磁流变阻尼器的基本原理和结构.doc
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1、第二章 磁流变阻尼器的基本原理和结构2.1 磁流变阻尼器的工作模式磁流变技术研究的一个重要目标是利用磁流变液在外磁场作用下改变流变特性这一特点,开发各种用途的磁流变阻尼器, MR阻尼器的工作模式有下列几种:(1)压力驱动模式或流动模式。如图2.1(a)所示,这是目前应用最多的一种工作模式。其原理,磁流变液在压力作用下通过固定的磁极,磁流变液流动的方向与磁场方向垂直,可通过改变励磁线圈的电流控制磁场的变化,使得磁流变液的流动性能发生变化,从而使磁流变阻尼器的阻尼力发生变化。该系统可用于伺服控制阀,阻尼器和减震器。(2)直接剪切模式。如图2.1(b)所示,只有一个磁极固定,另一个磁极作平行于固定磁
2、极的运动或绕固定磁极旋转,磁流变液在可移动磁极的作用下通过可控磁场,同样磁场方向垂直于磁流变流体流动,适合于磁极运动的使用场合。这种系统可用于离合器,制动器,锁紧装置和阻尼器等磁流变器件。(3)挤压模式。如图2.1(c)所示,磁极移动方向与磁场方向相同,磁场方向与磁流变液的流动方向垂直,磁流变液在磁极运动时同时受到挤压和剪切作用。磁流变液在磁极压力的作用下向四周流动磁极移动位移较小,磁流变液产生的阻尼力较大,可应用于低速小位移(一般少于lmm )、大阻尼力的磁流变阻尼器和减振设备等。这一模式中不均匀磁场导致悬浮颗粒聚集,阻尼力随时间不断增长,无法实现对振动的稳定控制10。 (a). 压力驱动或
3、流动模式 (b). 剪切模式 (c). 挤压模式图2.1 磁流变流体的基本工作模式Fig.2.1 Basic working modes for MR fluid2.2 磁流变阻尼器的基本结构 2.2.1 磁流变阻尼器的结构分析磁流变阻尼器是通过改变控制装置的参数来实现对结构的可调控制, 其主要特点是所需外加能量很少、装置简单、不易失稳,摒弃了被动控制和主动控制的缺点,兼顾了它们的优点。磁流变阻尼器可在一定的范围内通过调整磁场强度来调整减振器的阻尼系数,实现振动的半主动控制。阻尼器与减振器在极大程度上是相似的,譬如阻尼力、阻尼比等,然而,阻尼器与减振器还是有本质的区别。阻尼器主要考虑用阻尼力来
4、耗散动能、冲击,不用考虑回复力,当然一部分阻尼器是自身具有回复力的,这本身就是一种柔性的可回复阻尼或减振器,如弹簧、橡胶垫等。而磁流变阻尼器兼顾以上因素,同时还具有一定的连续工作能力,同时磁流变阻尼器还并联一部分橡胶使得在工作状态下发生剪切位移时,产生一个回复力来使磁流变阻尼器回复到中心位置。并且,油缸底部还串联一部分橡胶作为缓冲其冲击载荷。 本文试验中所选用的磁流变阻尼器,由活塞、缸筒和磁流变液构成的阻尼弹性部分和橡胶复位元件组成,根据其工作原理可以将它视为一个Maxwell模型元件与另一弹簧并联而成的标准线形固体模型11。Maxwell模型是将一个弹簧和一个牛顿阻尼器串联起来,如图2.1.
5、1所示:图2.1.1 Maxwell模型Fig 2.1.1 Model of Maxwell弹簧的伸长为,由虎克定律确定;阻尼器的速率由牛顿阻尼定律决定,这里为牛顿阻尼系数。显然有 (2-1)对式(2-1)微分, 并应用虎克定律和牛顿阻尼定律得到: (2-2)或可改写成 (2-3)式(2-3)中称为Maxwell模型的松弛时间。因此,本文试验中所采用的磁流变阻尼器力学模型就可以近似看成如图2.2所示,对Maxwell模型元件有式表示的下述关系: (2-4)由平衡方程及变形协调条件显然有 (2-5)微分式(3-5)代入式(3-4),得到 (2-6)式中、称为标准线形固体的松弛时间。 图2.2.2
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