磁流變減振器的可控特性標(biāo)定方法研究

白先旭, 鄧學(xué)才, 沈 升

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

自1948年Rabinow發(fā)現(xiàn)磁流變效應(yīng)[1]以來(lái),基于磁流變液的半主動(dòng)執(zhí)行器在建筑結(jié)構(gòu)[2-3]、醫(yī)療器械[4-5]、汽車(chē)制動(dòng)與離合系統(tǒng)[6-7]以及汽車(chē)懸架系統(tǒng)[8-11]等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的研究與應(yīng)用。磁流變執(zhí)行器能夠應(yīng)用于振動(dòng)與沖擊控制系統(tǒng)的前提是具有滿(mǎn)足需求的可控特性,包括力學(xué)響應(yīng)特性[12]和時(shí)間響應(yīng)特性[13]。

磁流變減振器是磁流變液的一種典型應(yīng)用。針對(duì)磁流變減振器的力學(xué)特性,文獻(xiàn)[14]通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn),分析了磁流變減振器在沖擊激勵(lì)條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性;文獻(xiàn)[15-16]從磁流變減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手,提出了一種雙桿式具有內(nèi)流通道的磁流變減振器,并從可控阻尼力范圍、動(dòng)態(tài)范圍和可控運(yùn)行速度范圍等多個(gè)方面對(duì)其可控力學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)行了分析與說(shuō)明;文獻(xiàn)[17]實(shí)驗(yàn)測(cè)試并評(píng)價(jià)了雙桿式和含補(bǔ)償氣囊的單桿式磁流變減振器在不同沖擊速度條件下的力學(xué)響應(yīng)特性;文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)了一款輸出較大可控阻尼力范圍的多級(jí)蜿蜒磁路式磁流變阻尼器,并對(duì)其力學(xué)屬性進(jìn)行了仿真分析。

力學(xué)響應(yīng)特性作為磁流變減振器輸出特性的直觀反映,對(duì)于其可控特性的研究至關(guān)重要,但響應(yīng)時(shí)間作為任何控制執(zhí)行系統(tǒng)必不可少的影響因素,對(duì)于磁流變減振器的可控特性也影響巨大。因此很多學(xué)者對(duì)磁流變減振器的時(shí)間響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[19]對(duì)沖擊用磁流變減振器的時(shí)間響應(yīng)特性進(jìn)行了理論建模和實(shí)驗(yàn)分析;文獻(xiàn)[20]實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析了不同激勵(lì)速度和勵(lì)磁電流條件下磁流變減振器的響應(yīng)時(shí)間;文獻(xiàn)[21]對(duì)基于磁流變減振器的半主動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)特性進(jìn)行了研究;由于磁流變系統(tǒng)的固有磁滯特性,文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[22]對(duì)磁流變半主動(dòng)減振響應(yīng)進(jìn)行了補(bǔ)償控制研究。

根據(jù)以上分析,現(xiàn)有研究結(jié)果基本是從磁流變減振器的力學(xué)響應(yīng)特性或時(shí)間響應(yīng)特性單一方面對(duì)減振器的可控特性進(jìn)行研究,而結(jié)合力學(xué)響應(yīng)特性和時(shí)間響應(yīng)特性?xún)煞矫鎸?duì)磁流變減振器的可控特性進(jìn)行研究的文獻(xiàn)較少。

為全面評(píng)價(jià)磁流變執(zhí)行器的可控特性,本文以雙桿式磁流變減振器為研究對(duì)象,建立評(píng)價(jià)磁流變減振器的標(biāo)定方法,搭建磁流變減振器可控特性的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定平臺(tái),從力學(xué)響應(yīng)特性(包括可控阻尼力范圍、動(dòng)態(tài)范圍和可控運(yùn)行速度范圍)和時(shí)間響應(yīng)特性?xún)煞矫孢M(jìn)行磁流變減振器標(biāo)定?；邡槍m伺服液壓激振平臺(tái)和落錘沖擊測(cè)試系統(tǒng),標(biāo)定磁流變減振器在不同速度激勵(lì)條件下的可控阻尼力范圍、動(dòng)態(tài)范圍和可控運(yùn)行速度范圍;對(duì)磁流變減振器及其控制執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行重新定義,基于該定義介紹一種對(duì)響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)定方法,從磁流變減振器控制執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間與該系統(tǒng)各子單元的響應(yīng)時(shí)間對(duì)時(shí)間響應(yīng)特性進(jìn)行說(shuō)明,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該標(biāo)定方法進(jìn)行驗(yàn)證說(shuō)明。

1 標(biāo)定方法

1.1 力學(xué)響應(yīng)特性

磁流變減振器的可控力學(xué)響應(yīng)特性主要包括可控阻尼力范圍、動(dòng)態(tài)范圍和可控運(yùn)行速度范圍。可控阻尼力范圍是指在不同速度激勵(lì)條件下,磁流變減振器的被動(dòng)阻尼力與施加勵(lì)磁電流時(shí)最大阻尼力之間的范圍。

不同勵(lì)磁電流時(shí)磁流變減振器阻尼力與速度關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1 不同勵(lì)磁電流時(shí)磁流變減振器阻尼力與速度關(guān)系示意圖

從圖1可以看出,當(dāng)激勵(lì)速度在0～v0之間變化時(shí),不施加勵(lì)磁電流時(shí)磁流變減振器的阻尼力變化范圍為F01～F1,施加最大勵(lì)磁電流時(shí)磁流變減振器的阻尼力變化范圍為F02～F2，則磁流變減振的可控阻尼力范圍為F1～F2。

動(dòng)態(tài)范圍為在相同速度激勵(lì)條件下,施加勵(lì)磁電流后最大阻尼力與對(duì)應(yīng)被動(dòng)阻尼力的比值。如圖1所示,激勵(lì)速度為v0時(shí),施加最大勵(lì)磁電流時(shí)的阻尼力F2與不施加勵(lì)磁電流時(shí)的被動(dòng)阻尼力F1的比值F2/F1即為磁流變減振器在相同激勵(lì)速度v0時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍。

可控運(yùn)行速度范圍的定義為通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)磁流變減振器特定阻尼力時(shí),磁流變減振器可以運(yùn)行的速度范圍[12]。如圖1所示,調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使磁流變減振器的阻尼力大小保持在F1,則磁流變減振器可運(yùn)行的速度范圍0～v0即為其可控運(yùn)行速度范圍。

1.2 時(shí)間響應(yīng)特性

1.2.1 定義

磁流變減振器控制執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)是控制執(zhí)行系統(tǒng)中各子單元的響應(yīng)時(shí)間之和,包括反饋傳感器、控制器、可控電流源、執(zhí)行器等。各子單元的響應(yīng)時(shí)間即上一單元的信號(hào)輸入給下一單元時(shí)起至下一單元達(dá)到期望信號(hào)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。

實(shí)際中,控制執(zhí)行系統(tǒng)的各個(gè)子單元的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)是包括單元的反應(yīng)時(shí)間和上升時(shí)間2個(gè)部分,反應(yīng)時(shí)間指在接收到上一單元的信號(hào)時(shí)單元需要一段時(shí)間進(jìn)行信號(hào)處理識(shí)別直到做出反應(yīng),而上升時(shí)間為單元反應(yīng)時(shí)間結(jié)束后單元開(kāi)始響應(yīng)至達(dá)到期望信號(hào)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。需要注意的是,在控制執(zhí)行系統(tǒng)中信號(hào)流后端子單元的上升時(shí)間積累了前端所有子單元的上升時(shí)間。

控制執(zhí)行系統(tǒng)和控制執(zhí)行系統(tǒng)各子單元的響應(yīng)時(shí)間可以總結(jié)為:

(1)

(2)

其中:ttotal為控制執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間;trj為控制執(zhí)行系統(tǒng)中各單元的響應(yīng)時(shí)間;j=0,1,2,…,n為控制執(zhí)行系統(tǒng)中信號(hào)流方向上各單元(本文中n=3,j=0、j=1、j=2、j=3分別為位移傳感器、控制器、可控電流源、磁流變減振器);taj、trisej分別為控制執(zhí)行系統(tǒng)中各單元的反應(yīng)時(shí)間和上升時(shí)間。本文中,上升時(shí)間trisej定義為輸出信號(hào)從反應(yīng)時(shí)間taj結(jié)束時(shí)開(kāi)始到達(dá)到最大穩(wěn)定值的63.2%所用的時(shí)間[16]。

1.2.2 標(biāo)定方法

基于響應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)與重新定義的響應(yīng)時(shí)間概念,本文提出一種磁流變減振器控制執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間標(biāo)定方法,相應(yīng)的標(biāo)定過(guò)程如圖2所示。

圖2 磁流變減振器控制執(zhí)行系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間標(biāo)定過(guò)程

當(dāng)控制器的控制信號(hào)由0開(kāi)始發(fā)生突變的時(shí)刻記為tA,發(fā)生突變后控制信號(hào)持續(xù)增大達(dá)到最大穩(wěn)定值ξ倍(ξ的取值包括63.2%、86.5%、95.0%、98.0%)的時(shí)刻記為tD,則控制信號(hào)由tA時(shí)刻開(kāi)始到tD時(shí)刻所經(jīng)歷的時(shí)間即為控制器控制信號(hào)的上升時(shí)間trise1,記為trise1=tD-tA。

整個(gè)磁流變減振器控制執(zhí)行系統(tǒng)及各子單元響應(yīng)時(shí)間標(biāo)定結(jié)果如圖3所示。

圖3 磁流變減振器控制執(zhí)行系統(tǒng)響應(yīng)特性

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 力學(xué)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)

磁流變減振器的力學(xué)響應(yīng)特性測(cè)試包括激勵(lì)速度較低的正弦位移激勵(lì)和激勵(lì)速度較高的沖擊激勵(lì)。磁流變減振器原型在鷺宮伺服液壓激振測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行正弦位移激勵(lì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和在沖擊測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。圖4a所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)可用于測(cè)試不同正弦位移激勵(lì)、不同勵(lì)磁電流條件下磁流變減振器的可控力學(xué)特性。圖4b所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可用于測(cè)試磁流變減振器在不同沖擊激勵(lì)速度條件下的可控力學(xué)特性。

圖4 磁流變減振器實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

2.2 時(shí)間響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)

磁流變減振器時(shí)間響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與原理示意圖[16]如圖5所示。

圖5 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)

鷺宮伺服液壓激振臺(tái)對(duì)磁流變減振器施加三角波位移激勵(lì),位移傳感器測(cè)量磁流變減振器的位移信號(hào)并發(fā)送給控制器?？刂破鬏敵隹刂菩盘?hào)給可控電流源,控制輸出勵(lì)磁電流給磁流變減振器。采集磁流變減振器的阻尼力信號(hào)和位移信號(hào)、控制器的控制信號(hào)和可控電流源的輸出勵(lì)磁電流。

3 可控特性標(biāo)定分析

3.1 可控力學(xué)特性

基于鷺宮伺服液壓激振測(cè)試系統(tǒng)和沖擊測(cè)試平臺(tái),實(shí)驗(yàn)測(cè)試與標(biāo)定研究了磁流變減振器在正弦位移激勵(lì)和高速?zèng)_擊激勵(lì)條件下的可控力學(xué)性能。首先在幅值為30 mm、頻率分別為1.50 Hz和2.75 Hz的正弦激勵(lì)條件下,測(cè)試了磁流變減振器在激勵(lì)電流0～1.8 A時(shí)的力學(xué)特性,實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

從圖6a、圖7a可以看出，當(dāng)勵(lì)磁電流從0增加到1.8 A時(shí)(間隔0.6 A),磁流變減振器的可控阻尼力不斷增加,在最大位移處,激勵(lì)速度改變方向,阻尼力方向也相應(yīng)改變。

從圖6b、圖7b可以看出,磁流變減振器的激勵(lì)速度從約0.3 m/s增加到0.5 m/s,其被動(dòng)阻尼力增加值變化較小,而相同工況下,在施加電流后磁流變減振器的阻尼力增長(zhǎng)幅度較大,因此勵(lì)磁電流的大小對(duì)磁流變減振器的可控阻尼力大小影響較大。

圖6 磁流變減振器在1.5 Hz正弦位移激勵(lì)下的阻尼力

圖7 磁流變減振器在2.75 Hz正弦位移激勵(lì)下的阻尼力

在不同的初始沖擊速度條件下,改變施加在磁流變減振器線(xiàn)圈上的勵(lì)磁電流,測(cè)試磁流變減振器在沖擊激勵(lì)條件下的可控力學(xué)特性。磁流變減振器的可控阻尼力范圍、動(dòng)態(tài)范圍和可控運(yùn)行速度范圍標(biāo)定結(jié)果如圖8所示。

從圖8a可以看出,在高速?zèng)_擊的激勵(lì)條件下,磁流變減振器的阻尼力隨著速度的增加而增加。

圖8 磁流變減振器在沖擊激勵(lì)下的力學(xué)特性

在沖擊速度由0增加到2 m/s時(shí),在不加勵(lì)磁電流的條件下磁流變減振器的阻尼力由0增加到2.41 kN,而在施加1.8 A勵(lì)磁電流的條件下磁流變減振器的阻尼力由2.73 kN增加到4.98 kN。根據(jù)可控阻尼力范圍的定義,當(dāng)沖擊速度范圍為0～2 m/s,勵(lì)磁電流從0 A增加到1.8 A時(shí),磁流變減振器的可控阻尼力范圍實(shí)際上約為2.41～4.98 kN。

由圖8b可知,在沖擊激勵(lì)速度為2 m/s,勵(lì)磁電流為1.8 A時(shí),磁流變減振器的動(dòng)態(tài)范圍為2.07。

如圖8a所示,在保證恒定阻尼力大小分別為1、2、3 kN條件下,對(duì)應(yīng)的磁流變減振器可以運(yùn)行的速度區(qū)間見(jiàn)表1所列。

從表1可以看出,阻尼力為1、2、3 kN時(shí)相應(yīng)的磁流變減振器的可控運(yùn)行速度范圍為1.06 、1.70、1.95 m/s,與圖8c結(jié)果一致。

表1 不同阻尼力條件下的可控運(yùn)行速度范圍

3.2 響應(yīng)時(shí)間

將磁流變減振器固定于鷺宮伺服液壓激振臺(tái),并施加頻率為0.50 Hz、振幅為25 mm的三角波位移激勵(lì)?？刂破鞲鶕?jù)位移傳感器的位移反饋輸出控制信號(hào)給可控電流源,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁流變減振器的控制。

給磁流變減振器施加1.2 A瞬態(tài)勵(lì)磁電流時(shí)的阻尼力時(shí)間歷程如圖9所示,包括位移傳感器的位移信號(hào)、控制器輸出的控制信號(hào)、可控電流源輸出給磁流變減振器的勵(lì)磁電流以及磁流變減振器的阻尼力信號(hào)。

結(jié)合圖2所示的磁流變減振器控制執(zhí)行系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間標(biāo)定過(guò)程和圖9所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,控制器輸出的控制信號(hào)由0開(kāi)始發(fā)生突變的時(shí)刻tA=712.9 ms,當(dāng)控制信號(hào)繼續(xù)增加達(dá)到穩(wěn)定值的63.2%的時(shí)刻tD=721.3 ms,則控制信號(hào)的上升時(shí)間trise1=tD-tA=8.4 ms。因?yàn)榭刂破鳛樵摽刂茍?zhí)行系統(tǒng)的初始單元,其反應(yīng)時(shí)間ta1=0,所以控制信號(hào)的上升時(shí)間即為控制單元的響應(yīng)時(shí)間,即tr1=trise1=8.4 ms。

圖9 1.2 A瞬態(tài)勵(lì)磁電流時(shí)磁流變減振器的響應(yīng)時(shí)間

4 結(jié) 論

本文以磁流變減振器的可控特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程為載體,進(jìn)行了磁流變減振器可控特性的標(biāo)定方法研究,提出了以可控阻尼力范圍、動(dòng)態(tài)范圍、可控運(yùn)行速度范圍為評(píng)價(jià)依據(jù)的磁流變減振器的力學(xué)響應(yīng)特性和以響應(yīng)時(shí)間為評(píng)價(jià)依據(jù)的時(shí)間響應(yīng)特性的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(1) 在正弦位移激勵(lì)實(shí)驗(yàn)和高速?zèng)_擊激勵(lì)實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行了磁流變減振器可控力學(xué)性能(包括可控阻尼力范圍、動(dòng)態(tài)范圍和可控運(yùn)行速度范圍)的標(biāo)定研究。標(biāo)定過(guò)程包括磁流變減振器阻尼力與激勵(lì)位移、激勵(lì)速度以及勵(lì)磁電流的變化關(guān)系,采用動(dòng)態(tài)范圍與可控運(yùn)行速度范圍更加直觀地反應(yīng)了磁流變減振器的可控力學(xué)特性。

(2) 對(duì)磁流變減振器控制執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了重新定義,提出了控制執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為反饋傳感器、控制器、可控電流源以及執(zhí)行器等各單元的響應(yīng)時(shí)間之和,控制執(zhí)行系統(tǒng)各單元的響應(yīng)時(shí)間是由反應(yīng)時(shí)間和上升時(shí)間2個(gè)部分構(gòu)成,且控制執(zhí)行系統(tǒng)中信號(hào)流后端單元的上升時(shí)間積累了前端所有單元的上升時(shí)間?；邡槍m伺服液壓激振測(cè)試系統(tǒng)搭建了磁流變減振器的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng),并結(jié)合響應(yīng)時(shí)間的新定義對(duì)磁流變減振器控制執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了標(biāo)定過(guò)程說(shuō)明。該標(biāo)定過(guò)程從系統(tǒng)各子單元的響應(yīng)時(shí)間到整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)磁流變減振器控制執(zhí)行系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)定進(jìn)行了全面說(shuō)明。

本文所進(jìn)行的磁流變執(zhí)行器的可控特性的標(biāo)定方法研究對(duì)于大范圍推廣和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用磁流變執(zhí)行器及技術(shù)具有一定的意義。