螺桿擠壓-旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器力學(xué)特性研究*

曾澤璀，張磊，閆明，董小閔

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 沈陽，110870）

（2.海軍研究院 北京，100161）

（3.重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶，400044）

引言

隨著智能控制技術(shù)和智能結(jié)構(gòu)或材料的發(fā)展，給復(fù)雜結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜振動沖擊環(huán)境下的振動響應(yīng)抑制帶來了契機(jī)。Zhu等［1］對傳統(tǒng)的磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用狀況進(jìn)行了概述。以磁流變材料為代表的智能材料在眾多工程應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其具有響應(yīng)速度快、可重復(fù)性高及動態(tài)范圍廣的特點(diǎn)［2-4］。根據(jù)不同的應(yīng)用場合，可以選擇相應(yīng)的磁流變阻尼器的工作模式來匹配，從而提高磁流變阻尼器的工作效率［5-6］。為了能夠準(zhǔn)確描述磁流變阻尼器的力學(xué)特性，需要建立準(zhǔn)確的模型。常用于描述磁流變阻尼器準(zhǔn)靜態(tài)特性的本構(gòu)模型主要包括Bingham模 型 和Herschel-Bulkley模 型［7-8］，其 中Herschel-Bulkley模型能夠反映流體的剪切稀化特性和剪切稠化特性，因此該模型也被經(jīng)常用于磁流變阻尼器的建模當(dāng)中［9］。

傳統(tǒng)的剪切式磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)形式有限，一般其所產(chǎn)生的阻尼力與驅(qū)動速度相關(guān)，均體現(xiàn)出黏性阻尼特征［10］。為增加剪切磁流變阻尼器的有效輸出阻尼，通過增加結(jié)構(gòu)尺寸是一個有效的方法［11］。Imaduddin等［12］總結(jié)了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)形式，并描述了大量的混合式旋轉(zhuǎn)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用領(lǐng)域。

近年來，許多專家學(xué)者為了進(jìn)一步研究磁流變液體的特性，對許多混合模式下的磁流變阻尼器進(jìn)行了研究，從而為提高阻尼力矩尋求物理依據(jù)［13］。Dong等［14］研究了軸向擠壓對磁流變阻尼器的影響，發(fā)現(xiàn)通過適當(dāng)增加軸向擠壓壓力能夠提高阻尼器的阻尼力矩。文獻(xiàn)［15］將螺旋結(jié)構(gòu)應(yīng)用于磁流變阻尼器中，研究了磁流變液體在螺旋流動狀態(tài)下的力學(xué)特性。于建強(qiáng)［16］基于螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型的磁流變阻尼器，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)下的磁流變阻尼器與傳統(tǒng)剪切式旋轉(zhuǎn)阻尼器相比在性能上有所提升。Yu等［17］對螺旋式磁流變阻尼器進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)證明該阻尼器具有較高的阻尼力矩輸出效率。上述研究說明通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)能夠提高磁流變阻尼器在有限空間內(nèi)的阻尼力矩，但是阻尼器仍然表現(xiàn)出黏性阻尼特征。在實(shí)際工程應(yīng)用中，庫倫阻尼不僅能夠有效地消耗系統(tǒng)能量，而且其與速度之間無直接相關(guān)，能夠在保證加速度響應(yīng)較小的情況下，最大限度地耗散系統(tǒng)能量，相對黏性阻尼具有一定的優(yōu)勢。因此，獲得具有庫倫阻尼特征的磁流變阻尼器具有十分重要的意義。與傳統(tǒng)的阻尼器結(jié)構(gòu)相比，基于螺桿擠壓的SR-MRD能夠有效地提高阻尼器的阻尼力矩，降低阻尼器阻尼力矩與扭轉(zhuǎn)角速度之間的相關(guān)性。因此，本研究提出具有大尺寸的SR-MRD結(jié)構(gòu)來獲得阻尼器的庫倫阻尼特征。

1 SR-MRD阻尼器結(jié)構(gòu)原理

傳統(tǒng)的磁流變阻尼器主要有3種工作模式，分別為流動式、剪切式和擠壓式，如圖1所示［1］。研究人員為了提升磁流變阻尼器的極限性能，對磁流變阻尼器傳統(tǒng)的工作模式進(jìn)行混合，從而演變出流動-剪切、擠壓-剪切等混合模式。

圖1 傳統(tǒng)磁流變阻尼器工作模式Fig.1 Working mode of traditional MRD

筆者所研究的SR-MRD屬于流動模式和剪切模式的組合。在SR-MRD中磁流變液體的流動方向與剪切運(yùn)動方向夾角為90°，其既不同于傳統(tǒng)的3種工作模式，也不同于常見的混合模式。SR-MRD工作原理如圖2所示。該阻尼器是委托重慶大學(xué)加工的定制產(chǎn)品。

由圖2可知，SR-MRD由螺桿、定子、轉(zhuǎn)子、阻尼器外缸及通電線圈組成，在SR-MRD中一共含有3個流動通道。定子和阻尼器外缸與基座連接固定不發(fā)生轉(zhuǎn)動，其中定子含有2個線圈槽，當(dāng)槽內(nèi)的線圈通電，定子就會產(chǎn)生磁場影響通道2和通道3中的磁流變液體。螺桿與轉(zhuǎn)子相連接，可以相對定子和阻尼器外缸轉(zhuǎn)動，二者同步轉(zhuǎn)動和停止，具有相同的角速度。

圖2 SR-MRD工作原理Fig.2 Working principle of SR-MRD

當(dāng)螺桿發(fā)生轉(zhuǎn)動時，螺桿將推動螺桿腔內(nèi)的磁流變液體流動，并且通過通道2和通道3發(fā)生流動，因此在通道2和通道3兩側(cè)存在一定的壓強(qiáng)差，該壓強(qiáng)差會產(chǎn)生一定的阻尼力矩。另外，當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時，通道2和通道3中的磁流變液體將發(fā)生周向剪切作用，從而產(chǎn)生一定的剪切阻尼力。因此，SR-MRD的阻尼力矩主要受到剪切力和壓強(qiáng)差的影響，這一工作原理與傳統(tǒng)磁流變阻尼器不同，如圖3所示。

圖3 磁流變阻尼器工作模式對比Fig.3 Comparison chart of working mode of MRD

圖3（a）為傳統(tǒng)的閥式磁流變阻尼器工作模式，其流動剪切力方向與平板運(yùn)動剪切力方向相反，二者力的方向夾角為180°；圖3（b）為SR-MRD工作模式，其運(yùn)動平板移動方向與軸向壓差方向間的夾角為90°。由于受到周向相對轉(zhuǎn)動和軸向擠壓的影響，通道2和通道3中的流體受到2個驅(qū)動力的作用：①由壓強(qiáng)差所產(chǎn)生的軸向驅(qū)動力；②由周向剪切力產(chǎn)生的周向驅(qū)動力。所以，SR-MRD內(nèi)液體的實(shí)際流動方向?yàn)閳D4所示的M方向，其剪切力分布情況如圖5所示。

圖4 SR-MRD液體流動方向Fig.4 Flowing direction of SR-MRD fluid

圖5 磁流變液體剪切合力Fig.5 Shear force analysis of MRD

由圖4可知，SR-MRD具有2個方向上的作用力，其產(chǎn)生的原因如下：①由于間隙通道兩端的壓力差所引起的x方向（軸向）上的液體流動；②由于定子與轉(zhuǎn)子之間的相對轉(zhuǎn)動所引起的y方向（周向）的剪切運(yùn)動。在這2個力的耦合作用下，磁流變液體的實(shí)際流動方向?yàn)镸方向，其流動速度為

圖5中，紫色線為剪切模式所產(chǎn)生的應(yīng)力分布，紅色線為流動模式所產(chǎn)生的應(yīng)力分布。由圖5（a）可見，閥式磁流變阻尼器的剪切模式與流動模式所產(chǎn)生的剪切力平行于同一軸線，二者的剪切力合力可以近似為線性疊加；由圖5（b）可見，剪切模式與流動模式所產(chǎn)生的剪切力夾角為90°，因此二者的剪切合力為

傳統(tǒng)閥式阻尼器的剪切合力為

通過對比式（2）和式（3），可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)阻尼器中流體的流動模式和剪切模式所對應(yīng)的剪切力為固定值時，SR-MRD的剪切合力要大于傳統(tǒng)阻尼器，即

其中：剪切力的符號均為正值。

值得注意的是，同一種磁流變液體，在相同的磁場強(qiáng)度下，其屈服強(qiáng)度相同。因此，與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器相比，SR-MRD所產(chǎn)生的剪切合力更大，能夠更容易達(dá)到剪切屈服狀態(tài)并且保持恒定的阻尼力。這為SR-MRD的庫倫阻尼特征提供了物理基礎(chǔ)。

2 動力力學(xué)模型

在SR-MRD工作過程中，通道2和通道3內(nèi)的工作模式為混合模式，即剪切模式和流動模式的組合。針對螺旋式扭轉(zhuǎn)磁流變阻尼器，已有專家學(xué)者利用Bingham模型進(jìn)行建模并分析阻尼特性［17］?？紤]到磁流變液體的剪切稀化特性，筆者利用Herschel-Bulkley模型對SR-MRD進(jìn)行建模并分析其阻尼器特性。

2.1 SR-MRD流量計(jì)算

當(dāng)SR-MRD逆時針轉(zhuǎn)動時，其液體流動方向?yàn)閳D2所示的紅色箭頭方向；當(dāng)順時針轉(zhuǎn)動時，液體流動方向與其相反。由于SR-MRD在順時針與逆時針轉(zhuǎn)動工作條件下所產(chǎn)生的阻尼力矩效果基本相同，因此這里以逆時針轉(zhuǎn)動的工作情況為例，對其進(jìn)行說明。當(dāng)螺旋桿逆時針轉(zhuǎn)動時通道1分為2個腔，1個擠壓腔和1個吸入腔。為了簡化計(jì)算，假設(shè)螺桿每轉(zhuǎn)動1圈所吸入和排出的液體體積相同，且與螺桿參數(shù)相關(guān)，包括：螺旋升角θ、導(dǎo)程L、大徑R1、小徑R2、齒間距b及齒高h(yuǎn)c。當(dāng)螺旋桿轉(zhuǎn)動1周、其扭轉(zhuǎn)角為360°時，則軸向推進(jìn)距離為導(dǎo)程L=nS，其中：n為螺旋頭數(shù)；S為螺距。由于所采用的螺桿為單頭螺桿，則n=1。因此，螺旋桿轉(zhuǎn)動1周所輸送的流量體積為

流量與旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系為

SR-MRD在外部阻尼力矩的作用下，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角速度為w時，就有對應(yīng)的Q(w)經(jīng)過通道2和通道3。

2.2 流體力學(xué)分析

由于通道2和通道3區(qū)別在于磁場強(qiáng)度以及通道半徑不同，這里以通道2為例，對該通道內(nèi)的液體流動速度以及壓強(qiáng)差剪切力情況進(jìn)行計(jì)算，通道3的相關(guān)力學(xué)模型可以同理類推。筆者考慮磁流變液體的剪切稀化動態(tài)力學(xué)特性，利用Herschel-Bulkley模型［18］來描述

其中：τ0為屈服應(yīng)力（與磁場強(qiáng)度有關(guān)）；H為磁場強(qiáng)度；˙為剪切應(yīng)變率；m為剪切稀化因子；K為流體黏度。

由于該模型考慮了磁流變液體的剪切稀化效應(yīng)，當(dāng)m=1時，即可變?yōu)锽ingham模型。對于具有流動特性的磁流變阻尼器，磁流變液體的剪應(yīng)力和沿液體流動方向上的壓力梯度滿足Navier-Stokes方程，即

其中：ux(r)為流速；τxr(r)為剪應(yīng)力；r為徑向坐標(biāo)；x為軸向坐標(biāo)；ρ為液體密度；?p/?x為壓力梯度。

在SR-MRD中，由于通道2與通道3的半徑要遠(yuǎn)大于通道間隙，因此筆者考慮利用平板模型進(jìn)行計(jì)算。但是為了方便獲得阻尼器參數(shù)對阻尼力的影響趨勢，在本分析中對流體的力學(xué)分析過程進(jìn)行簡化處理。假設(shè)忽略液體流動的慣性力，則式（8）可簡化為

式（9）的解為

其中：D1為求解微分方程過程中所產(chǎn)生的常數(shù)。

圖6為SR-MRD的速度分布。沿軸向發(fā)生的液體流動是發(fā)生在2個固定平板之間，且在2個平板的輸入與輸出口之間存在壓力差，如圖6（a）所示。由于定子與轉(zhuǎn)子之間相對轉(zhuǎn)動，因此在周向發(fā)生的液體流動是由于2個相對移動的平板所引起的，如圖6（b）所示。

圖6 SR-MRD速度分布Fig.6 Velocity distribution of SR-MRD

在SR-MRD中，其液體流動模式由軸向流動和周向流動產(chǎn)生，因此在本研究中先將二者分開獨(dú)立計(jì)算，然后再計(jì)算液體耦合流動速度。首先，假設(shè)阻尼器的定子與轉(zhuǎn)子之間不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，則此時的磁流變液體在2個平板之間沿x方向平穩(wěn)流動?；贖erschel-Bulkley模型考慮磁流變液體的剪切稀化效應(yīng)，如圖6（a）所示，在區(qū)域Ⅰ中，剪切應(yīng)變率γ˙=dux/dr≥0，在該區(qū)域內(nèi)流體的剪切力為

將式（11）代入簡化Navier-Stokes方程解中，由于2個平板均為固定，因此邊界條件為：ux(0)=ux(h)=0。則在區(qū)域Ⅰ中，磁流變液體的流動速度為

在區(qū)域Ⅱ中，磁流變液體的流動速度為

在“核心區(qū)域”（區(qū)域Ⅲ）邊界流速ux(h1)=ux(h2)，則由式（12）和式（13）可得

通過化簡可得，h21=h2-h22。因此，對于兩固定平板的流動模式，“核心區(qū)域”的高度為0。將速度梯度對高度h進(jìn)行積分獲得阻尼器通道2內(nèi)的流量

其中：h21和h22分別為通道2內(nèi)區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ的高度；h2為通道2總高度；W2為通道2的寬度。

根據(jù)積分可以獲得

同理通道3的流量Q3為

其中：h31和h32分別為通道3內(nèi)區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ的高度；W3為通道3的寬度。

由上述2個通道的流量表達(dá)式，可以獲得阻尼器的總流量為假設(shè)在流動模式下，通道2和3中的流體不受軸向平行板運(yùn)動的影響，其流動區(qū)域可以分為Ⅰ和Ⅱ，而且區(qū)域Ⅲ高度為0，因此h21=h22。在本模型中，通道2與通道3的間隙相同：h21=h22=h32=h31。由于通道2和通道3兩端的壓強(qiáng)差相同，不同的是平板的寬度，因此通道2和3的總流量簡化為聯(lián)合式（6）和式（19），可以求出SR-MRD壓力差為

由式（20）可以看出，壓強(qiáng)差與黏度呈正相關(guān)關(guān)系，其主要受到螺桿參數(shù)、通道間隙、加速度及剪切稀化因子m的影響。根據(jù)式（20），計(jì)算各主要參數(shù)對壓強(qiáng)差的影響規(guī)律，如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)參數(shù)對SR-MRD壓強(qiáng)差的影響規(guī)律Fig.7 The effects of structural parameter onΔP of SR-MRD

由圖可以看出，壓強(qiáng)差與主要螺桿參數(shù)和角速度均呈正相關(guān)關(guān)系，螺桿外徑、齒高、齒間距及角速度對壓強(qiáng)差的影響程度都要大于導(dǎo)程；與此相反，增加通道間隙會降低SR-MRD內(nèi)部壓強(qiáng)差。當(dāng)SR-MRD考慮磁流變液體的剪切稀化效應(yīng)時，隨著剪切稀化因子m的增加，螺桿齒間隙、齒高、導(dǎo)程及外徑變化對壓強(qiáng)差的影響都會隨之降低，但是整體壓強(qiáng)差數(shù)值隨著m的增加而提高。

2.3 剪切力計(jì)算

SR-MRD的剪切模式主要是由通道2和通道3內(nèi)部的剪切運(yùn)動產(chǎn)生，這里以通道2為例進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)下板固定不動，上板以v的速度進(jìn)行移動，線速度等于角速度乘以半徑（v=wr）。為了簡化計(jì)算，假設(shè)在剪切模式下，僅有平行板移動，兩側(cè)無壓強(qiáng)差，且剪切應(yīng)力分布為線性分布，則其所產(chǎn)生的阻尼力為

其中：L為通道2的長度；R21為通道2的內(nèi)徑；R22為通道2的外徑；τz0(H)為通道2內(nèi)磁流變液體的剪切屈服強(qiáng)度，其關(guān)于磁場強(qiáng)度的表達(dá)式參考文獻(xiàn)［19］。

由式（21）可以看出，阻尼力與磁場H、角速度w以及通道面積W2L相關(guān)。通道3的阻尼力同理求得。

2.4 阻尼力矩計(jì)算

根據(jù)上述所推導(dǎo)的壓強(qiáng)差以及剪切阻尼力計(jì)算公式，可進(jìn)一步推導(dǎo)出SR-MRD所產(chǎn)生的阻尼力矩。由壓強(qiáng)差所產(chǎn)生的阻尼力矩由2個部分組成：①由于螺桿兩側(cè)壓強(qiáng)差所引起的周向推力分量造成的阻尼力矩；②由軸向推力分量所引起的密封圈摩擦阻尼力矩。

圖8為螺桿受力分析圖。由圖可見，在有效接觸面積A上所產(chǎn)生的壓力為

圖8 螺桿受力分析Fig.8 Force analysis of screw structure

其中：A為螺桿有效接觸面積，L1為單圈螺旋線長度。

該壓力所對應(yīng)的軸向分力以及周向分力分別為

由于軸向力是直接作用在端蓋支撐裝置上，轉(zhuǎn)化為螺桿支撐軸與密封圈之間的摩擦力ΔFm=ΔFpxμ。由摩擦力所產(chǎn)生的摩擦扭矩為

其中：μ為摩擦面間的摩擦因數(shù)；ΔFpx為摩擦面承受的單位壓力；R為摩擦接觸面外徑；r為摩擦接觸面內(nèi)徑。

周向力是在扭轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生阻尼力作用，因此將周向阻尼力矩等效為周向分力乘以中心線半徑，根據(jù)式（22）得

剪切稀化現(xiàn)象對壓強(qiáng)差所產(chǎn)生的阻尼力矩的影響，如圖9所示，其中上面兩幅圖為m對Tc和Tflow的影響規(guī)律。

圖9 剪切稀化因子m對阻尼力矩的影響Fig.9 The effects of shear thinning factor m on damping torture

由圖可以看出，由軸向分力所產(chǎn)生摩擦阻尼力矩Tc要大于螺桿周向分力所產(chǎn)生的阻尼力矩Tflow。而且，由于摩擦阻尼力矩受到壓強(qiáng)差的影響較大，因此當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，角速度的增加會直接導(dǎo)致摩擦阻尼力矩增加。除此之外，還發(fā)現(xiàn)剪切稀化因子m對阻尼力矩產(chǎn)生了較為明顯的影響，主要表現(xiàn)在阻尼力矩對角速度的敏感程度。當(dāng)剪切稀化因子m為1時，SR-MRD表 現(xiàn)出Bingham流體特征，體現(xiàn)出與角速度較高的相關(guān)度，表現(xiàn)為黏性阻尼特征。隨著剪切細(xì)化因子m的增加，當(dāng)加速度越大，阻尼力矩與角速度之間的相關(guān)性降低，阻尼力矩逐漸呈現(xiàn)出庫倫阻尼特征。

在通道2和通道3內(nèi)，由定子和轉(zhuǎn)子之間的相對轉(zhuǎn)動所引起的阻尼力矩計(jì)算公式為

其中：T2和T3分別為通道2和通道3中由剪切力所產(chǎn)生的阻尼力矩；H2和H3分別為通道2和通道3中的磁場強(qiáng)度。

當(dāng)不考慮磁場作用時，T2和T3分別如圖9所示。由圖可見，由通道2所產(chǎn)生的阻尼力矩要低于通道3，這是因?yàn)橥ǖ?的半徑小于通道3所引起的。當(dāng)剪切稀化因子m為1時，剪切力矩體現(xiàn)出與角速度較高的相關(guān)度，表現(xiàn)為黏性阻尼特征。隨著剪切細(xì)化因子m的增加阻尼力矩與速度之間的相關(guān)性降低，阻尼力矩逐漸呈現(xiàn)出庫倫阻尼特征。

SR-MRD產(chǎn)生的總阻尼力矩Ttotal由液體的流動、剪切以及固定軸與密閉件間的摩擦所決定，分別為Tflow，Tshear和Tc。其公式為

根據(jù)式（27）計(jì)算出不同磁場強(qiáng)度作用下的總阻尼力矩，如圖10所示。

圖10 線圈電流對阻尼力矩的影響Fig.10 The effects of coil current on damping torture

圖10列舉了5個磁場強(qiáng)度所對應(yīng)的阻尼力矩，分別對應(yīng)著線圈中電流為0，1，2，3和4 A的情況。由圖可見，SR-MRD的阻尼力矩隨著磁場強(qiáng)度的增加，呈現(xiàn)出上升趨勢，但是由于受到磁場強(qiáng)度的飽和作用，在電流超過2 A之后其上升趨勢開始減緩。另外，通過觀察還可以發(fā)現(xiàn)，與Bingham流體對比，當(dāng)考慮剪切稀化作用之后，SR-MRD的阻尼力矩與外界驅(qū)動角速度之間的相關(guān)性降低，并且在較大的角速度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出顯著的庫倫阻尼特征。

3 阻尼力矩測試

3.1 原理樣機(jī)及試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)SR-MRD結(jié)構(gòu)原理，并基于Herschel-Bulkley建立流體力學(xué)模型。為了保證SR-MRD原理樣機(jī)具有庫倫阻尼特征，需要增加通道2和通道3的有效直徑，從而促進(jìn)2個通道內(nèi)磁流變液體的剪切稀化效應(yīng)。為了對原理樣機(jī)的阻尼特性進(jìn)行測試，將其安裝在MTS扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試。SR-MRD原理樣機(jī)及測試如圖11所示。

圖11 SR-MRD原理樣機(jī)及測試平臺Fig.11 Prototype of SR-MRD and testing platform

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)2.4節(jié)中所推導(dǎo)的阻尼力矩公式（27），通過分析阻尼力矩的影響參數(shù)發(fā)現(xiàn)，對于具有剪切稀化效應(yīng)的磁流變液體而言，只有當(dāng)剪切速度較大時會體現(xiàn)出剪切稀化效應(yīng)。因此，在其他參數(shù)不變的情況下，增加通道2和通道3的有效半徑會促進(jìn)磁流變液體的剪切稀化程度，加快磁流變液體達(dá)到剪切屈服力。相比以往的剪切式阻尼器，本研究試驗(yàn)的SR-MRD的結(jié)構(gòu)尺寸較大，通道2和通道3的有效半徑增加，在同樣的角加速度作用下，具有更高的剪切速率，從而加快了阻尼器內(nèi)部剪切稀化效應(yīng)，并且達(dá)到一個屈服狀態(tài)，從而有利于降低阻尼力矩與角速度之間的相關(guān)性，使得SR-MRD具有庫倫阻尼特征。

在測試試驗(yàn)過程中，通過調(diào)整MTS試驗(yàn)機(jī)的扭轉(zhuǎn)幅值和頻率來完成阻尼器阻尼力矩的測試，試驗(yàn)的扭轉(zhuǎn)角幅值分別為10°和25°，測試頻率分別為2和10 Hz。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的測試結(jié)果分別如圖12和圖13所示。

圖12 幅值為10°的MTS扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)Fig.12 MTS test of SR-MRD with 10 degree amplitude

圖13 幅值為25°的MTS扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)Fig.13 MTS test of SR-MRD with 25 degree amplitude

當(dāng)MTS試驗(yàn)機(jī)以10°的幅值進(jìn)行試驗(yàn)且頻率為2 Hz時，由阻尼力矩-轉(zhuǎn)角曲線可見，在大部分角度范圍內(nèi)，阻尼力矩保持在一定數(shù)值范圍內(nèi)并且基本恒定；由阻尼力矩-角速度曲線可見，除了在角速度方向發(fā)生變化時，阻尼力矩開始下降，在整個路程中，一半以上的角速度范圍內(nèi)都是保持在恒定值附近。

通過對比2 Hz和10 Hz試驗(yàn)可以看出，隨著頻率的增加，保持恒定阻尼力矩的角速度范圍也在增加。但是由于原理樣機(jī)受到加工工藝影響，使得SR-MRD存在一定的扭轉(zhuǎn)間隙，因此在初始轉(zhuǎn)動時，有接近3°的扭轉(zhuǎn)間隙，從而造成阻尼力矩-角度試驗(yàn)曲線中存在一段零阻尼力矩?cái)?shù)據(jù)。另外，在不同頻率條件下，飽和阻尼力矩值主要受到磁場作用發(fā)生明顯變化，當(dāng)電流為1～3 A變化時，其阻尼力矩都有比較明顯的增加，但是從3～4 A，其阻尼力矩增加量開始下降，這是受到磁流變液體飽和磁場的作用影響。

由圖13可見，振動幅值為25°時的振動測試曲線與振動幅值為10°的響應(yīng)規(guī)律基本相同。SR-MRD的阻尼力矩也是隨著磁場強(qiáng)度的增加而增大，而且在較大的振動范圍內(nèi)同樣呈現(xiàn)出較為明顯的庫倫阻尼特征。雖然同樣受到扭轉(zhuǎn)間隙的影響，但是由于扭轉(zhuǎn)間隙角度固定，因此試驗(yàn)振幅增加仍然擴(kuò)大了具有庫倫阻尼特征的角度范圍。

SR-MRD的振動試驗(yàn)結(jié)果表明，SR-MRD能夠輸出穩(wěn)定有效的阻尼力矩，并且具有明顯的庫倫阻尼特征。另外，通過觀察對比理論阻尼力矩-角速度曲線與試驗(yàn)曲線發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有相同的趨勢，SR-MRD的阻尼力矩隨著磁場強(qiáng)度增加而增大，在較大范圍內(nèi)體現(xiàn)出庫倫阻尼力的特點(diǎn)。

4 結(jié)論

1）在SR-MRD結(jié)構(gòu)中，由于螺桿擠壓流體軸向運(yùn)動所產(chǎn)生的壓強(qiáng)差能夠產(chǎn)生一定的阻尼力矩，但是由于其阻尼力矩?cái)?shù)值較小，對SR-MRD總體的阻尼力矩影響較小。

2）在SR-MRD工作過程中，通過螺桿擠壓液體在通道2和通道3內(nèi)的發(fā)生軸向流動，其與周向扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的剪切作用相耦合，有利于磁流變液體達(dá)到剪切屈服力，為阻尼器的庫倫阻尼特征提供了物理基礎(chǔ)。

3）基于Herschel-Bulkley模型所建立SR-MRD理論模型，其計(jì)算出的理論曲線與SR-MRD原理樣機(jī)的振動試驗(yàn)所獲得的阻尼力矩-角速度曲線走勢基本一致，并且通過振動試驗(yàn)驗(yàn)證了SR-MRD原理樣機(jī)具有明顯庫倫阻尼特征。