磁流变阻尼器的基本原理和结构.doc

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 fluid

2.2 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2.1.1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 磁流变阻尼器的动力学模型
Fig 2.2.2 Dynamic model of MR damper

2.2.2 磁流变阻尼器的结构
磁流变阻尼器的结构如下图所示，图3.3为三维结构图；图3.4为二维结构图；图3.5为磁流变阻尼器实物图。

图3.3 磁流变阻尼器三维结构图
Fig3.3 Three-dimensional drawing of MR vibration damper

1. 圆螺母 2. 弹簧垫圈 3. 铜套 4. 端盖 5. 活塞杆 6. 线圈 7. V型密封圈
图3.4 磁流变阻尼器结构图
Fig3.4 Drawing of MR vibration damper

8. 下支撑板组合 9. 橡胶 10. 导柱 11. 工作缸 12. o型橡胶密封圈 13. 上支撑板组合

图3.5 磁流变阻尼器实物图
Fig3.5 The real picture of MR vibration damper

由图3.3~图3.5可看出：磁流变阻尼器主要采用橡胶减振与磁流变减振相结合的复合减振模式，它由磁流变减振和橡胶减振两部分构成，磁流变装置和橡胶装置以并联的方式达到总体的减振效果。橡胶减振部分属于剪切式工作方式。整个装置的结构主要由上支撑板组合（13）、下支撑板组合（8）、活塞杆（5）、工作缸（11）、橡胶（9）以及附属零件组成，其中活塞杆（5）与上支撑板组合（13）固定，工作缸（11）通过橡胶（9）与下支撑板组合（8）固定，橡胶一方面用来产生阻尼，另一方面起剪切复位的作用；减振器的两个支撑板组合分别与待减振装置的两个部分联接，当减振器工作时，两个支撑板组合沿工作缸轴线方向平行移动，这样活塞杆和工作缸之间会产生相对运动，通过改变活塞杆上激励线圈的工作电流，来改变磁场回路的磁场强度，从而达到改变减振器阻尼力大小的目的。
当磁流变阻尼器具体实施到待减振系统中时，磁流变阻尼器分别通过两侧板和待减振装置相连，当待减振装置工作振动时，带动磁流变阻尼器的两个侧板沿缸体轴线方向平行剪切移动，由于侧板（1）与活塞杆（5）相连，侧板（2）与工作缸（14）相连，这样活塞杆（5）和工作缸（14）之间会产生相对运动，当活塞杆（5）上激励线圈通以电流时，磁流变阻尼器的磁路部分将产生磁场，在磁场的作用下，工作缸（14）内的磁流变液的粘度增大，从而增大其刚度，达到减振的目的。对于不同工况，由待减振装置的振动使装在其上的传感器产生信号，然后通过模数转换器A/D对传感器的信号进行采集，控制器对A/D所采集的振动信号分析计算出减振器所需输出的最佳阻尼力，随后根据减振器的阻尼力模型可以方便的计算出励磁线圈所需的电流大小，控制器根据所得参数输出相应的控制信号至数模转换电路D/A，D/A将数字信号转换成模拟信号，然后使该控制信号通过功率放大器，最后使励磁线圈的电流获得最佳值。当励磁线圈的电流改变后，由线圈产生的磁场强度随之发生改变，从而导致阻尼孔的磁流变液的粘度相应变化，最终导致了减振器输出阻尼力的改变，实现智能减振的效果。
2. 3. 2磁流变液的选用
(a)磁流变液的流变效应是一种可逆变化，它具有磁化和退磁两种可能性，所以选择的磁流变液的磁滞回线必须狭窄，从而使内聚力较小，磁导率较大，尤其须使磁导率的初始值和极大值尽量地大;
(b)磁流变液应具有较大的磁饱和，以使得尽可能大的“磁流”通过悬浮液体的横截面，为颗粒间的相互作用提供更多能量;
(c)悬浮液中强磁性颗粒的分布必须均匀，且应保持分布率不变，以使磁流变液具有很好的磁化特性;
2.3 本章小结
本章介绍了磁流变阻尼器的几种常用工作模式，包括流动模式、剪切模式、挤压模式以及混合模式，对它们的工作原理进行了简要地说明。然后介绍磁流变阻尼器的基本结构，说明了各种结构的阻尼器的应用范围和优缺点。

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