼筒內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)渦流，形成阻尼力，選用電導(dǎo)率較高的材料，在導(dǎo)電筒外部可套裝導(dǎo)磁筒，起到屏蔽磁場作用；磁組包括永磁體、磁靴、阻尼桿等，對受沖擊載荷進(jìn)行緩沖制動，是阻尼器運(yùn)動部分(動子)。阻尼筒與磁組之間保持合適的工作氣隙，使磁路磁阻較小，同時避免高速沖擊作用下磁組與阻尼筒發(fā)生碰撞。

圖1 電渦流阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 電渦流阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

磁路設(shè)計方案對電渦流阻尼器阻尼特性和阻尼效率具有重要影響。根據(jù)圓筒型直線式電渦流阻尼器的工作構(gòu)型，提出4種磁路設(shè)計方案，如圖2所示。方案1、2的磁體排列方式為同極相對；方案3、4的磁體排列方式為磁極同向；方案1、3有導(dǎo)磁外筒；方案2、4無導(dǎo)磁外筒。

圖2 磁路設(shè)計方案示意圖

2.2 磁路分析

永磁電機(jī)中磁力線穿過定轉(zhuǎn)子鐵芯和氣隙，在磁阻較大的氣隙中磁降也較大，氣隙磁密的分布對電機(jī)特性產(chǎn)生重要影響。在圓筒型電渦流阻尼器中，同樣可以通過分析氣隙磁密大小判斷電渦流阻尼器磁路設(shè)計方案優(yōu)劣。

采用電磁場仿真軟件Ansoft Maxwell計算阻尼器靜態(tài)磁場氣隙磁密。圖3為4種磁路設(shè)計方案的磁力線與磁密場分布云圖，各方案氣隙磁密曲線如圖4所示。由圖3、圖4可知，方案1、2的氣隙磁密峰值出現(xiàn)在磁靴端面對應(yīng)位置，在磁靴端面之間氣隙磁密有所降低，而在永磁體厚度中心位置出現(xiàn)氣隙磁密谷值。而方案3、4僅在阻尼器兩端存在氣隙磁密分布，阻尼器內(nèi)部氣隙磁密接近于0。這是因為方案1、2的同極相對永磁體排列方式使每塊磁靴都能夠誘導(dǎo)磁力線穿過氣隙到達(dá)導(dǎo)電內(nèi)筒，而方案3、4的磁極同向排列方式對磁力線無誘導(dǎo)偏轉(zhuǎn)作用，磁力線只在阻尼器兩端形成磁回路，如圖3所示。由表2的方案1、3與方案2、4數(shù)據(jù)對比可看出導(dǎo)磁外筒對磁路影響，方案1、3的氣隙磁密峰值分別高于方案2、4，這是由于導(dǎo)磁外筒構(gòu)建了磁通路，能將大部分磁力線封閉在阻尼筒內(nèi)。

圖3 磁力線與磁密場圖

表2 各方案氣隙磁密值

對比分析可得，在4種磁路設(shè)計方案中，方案1最為理想，其氣隙磁密峰值1.31T和氣隙磁密均值0.63T都高于其他方案。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)體與磁場發(fā)生相對運(yùn)動，導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生電渦流，方案1的高磁密值保證阻尼器具有較高的阻尼效率。因此，本研究選擇方案1作為阻尼器試驗裝置方案。

2.3 動力學(xué)仿真

采用Ansoft Maxwell軟件建立電渦流阻尼器動力學(xué)仿真模型，控制試驗系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)加氣壓力為0.8 MPa，此時由氣動沖擊錘傳遞給阻尼桿端部的最大沖擊力載荷為23.75 kN，曲線如圖5所示，通過動力學(xué)模型計算阻尼器對滑塊-阻尼桿緩沖制動性能。

圖5 沖擊力曲線

圖6為動子速度隨位移變化曲線，在沖擊力作用下，4種磁路方案的動子速度均迅速增加至第一峰值，在隨后的制動階段，4種方案的制動性能出現(xiàn)明顯區(qū)別。方案1動子速度在阻尼力作用下迅速下降，制動距離為161 mm；方案2在沖擊力作用下繼續(xù)增大，動子運(yùn)動100 mm后，速度緩慢下降，在阻尼器極限制動位移290 mm處，速度仍有7.24 m/s,動子將與端蓋產(chǎn)生碰撞，制動性能較差；方案3、4動子一直加速到極限位置處，達(dá)到14.24 m/s、15.55 m/s，無制動效果。因此，動力學(xué)仿真結(jié)果證明了方案1阻尼性能最好。

圖6 動子速度-位移曲線

圖7為4種方案的動子速度到達(dá)第一個峰值時的渦流分布圖。方案1、2導(dǎo)電內(nèi)筒的渦流密度主要集中在磁靴對應(yīng)的位置，且正負(fù)交替分布，最大渦流密度為1.16×108A/m2；方案3、4導(dǎo)電內(nèi)筒的渦流密度只出現(xiàn)在阻尼器端部位置，方案1、3的渦流密度明顯高于方案2、4。同時，在導(dǎo)電筒厚度上4種方案的渦流密度分布規(guī)律表明，越靠近導(dǎo)電筒內(nèi)層，渦流密度值越大，證明了渦流集膚效應(yīng)的存在。

圖7 渦流分布圖

3 電渦流阻尼器沖擊響應(yīng)試驗

3.1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

為了驗證圓筒形電渦流阻尼器的沖擊響應(yīng)性能，搭建了圖8所示的氣動沖擊試驗系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、氣動沖擊錘、電渦流阻尼器、滑軌、質(zhì)量滑塊、力傳感器、激光位移傳感器、電荷放大器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。電渦流阻尼器的阻尼筒與機(jī)架固連，阻尼桿與質(zhì)量滑塊連接，氣動沖擊錘高速沖擊質(zhì)量滑塊，對電渦流阻尼器產(chǎn)生沖擊激勵，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得阻尼器阻尼桿受力與位移信號，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得阻尼器動力性能。

圖8 電渦流阻尼器沖擊響應(yīng)試驗系統(tǒng)

3.2 試驗驗證

基于方案1磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行電渦流阻尼器沖擊制動試驗。控制加氣壓力為0.8 MPa，電渦流阻尼器動子所受沖擊力可經(jīng)由壓力傳感器Kistler 9513B和電荷放大器Kistler 5018A測得，而OptoNCDT 1402-600激光位移傳感器用于測量動子位移。圖9為動子位移、速度仿真結(jié)果與試驗值對比情況，可以看出二者吻合較好，驗證了電渦流阻尼器動力學(xué)模型的正確性，說明本文設(shè)計的磁路方案具有較高的阻尼效率，能夠用于沖擊載荷的緩沖制動，為圓筒型電渦流阻尼器在沖擊工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

圖9 動子位移、速度仿真與試驗結(jié)果曲線

4 結(jié)論

1) 比較4種電渦流阻尼器磁路設(shè)計方案的靜態(tài)磁力線和磁密分布規(guī)律，結(jié)果表明，永磁體同極相對排列、具有導(dǎo)磁外筒的設(shè)計方案能誘導(dǎo)磁力線偏轉(zhuǎn)構(gòu)成多個磁回路且閉合磁回路在阻尼筒內(nèi)部，因此磁能利用率最高。

2) 在最大沖擊力為23.75 kN的試驗沖擊載荷下，對4種電渦流阻尼器設(shè)計方案的制動性能和渦流分布進(jìn)行仿真計算，結(jié)果同樣表明，同極相對排列、具有導(dǎo)磁外筒該方案的制動性能最好，并且得到了試驗結(jié)果的有力驗證。該方案在仿真下的制動距離為161 mm，最大渦流密度為1.16×108A/m2，導(dǎo)體內(nèi)部存在渦流集膚效應(yīng)，該因素對阻尼器工作性能的影響還需作進(jìn)一步研究。

3) 本文圓筒型電渦流阻尼器設(shè)計方案具有良好的沖擊制動性能，能夠克服傳統(tǒng)液壓式阻尼器的介質(zhì)易泄露等弊端，在列車制動、武器發(fā)射等沖擊制動領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。