剪切擠壓混合模式磁流變阻尼器的性能

陳淑梅 湯鴻劍 黃惠 駱清

(1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108；2.流體動(dòng)力與電液智能控制福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108)

磁流變阻尼器是依據(jù)磁流變效應(yīng)研制出的一種智能減振裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、輸出力大以及連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，因此在半主動(dòng)智能控制等許多領(lǐng)域中有很大的應(yīng)用價(jià)值[1- 2]。目前，磁流變阻尼器已經(jīng)在建筑、橋梁、地震、汽車、航天航空等領(lǐng)域取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。如美國通用汽車公司在凱迪拉克Seville STS上安裝了Magnetic Ride Control RPO F55磁流變懸架系統(tǒng)，取代了之前的CVRSS連續(xù)可變道路傳感懸架系統(tǒng)，在轎車行駛過程中能夠產(chǎn)生更大的阻尼力，獲取更佳的乘座舒適性[3]；Marathe等[4]將磁流變阻尼器應(yīng)用于直升機(jī)上，用來提高氣彈穩(wěn)定性，試驗(yàn)表明磁流變阻尼器在抑制直升機(jī)與地面共振時(shí)相比其他相同尺寸的傳統(tǒng)阻尼器具有更好的減振效果。重慶大學(xué)研究中心將磁流變阻尼器應(yīng)用于汽車懸架上，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車輛在行駛過程中具有更高的平順性[5- 6]。Lord公司首次把磁流變減振器應(yīng)用于高級(jí)假肢上，它能夠使膝蓋以上的截肢患者行走得更好，在樓梯、斜坡等艱難的環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整阻尼力大小[7]。

然而對(duì)磁流變阻尼器的研究，仍有幾個(gè)關(guān)鍵問題亟待解決：一是受結(jié)構(gòu)尺寸及工作模式的限制，在面對(duì)力重比較大的結(jié)構(gòu)，如液壓機(jī)械腿[8]、壓機(jī)調(diào)平等時(shí)，磁流變阻尼器的最大出力無法滿足其減振要求，從而降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及機(jī)器壽命；二是由于磁路設(shè)計(jì)及線圈活塞布置方式等問題，傳統(tǒng)磁流變阻尼器在阻尼通道處存在磁路分布不均勻、磁感應(yīng)強(qiáng)度較低的問題。針對(duì)以上兩點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9- 11]、線圈個(gè)數(shù)、流道布置[12- 13]、減振機(jī)理[14]、能量回收、功能集成自感應(yīng)式等方面做了諸多研究：美國圣母大學(xué)Spencer教授和Lord公司合作研制出大尺寸剪切式磁流變減振器并將其應(yīng)用在建筑物中，其具有較大的阻尼輸出力與較高的可調(diào)節(jié)系數(shù)，能夠較好地減輕地震帶來的破壞性[15]。弗尼吉亞理工大學(xué)通過對(duì)擠壓式磁流變減振器研究，設(shè)計(jì)出具有較大出力的汽車隔振系統(tǒng)[16- 18]。一些學(xué)者通過結(jié)合擠壓式、閥式優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新型混合模式磁流變減振器并將其應(yīng)用在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)上，取得了不錯(cuò)的減振效果[19- 20]。郭朝陽等[21]提出一種內(nèi)通道式磁流變阻尼器，由于其流道在勵(lì)磁線圈內(nèi)部，因此有更大面積的磁流變液(MRF)形成鏈狀結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)更大的阻尼力輸出。董小閔等[22]設(shè)計(jì)出一種新型旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器，能夠?qū)崿F(xiàn)更小的體積產(chǎn)生更大的阻尼力矩。趙丹俠[23]提出一種多級(jí)徑向流動(dòng)式磁流變阻尼器，該阻尼器采用多級(jí)徑向流動(dòng)方式，因此能夠增加磁流變阻尼器的有效間隙長度，具有更大的阻尼力和可調(diào)系數(shù)。

雖然以上學(xué)者對(duì)磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)、磁路設(shè)計(jì)做了大量研究，并最終增加了阻尼器的最大出力。但與此同時(shí)也加大了阻尼器的結(jié)構(gòu)尺寸或者其設(shè)計(jì)復(fù)雜性，阻尼器出力效果卻仍無法滿足特殊情況下的減振要求。所以本研究提出了一種新型剪切擠壓混合模式磁流變阻尼器。對(duì)該新型磁流變阻尼器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原理分析、模型建立、磁場(chǎng)仿真以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并制作阻尼器樣機(jī)搭建試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)。通過試驗(yàn)及仿真結(jié)果能夠有效證明該新型剪切擠壓混合模式磁流變阻尼器較傳統(tǒng)磁流變阻尼器具有更大的出力，在阻尼通道處具有更為均勻的磁場(chǎng)分布以及更高的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

1 結(jié)構(gòu)及原理

1.1 新型混合模式磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)磁流變阻尼器過程中，由于單一工作模式的缺點(diǎn)較為明顯，因此在實(shí)際過程中多采用兩種或兩種以上的工作模式。本研究所設(shè)計(jì)的剪切擠壓混合模式磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)如圖1所示，阻尼器的基本結(jié)構(gòu)包括活塞桿、活塞、勵(lì)磁線圈、下端罩、左右端蓋、缸筒、導(dǎo)磁環(huán)以及阻磁環(huán)。其中活塞桿采用雙出桿形式，一端連接外界負(fù)載，一端伸入下端罩?；钊ㄟ^焊接固定在活塞桿上，工作過程中與活塞桿組成一整體，在套筒內(nèi)部做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為了使磁流變阻尼器能夠?qū)崿F(xiàn)在不同工作模式的切換，在活塞和缸筒處各裝有兩個(gè)線圈，其中活塞線圈采用線圈內(nèi)置的布置形式并加裝阻磁環(huán)及導(dǎo)磁環(huán)，形成全通道式磁路結(jié)構(gòu)，缸筒線圈加裝套筒對(duì)其進(jìn)行定位與固定。下端罩通過螺紋與左端蓋連接，對(duì)磁流變阻尼器起到支持與保護(hù)的作用。

圖1 新型混合模式MRF阻尼器結(jié)構(gòu)

上述剪切擠壓混合式磁流變阻尼器存在3個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：一是在活塞和缸筒處各裝有兩個(gè)線圈，通過對(duì)不同線圈施加電流可使阻尼器在兩種工作模式下切換，能夠根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合調(diào)整工作模式；二是在活塞線圈處加裝阻磁環(huán)及導(dǎo)磁環(huán)形成全通道式磁路結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)阻尼通道處磁路分布，增加活塞有效長度；三是在活塞線圈處采用雙線圈結(jié)構(gòu)，對(duì)比于傳統(tǒng)的單線圈式，具有增加阻尼通道磁感應(yīng)強(qiáng)度、增大阻尼器最大出力的優(yōu)勢(shì)。

1.2 工作原理

本研究設(shè)計(jì)的剪切擠壓混合模式磁流變阻尼器兼并了剪切閥以及剪切擠壓兩種工作模式。以下結(jié)合圖1闡述其工作原理：該新型磁流變阻尼器在活塞和缸筒處各裝有兩個(gè)線圈，活塞線圈通入電流為I1，缸筒線圈通入電流為I2。在工作過程中，外加振動(dòng)通過活塞桿作用到阻尼器中，帶動(dòng)活塞在缸筒內(nèi)部做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)給活塞線圈通入電流I1，缸筒線圈不通電時(shí)，阻尼器在整個(gè)活塞通道表現(xiàn)為剪切閥式，此模式下輸出阻尼力較大，適用于一般的工作場(chǎng)合；當(dāng)給缸筒線圈通入電流I2，活塞線圈不通電時(shí)，阻尼器在活塞靠近左右缸筒時(shí)表現(xiàn)為剪切擠壓式，此模式下可提供足夠大的輸出阻尼力；當(dāng)同時(shí)給活塞線圈通入電流I1，缸筒線圈通入電流I2時(shí)，阻尼器在活塞運(yùn)動(dòng)到缸筒中間位置時(shí)表現(xiàn)為剪切閥式，活塞靠近左右缸筒時(shí)表現(xiàn)為剪切擠壓式，該混合模式下克服了剪切閥式出力不足，擠壓式工作位移小的缺點(diǎn)，兼并了兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以提供足夠大的輸出力和較高的動(dòng)力可調(diào)系數(shù)。通過控制輸入電流I1、I2的大小可控制阻尼器的最大出力。

2 建模及性能分析

2.1 力學(xué)模型

根據(jù)上述剪切擠壓混合模式磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)及工作原理，將阻尼器分為剪切閥式及剪切擠壓式兩部分進(jìn)行力學(xué)模型的建立。

2.1.1 剪切閥式力學(xué)模型

阻尼器在工作過程中，活塞在阻尼缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于活塞與缸筒發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)磁流變阻尼器計(jì)算理論，得出剪切擠壓混合式磁流變阻尼器在剪切閥式部分力學(xué)模型為[24]

F2=Fη+F

(1)

可調(diào)倍數(shù)

(2)

式中,F為庫侖力，F(xiàn)η為粘滯力，η為零場(chǎng)黏度，L為有效長度，Ap為活塞有效面積，D為活塞外徑，y為剪切屈服強(qiáng)度，h1為阻尼通道寬度，v為活塞與缸體的相對(duì)速度。

2.1.2 剪切擠壓式力學(xué)模型

阻尼器在活塞靠近左右端蓋處形成剪切擠壓工作模式，由于剪切擠壓式力學(xué)模型較為復(fù)雜，以下通過分析磁流變阻尼力的計(jì)算理論得出剪切擠壓式下的力學(xué)模型。

(1)剪切模式力學(xué)模型

(3)

式中：sgn(v)表示活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

(2)擠壓模式力學(xué)模型

在擠壓模式下有效面積為活塞與活塞桿的面積差，但由于擠壓模式力學(xué)模型的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)過程中需對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，由于活塞桿面積相對(duì)于活塞面積較小，占比為4%，因此可對(duì)其忽略，認(rèn)為擠壓模式下有效面積為整個(gè)活塞的面積，擠壓模式示意圖如圖2所示。其中v表示上極板運(yùn)動(dòng)速度，h表示擠壓間隙高度。

圖2 磁流變液擠壓流動(dòng)區(qū)域示意圖

根據(jù)磁流變液在壓縮過程中的動(dòng)量守恒定律，建立在柱坐標(biāo)系r-Z中的方程

(4)

式中,p為總壓強(qiáng)，rz為剪切應(yīng)力，Mr為磁化強(qiáng)度，μ0為真空磁導(dǎo)率，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

根據(jù)雙粘性模型表達(dá)式[25],

(5)

(6)

考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，在區(qū)域(0

(7)

一般情況下代換變量Φ(r)<0，根據(jù)邊界條件z=h/2，=0，對(duì)方程(7)沿z方向進(jìn)行積分，可得

(8)

(9)

同理，結(jié)合方程(6)和(7)，可得到非屈服區(qū)域的速度為

(10)

其中c為常數(shù)。因速度在流動(dòng)時(shí)具有連續(xù)性，故在屈服區(qū)與非屈服區(qū)之間的分界線上相等，即

Ur1(Zy)=Ur2(Zy)

(11)

聯(lián)立方程(9)-(11)得到常數(shù)c為

(12)

把常數(shù)代入方程(10)，可得磁流變液的速度分布為

(13)

根據(jù)擠壓過程中的質(zhì)量守恒定律，在半徑為r，高度為z=0到z=h/2間的圓柱體中有

即

(14)

式中v為擠壓速度。通過化簡(jiǎn)可得

ηrh3Φ3+3ηr0h2Φ2+6ηηrrvΦ2-12ηr0=0

(15)

(16)

由于磁流變液ε～10-4遠(yuǎn)小于1，因此可以對(duì)其進(jìn)行近似求解，方程(16)可近似為

(17)

由于S為一個(gè)極小數(shù)，根據(jù)攝動(dòng)理論[26]，可得方程(17)的近似解為

(18)

即為

(19)

忽略大氣壓的影響(p(R)=0)，考慮磁場(chǎng)沿著徑向分布是均勻的，則受到的總法向力為

(20)

(21)

其中參數(shù)u與擠壓狀態(tài)有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取u=1.45，取擠壓間隙h2=3 mm。

阻尼器工作過程中，活塞移動(dòng)到缸筒不同位置時(shí)，會(huì)形成不同的工作模式。當(dāng)活塞移動(dòng)到缸筒中間時(shí)將產(chǎn)生剪切閥式，當(dāng)活塞靠近端蓋時(shí)將會(huì)形成剪切擠壓模式，由于擠壓力比剪切力大得多，按類似傳統(tǒng)方法的設(shè)計(jì)理念對(duì)方程(21)進(jìn)行簡(jiǎn)化。最終得到當(dāng)給4個(gè)線圈同時(shí)通入電流時(shí)剪切擠壓混合式磁流變阻尼器的力學(xué)模型為:

(22)

式中，F(xiàn)為庫倫力,Fη為粘滯力,η為磁流變液零場(chǎng)黏度,L為活塞總有效長度,Ap為活塞的面積大小,D為活塞外徑,y為磁流變液剪切屈服強(qiáng)度,h1為剪切阻尼通道的寬度,h2為擠壓阻尼通道的寬度,v為線圈活塞與缸體間相對(duì)速度。

2.2 磁路設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)仿真

磁路設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)仿真是設(shè)計(jì)磁流變阻尼器的核心內(nèi)容，如何增大阻尼通道內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，使得盡可能多的磁力線垂直于阻尼通道分布是此步驟所要達(dá)到的目的。考慮到本研究設(shè)計(jì)的新型磁流變阻尼器可在不同模式下工作，其整體磁路設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)仿真較為復(fù)雜，因此需要分別對(duì)阻尼器在不同模式下進(jìn)行磁路設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)仿真。將整體阻尼器磁路結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分：一是剪切閥式下的磁路結(jié)構(gòu)；二是混合模式下的磁路結(jié)構(gòu)，其中剪切閥式磁路結(jié)構(gòu)為全通道式磁路結(jié)構(gòu)。通過對(duì)以上兩個(gè)部分分別進(jìn)行磁路設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)仿真，分析磁力線分布走向及阻尼通道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，驗(yàn)證磁路可行性并證實(shí)新型阻尼器的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性。

由于外端罩、螺釘?shù)葘儆诜菍?dǎo)磁性材料，在仿真過程中對(duì)磁路沒有影響因此將其忽略；同時(shí)為了提高仿真軟件的計(jì)算效率，并使結(jié)果能夠更快地收斂，對(duì)復(fù)雜的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。本研究設(shè)計(jì)的混合式磁流變阻尼器中所有結(jié)構(gòu)都是軸對(duì)稱的，4個(gè)線圈也是圍繞活塞桿纏繞的，因此可將復(fù)雜的模型簡(jiǎn)化為如圖3所示的二維模型，其中A、D表示缸筒線圈，B、C表示活塞線圈。

圖3 混合式阻尼器阻尼單元簡(jiǎn)化模型

2.2.1 剪切閥式磁路設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)仿真

混合式阻尼器在剪切閥式下，阻尼單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于阻尼通道間隙過大會(huì)導(dǎo)致磁阻過大，間隙過小會(huì)加大安裝精度并且容易發(fā)生堵塞，綜合考慮新型阻尼器的目標(biāo)出力及工作定位，確定阻尼器磁路尺寸參數(shù)，見表1。

采用Ansoft Maxwell磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的混合式磁流變阻尼器的磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算與分析。為能夠更全面地研究混合式磁流變阻尼器的磁場(chǎng)變化規(guī)律，通過改變缸筒與活塞線圈中的電流大小與方向，得到混合式磁流變阻尼器在不同電流下的磁場(chǎng)分布規(guī)律。當(dāng)給活塞線圈B、C通入電流IB、IC時(shí)，混合式阻尼器剪切閥阻尼通道處的磁力分布線如圖5、圖6所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖7、圖8所示。

圖4 剪切閥式阻尼單元結(jié)構(gòu)示意圖

表1 剪切閥式阻尼單元磁路尺寸參數(shù)

仿真結(jié)果表明，在活塞線圈處加裝導(dǎo)磁環(huán)與阻磁環(huán)后，整個(gè)阻尼通道上都分布有均勻磁場(chǎng)，當(dāng)通入大小為1 A的同向電流時(shí)，剪切閥阻尼通道中段小部分區(qū)域最大磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)0.63 T，通道兩端磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.41 T;當(dāng)通入反向1 A電流時(shí),由于雙線圈及全通道式磁路結(jié)構(gòu)的共同作用，在阻尼通道中段的小部分區(qū)域最大磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.62 T，阻尼通道兩端由于雙線圈磁場(chǎng)相互抑制作用，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.29 T。仿真結(jié)果證實(shí)了全通道式磁路有效長度較傳統(tǒng)式更長，全通道阻尼器在工作中能產(chǎn)生更大的出力。

2.2.2 混合模式磁路設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)仿真

混合式阻尼器在剪切擠壓式下，阻尼單元結(jié)構(gòu)如圖9所示。由于擠壓式阻尼器間隙g在工作過程中不斷變化，為了充分發(fā)揮擠壓盤的作用，因此擠壓通道不宜過大，初步選為3 mm；根據(jù)擠壓通道處磁感應(yīng)強(qiáng)度最適原則，利用仿真法確定其余尺寸參數(shù)，得出的剪切擠壓式阻尼單元磁路尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

圖5 IB=1 A,IC=-1 A時(shí)的剪切閥式阻尼單元磁力線分布圖

圖6 IB=IC=1 A時(shí)的剪切閥式阻尼單元磁力線分布圖

圖7 IB=1 A,IC=-1 A時(shí)的剪切閥式阻尼單元磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

圖8 IB=IC=1 A時(shí)的剪切閥式阻尼單元磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

圖9 剪切擠壓式阻尼單元結(jié)構(gòu)示意圖

表2 剪切擠壓式阻尼單元磁路尺寸參數(shù)

圖10 混合模式下IA=IB=IC=ID=1 A時(shí)的磁力線分布圖

圖11 混合模式下IA=IB=IC=ID=1 A時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

與剪切閥式磁場(chǎng)仿真相同，混合模式磁場(chǎng)仿真同樣采用Ansoft Maxwell磁場(chǎng)仿真軟件，通過給4個(gè)線圈通入電流IA、IB、IC、ID，得到整個(gè)缸筒內(nèi)部的磁力線分布圖及磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。混合模式下缸筒內(nèi)部磁力線分布及磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖10、圖11所示。

仿真結(jié)果表明，對(duì)于剪切擠壓混合式磁流變阻尼器，當(dāng)給4個(gè)線圈同時(shí)通入大小為1 A的同向電流時(shí)，在擠壓阻尼通道處最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.54 T，根據(jù)所推力學(xué)模型，可計(jì)算出相應(yīng)擠壓力高達(dá)5 002 N。同時(shí)，在擠壓阻尼通道處磁力線分布均勻，走向合理，表明了活塞線圈及缸筒線圈磁場(chǎng)耦合效果良好。以上結(jié)果說明本研究設(shè)計(jì)的新型磁流變阻尼器出力大、磁路走向好、磁場(chǎng)利用率高。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在第1節(jié)中已對(duì)阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為了使阻尼器滿足輸出力大的同時(shí)，體積盡可能地小，考慮到阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)對(duì)其最大出力產(chǎn)生影響，以下對(duì)阻尼器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

磁流變阻尼器具有諸多的結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)，其中磁流變黏度η、剪切屈服強(qiáng)度y、空氣磁導(dǎo)率μ0、磁流變液、磁芯、缸筒處磁感應(yīng)強(qiáng)度B、B1、B2為材料的基本特性參數(shù)，活塞外徑D、活塞與缸筒的相對(duì)速度v根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求確定。為了分析線圈(最大通電電流I、直徑dc、匝數(shù)N、長度L2、高度h1)、活塞(長度L1、距軸心高度r)、阻尼通道(間隙h)與設(shè)計(jì)指標(biāo)(阻尼器最大出力Fmax、可調(diào)倍數(shù)β)之間的關(guān)聯(lián)，引入如下相關(guān)條件:

1)在最大電流作用下阻尼通道處的磁流變液達(dá)到磁飽和狀態(tài)。

(23)

2)阻尼通道和磁芯同時(shí)達(dá)到磁飽和狀態(tài)。

(24)

3)銅導(dǎo)線直徑大小和最大電流大小的函數(shù)關(guān)系(dc=dc(I))。

(25)

(1)線圈參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系

(26)

(2)活塞尺寸參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系

(27)

(3)設(shè)計(jì)指標(biāo)與結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系

通過分析可得磁流變阻尼器的性能指標(biāo)最后只和3個(gè)參數(shù)(h、r、h1)有關(guān)，可認(rèn)為這3個(gè)參數(shù)之間是相互獨(dú)立的。磁流變阻尼器在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，以體積最小為優(yōu)化目標(biāo)。

目標(biāo)函數(shù)

minf(x)=(r+h1)2(3L1+2L2)

(28)

約束條件

(29)

其中T1、T2分別為式(1)、(2)最大出力表達(dá)式和可調(diào)系數(shù)表達(dá)式，給定Fmax=1 200 N；β=8。將混合式磁流變阻尼器的初步設(shè)計(jì)尺寸作為初始值，利用Matlab軟件提供的非線性約束優(yōu)化函數(shù)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出優(yōu)化結(jié)果為：r=13.1、h=1.39、h1=6.8。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 磁流變液的制備

為了準(zhǔn)確分析磁流變液的流變特性，基于MCR-302流變儀，對(duì)以二甲基硅油為載液，羧基鐵粉體積分?jǐn)?shù)為40%的磁流變液進(jìn)行性能測(cè)試。剪切速率在0～400 s-1、水浴溫度為45 ℃的條件下，零場(chǎng)下磁流變液的剪切應(yīng)力與剪切速率γ、零場(chǎng)黏度η與剪切速率γ的關(guān)系曲線如圖12所示。圖中顯示，當(dāng)保持其他條件不變時(shí)，磁流變液剪切應(yīng)力與剪切速率呈現(xiàn)正比例關(guān)系，剪切應(yīng)力最大可達(dá)373.5 Pa；當(dāng)剪切速率不斷增加時(shí)，磁流變液的零場(chǎng)黏度會(huì)急劇下降，最小黏度為1.02 Pa·s。磁流變液在溫度為45 ℃、剪切速率為400 s-1時(shí)，剪切應(yīng)力和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系曲線如圖13所示，對(duì)其進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得出磁流變液剪切應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式為

67.34B-0.45

(30)

圖12 磁流變液零場(chǎng)黏度、剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系

圖13 磁流變液-B曲線圖

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)所設(shè)計(jì)的新型混合式磁流變阻尼器的樣機(jī)進(jìn)行加工并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。阻尼器的性能測(cè)試平臺(tái)如圖14所示。該測(cè)試平臺(tái)由兩部分組成：阻尼器部分和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試部分。阻尼器部分中阻尼器的一端通過螺栓固定在左側(cè)的支撐板上，另一側(cè)活塞桿通過轉(zhuǎn)接頭與LCM200傳感器相連，傳感器的另一側(cè)通過螺紋將其連接在右側(cè)的支撐塊上，通過調(diào)節(jié)支撐塊與支撐板的距離，使阻尼器固定在振動(dòng)平臺(tái)的合適位置。左側(cè)的支撐板下通過螺栓將其與地面相連，能夠在振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)中起到支撐作用。通過給振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)施加不同激勵(lì)信號(hào)，支撐塊在振動(dòng)平臺(tái)的作用下驅(qū)動(dòng)混合式磁流變阻尼器的活塞桿在缸筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在活塞桿運(yùn)動(dòng)過程中利用拉壓力傳感器與加速度傳感器測(cè)量阻尼器輸出力與加速度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給采集模塊，最終輸入電腦端進(jìn)行處理分析，實(shí)物圖如圖15所示。

圖14 阻尼器性能測(cè)試平臺(tái)示意圖

圖15 阻尼器性能測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖

計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試部分主要包括NI數(shù)據(jù)采集卡、LCM200力傳感器、DL311加速度傳感器以及電壓信號(hào)放大器等。

基于已搭建好的振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試混合式磁流變阻尼器的整體力學(xué)性能。針對(duì)混合式磁流變阻尼器的不同工作模式，控制振動(dòng)發(fā)生裝置對(duì)阻尼器輸入正弦激勵(lì)信號(hào)，測(cè)試給活塞線圈及缸筒線圈分別通入不同大小電流時(shí)阻尼器的力學(xué)性能。首先輸入幅值為10 mm、頻率為5 Hz的正弦信號(hào)，測(cè)試給活塞線圈通入不同電流時(shí)，阻尼器在剪切閥式下的力學(xué)性能；然后設(shè)置振幅為2 mm，頻率為5 Hz，測(cè)試給缸筒線圈通入不同電流時(shí)，阻尼器在剪切擠壓式下的力學(xué)性能，最后利用萬能材料機(jī)輸入三角波信號(hào)，對(duì)線圈活塞和缸筒活塞同時(shí)輸入電流，測(cè)試阻尼器在綜合模式下的力學(xué)性能。

3.3 結(jié)果與分析

給活塞線圈通入幅值為10 mm，頻率為5 Hz，不同電流大小的正弦激勵(lì)信號(hào)。測(cè)得混合式磁流變阻尼器在剪切閥式作用下力與位移關(guān)系曲線，如圖16所示，其中實(shí)線為理論值，虛線為實(shí)驗(yàn)值。從圖16中可看出實(shí)驗(yàn)值與理論值保持高度一致，證實(shí)了理論分析的合理性。同時(shí)活塞在運(yùn)動(dòng)過程中阻尼力大小幾乎保持不變，當(dāng)在位移為10 mm和-10 mm時(shí)由于活塞運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變阻尼力的方向也發(fā)生改變；阻尼力大小隨著電流的增大而變大，曲線包圍的面積也隨之增大，這表示阻尼力在運(yùn)動(dòng)過程中做功變大?；旌鲜阶枘崞髟诩羟虚y式下，當(dāng)活塞兩線圈通入1 A電流時(shí)阻尼力可達(dá)1 065 N。

圖16 剪切閥式下阻尼器位移與阻尼力的關(guān)系

給缸筒線圈通過幅值為2 mm、頻率為5 Hz、不同電流大小的正弦激勵(lì)信號(hào)，測(cè)得混合式磁流變阻尼器在擠壓式下力與位移曲線，如圖17所示，其中實(shí)線為理論值，虛線為實(shí)驗(yàn)值。分析圖17可以看出，阻尼器在擠壓式下理論值與仿真值同樣表現(xiàn)出高度的一致性，同時(shí)擠壓式阻尼力位移滯回曲線與剪切閥式阻尼力位移滯回曲線大致相同，都呈現(xiàn)出阻尼力隨電流增大而增大的趨勢(shì)。但擠壓式在兩端有尖角現(xiàn)象，主要是由于阻尼器在擠壓式下磁流變液與活塞相互作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮狀態(tài)，從而導(dǎo)致尖角現(xiàn)象的發(fā)生?；旌鲜阶枘崞髟诩羟袛D壓式下，當(dāng)給缸筒兩線圈施加1 A電流時(shí)最大出力可達(dá)4 939 N。

利用萬能材料機(jī)測(cè)試混合式磁流變阻尼器的綜合力學(xué)性能，給活塞線圈和缸筒線圈通入不同電流大小的三角波信號(hào)，測(cè)得混合式磁流變阻尼器力與位移關(guān)系曲線，如圖18所示，該圖為四分之一的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析圖18可以看出混合式磁流變阻尼器在活塞位移為7 mm時(shí)阻尼力發(fā)生突變，這是由于此時(shí)阻尼器工作模式由剪切閥式變?yōu)榧羟袛D壓式。由于剪切擠壓式能夠產(chǎn)生的阻尼力較剪切閥式大得多，因此阻尼器的最大出力為剪切擠壓式下的最大出力4 939 N。

圖17 剪切擠壓式下阻尼器位移與阻尼力關(guān)系圖

圖18 阻尼器位移與阻尼力關(guān)系圖

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的剪切擠壓混合式磁流變阻尼器，通過給不同線圈通電，能夠使其在兩種模式下工作，結(jié)合了剪切閥式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和擠壓式出力大的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)活塞阻尼通道加裝阻磁環(huán)和導(dǎo)磁環(huán)進(jìn)一步增大了阻尼器的最大輸出力。該設(shè)計(jì)一方面能夠提供較大的阻尼輸出力，另一方面較傳統(tǒng)阻尼器具有更高的動(dòng)力可調(diào)系數(shù)。通過原理分析、仿真實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)活塞線圈電流相同時(shí)，剪切閥阻尼通道中段小部分區(qū)域最大磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)0.63 T，通道兩端磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.41 T，電流相反時(shí)阻尼通道中段最大磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.62 T，通道兩端磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.29 T；當(dāng)4個(gè)線圈同時(shí)通入電流時(shí)，擠壓阻尼通道處最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.54 T；剪切閥式下阻尼力最大可達(dá)1 065 N，擠壓式下阻尼力最大可達(dá)4 939 N。結(jié)果表明該新型磁流變阻尼器磁場(chǎng)分布合理、出力大、動(dòng)力可調(diào)系數(shù)高，具有良好的工作性能。