基于可變剛度和阻尼的采煤機旋轉(zhuǎn)接頭研究

馬 凱

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團富康源煤業(yè)有限公司， 山西 鄉(xiāng)寧 042100）

引言

針對采煤機旋轉(zhuǎn)接頭的抗沖擊和振動問題，提出了磁流變流體，該材料是一種智能材料，由于其響應(yīng)速度快、阻尼范圍寬、可逆性、低能耗等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于機器人、汽車和機械工程中。磁流變流體的優(yōu)點引起了學者對基于磁流變的設(shè)備開發(fā)的極大興趣[1-3]。線性磁流變阻尼器已獲得普及，并證明了其增強懸架系統(tǒng)性能的潛力，但線性阻尼器的設(shè)計存在一定的局限性，例如安裝空間需求大以及無法適應(yīng)旋轉(zhuǎn)條件[4]。由于線性阻尼器的缺點，旋轉(zhuǎn)阻尼器可被視為線性阻尼器的補充，特別是在需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用中，例如變速箱[5]。

剛度或阻尼的可控性是減振重點之一，因為它對于隔離振動非常有效。目前，已經(jīng)針對各種振動控制對可變剛度概念進行了廣泛研究。本文的目的是開發(fā)一種具有可變剛度和阻尼的旋轉(zhuǎn)撓性接頭，以減少扭轉(zhuǎn)動力傳遞條件下的振動和沖擊。通過對變剛度和阻尼系統(tǒng)原理的分析，介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計和磁場設(shè)計，并對實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果進行了對比。

1 磁流變撓性接頭的可變剛度和阻尼原理分析

一種新的單自由度可變剛度和阻尼系統(tǒng)模型如圖1 所示，具有兩個可控磁流變阻尼器（阻尼器1 和阻尼器2 對應(yīng)于C1和C2阻尼系數(shù)）和兩個彈簧（彈簧1 和彈簧2 對應(yīng)的剛度為Ks1和Ks2）。阻尼器2 和彈簧2 包括一個活格元Voigt 元件，Voigt 元件和彈簧1 是串聯(lián)的，兩個彈簧的剛度值是恒定的。但是，可控制的阻尼器2 可以改變網(wǎng)狀系統(tǒng)的有效剛度，系統(tǒng)的阻尼取決于獨立的磁流變阻尼器1。系統(tǒng)的等效模型，這里KS和CS分別是等效剛度和阻尼系數(shù)。

圖1 可變剛度和阻尼的機械配置

2 撓性接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 撓性接頭的設(shè)計

基于可變剛度和阻尼系統(tǒng)的原理，兩個磁流變阻尼器和兩組彈簧集成在柔性接頭上。如圖2 所示，內(nèi)缸體由外缸體和中間軸構(gòu)成磁流變阻尼器1 和磁流變阻尼器2，分別在兩側(cè)設(shè)置用于實現(xiàn)高旋轉(zhuǎn)剛度的輻條彈簧結(jié)構(gòu)輸入和輸出的Str.1 和Str.2，輸入軸Str.1 用螺釘固定在的外缸和圓形皮帶輪上。同時，Str.1的三個輪輻組件在中間軸上相對于圓形皮帶輪旋轉(zhuǎn)，并通過六個彈簧（Ks1）與之耦合。Str.1 和Str.2 的三個組件都通過鑰匙連接到中間軸，內(nèi)缸和輸出軸通過Str 的圓形組件直接連接。此外，這種非磁性材料需要提供足夠的摩擦力，以防止內(nèi)筒的兩個部分相對旋轉(zhuǎn)。中間軸上有兩個線圈，內(nèi)缸上有三個線圈。線圈的直流電產(chǎn)生可控的磁場，因此兩個阻尼力可分別由電流I1和I2產(chǎn)生的磁場傳遞。

圖2 撓性接頭的分解圖

在磁流變阻尼器的設(shè)計中，材料的選擇與阻尼器的性能直接相關(guān)。作為磁流變阻尼器的主要導磁部件，中間軸和內(nèi)筒由高磁導率材料電熨斗制成，而軸承、輸入軸和輸出軸則由低磁導率材料制成。

2.2 可變阻尼的制定

系統(tǒng)的等效阻尼主要由磁流變阻尼器1 確定，磁流變阻尼器1 主要由外圓柱，內(nèi)圓柱和勵磁線圈組成。磁流變流體填充在內(nèi)缸和外缸之間，而剪切模式的有效區(qū)域發(fā)生在旋轉(zhuǎn)缸的徑向間隙中。剪切模式的性能高低依賴于有效面積的多個參數(shù)，例如磁場強度、間隙和工作速度等。由于通常間隙和有效面積是設(shè)計約束的一部分，因此在有效面積中操縱磁場強度是操作和控制磁流變阻尼器的唯一方法。為了改善磁流變阻尼器的性能，三重線圈用于優(yōu)化徑向間隙內(nèi)和周圍的有效面積以增強磁場。當直流電流I1施加到勵磁線圈時，磁流變阻尼器通過改變可控電流來實現(xiàn)可變的阻尼能力。

采用ANSYS 軟件建立了簡化的磁流變撓性接頭二維軸向?qū)ΨQ模型。接頭中磁流變接頭阻尼器的磁路圖，阻尼單元的詳細參數(shù)如表1 所示。

表1 阻尼單元的參數(shù) mm

施加到線圈上以產(chǎn)生磁場強度的電流密度J 可以通過式（1）近似計算:

式中：N 為線圈的匝數(shù)；I 為施加的電流；S 為線圈的橫截面積。

如圖3 所示磁流變F 和低碳鋼的B-H 曲線。

圖3 材料的B-H 曲線

3 結(jié)果與討論

如圖 4 顯示了在 I1分別為 0 A、0.4 A、0.8 A、1.2 A、1.6 A，I2為2 A。此外，頻率變化的影響范圍分別為0.2 Hz、0.4 Hz。隨著控制電流的持續(xù)增加，轉(zhuǎn)矩和角度所包圍的面積增加，這表明阻尼力隨著控制電流從0.5 N·m 增大到18 N·m 而顯著增加，并且在相同的范圍內(nèi)由阻尼力執(zhí)行的功循環(huán)位移也增加。從0°～30°，盡管圍繞扭矩和角度的圓的面積增加，但曲線的斜率保持在同一水平。在旋轉(zhuǎn)過程中，系統(tǒng)的剛度不會隨著阻尼器1 的變化而變化。從30°～50°的旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)矩和角度曲線的斜率不再保持水平，而是呈非線性關(guān)系。這種現(xiàn)象可以解釋為彈簧的應(yīng)力超出比例極限，并且應(yīng)力與應(yīng)變之間存在非線性關(guān)系，但卸載后變形將完全消失。在實際使用中，最好適當限制接頭的旋轉(zhuǎn)角度，使彈簧處于彈性階段。應(yīng)該注意的是，阻尼的動態(tài)范圍約為30 倍。

圖4 可變阻尼特性

為了揭示阻尼力與負載頻率之間的關(guān)系，選擇負載頻率為 0.2 Hz、0.4 Hz，其中 I1=0 A 和 I2=1.6 A。如下頁圖5 所示的分析結(jié)果，可以清楚地看到，當頻率為0.2 Hz、0.4 Hz 時，有效阻尼與負載頻率近似無關(guān)。

圖5 不同電流下的阻尼和頻率之間的關(guān)系

等效阻尼系數(shù)是阻尼器的重要因素，因為它可以顯示磁流變阻尼器的性能。圖5 提供了由等式（1）計算的理論結(jié)果與等效阻尼系數(shù)C1的實驗結(jié)果的比較?？梢钥闯觯刃ё枘嵯禂?shù)隨著電流I1的增加而顯著增加。當施加的電流增加到1.6 A 時，實驗結(jié)果和理論結(jié)果之間出現(xiàn)了差異。原因是理論結(jié)果沒有考慮大電流情況下溫度和磁飽和的影響。因此，可以看出，所提出的接頭具有將等效阻尼系數(shù)從0.83 kN·s/m 更改為 3.6 kN·s/m 的能力。

4 結(jié)語

本文提出了一種由兩個可控磁流變阻尼器和兩個彈簧組成的旋轉(zhuǎn)可變剛度和阻尼系統(tǒng)。分析得出系統(tǒng)的等效剛度和等效阻尼?；诳勺儎偠群妥枘嵩淼娜嵝越宇^設(shè)計，采用有限元方法計算了磁場強度，實驗結(jié)果表明，阻尼器的等效剛度可以在5.15 Nm/rad～12.27 Nm/rad 之間變化，而等效阻尼系數(shù)可以從 0.83 kN·s/m 變?yōu)?3.6 kN·s/m。