（光学工程专业论文）磁流变耦合轮对及粘滑振动研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 粘滑振动就是两接触界面在一定条件下发生的按一定周期交替滑动与粘 着的过程，是一种在具有相对运动的摩擦副接触面上比较常见的现象，它会 引起接触面动应力的瞬时加强从而导致接触界面磨耗的增加。为了探究铁道 轮轨系统中粘滑振动与钢轨波形磨耗之间的关系，本文首先建立了一个单自 由度运动系统分析模型对粘滑振动的产生机理进行了定性分析，推导了振动 发生幅值和周期的表达式，并对机车轮对和车辆轮对的粘滑振动特性分别做 了分析。其次利用一个考虑轮对弯曲振动与扭转振动的分析模型，分析了粘 滑振动对钢轨波磨造成的影响，根据引起粘滑振动因素被激化程度的不同而 对其进行了具体的分类；明确了不同的轮轨参数对不同频率与波长钢轨波磨 的影响；仔细研究了粘滑振动发生的条件及弯曲振动、扭转振动在钢轨波磨 形成过程中的作用。最后本文结合粘滑振动发生的特点及磁流变耦合轮对的 特性，首次提出了采用磁流变耦合轮对来抑制粘滑振动发生的方案。磁流变 耦合轮对抑制粘滑振动的重要前提是对车轴的扭转振动进行实时而快速的精 确测量，从而适时的发出控制信号控制耦合器的耦合度。为此本文结合已有 的扭转振动测量手段和铁道车辆运行的特殊性，提出了采用光栅式编码器结 合d s p 芯片的轮轴扭转振动测量方案，介绍了三种测量方法并对其进行了详 细的理论分析。通过分析可知，该方案测量精度高，测量范围广，并具有实 时测量，运行速度快，总体结构简单的优点，可以满足轮轴扭转振动的实时 测量要求。 【关键词】粘滑振动；磁流变流体；耦合轮对；钢轨波磨；测量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a bs t r a c t s t i c k s l i p v i b r a t i o ni sap r o c e s so fa l t e r n a t e l ys i t c k i n ga n ds i l p i n gw h i c h o c c u r sb e t w e e nt w oc o n t a c ti n t e r f a c e su n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n sa c c o r d i n gt o c e r t a i n c y c l e i t i saq u i t ec o m m o np h e n o m e n o no b s e r v e db e t w e e nc o n t a c t i n t e r f a c e s w i t hr e l a t i v em o v e m e n t ，w h i c h m a y c a u s et h ec o n t a c tf a c e d y n a m i c 1 0 a ds t r e s ss t r e n g t h e ni n s t a n t l y , a n dt h u sr e s u l t i n gi nt h e a b r a s i o no f c o n t a c ti n t e r f a c ei n c r e a s e s i no r d e rt oi n q u i r ei n t ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s t i c k s l i pv i b r a t i o na n dt h er a i la b r a s i o ni nt h ew h e e l t r a c ks y s t e m ，f i r s t l yas i n g l e d e g r e e o f - f r e e d o mk i n e m a t i cs c h e m em o d e l i se s t a b l i s h e df o r t h e q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o ft h ep r o d u c t i o np r i n c i p i u m ，t h ee x p r e s s i o n so ft h ec y c l ea n dt h e v i b r a t i o na m p l i t u d ea r ed e d u c e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c e so fs t i c k - s l i pv i b r a t i o no f l o c o m o t i v ea n dv e h i c l ea r ea l s oa n a l y s e d s e c o n d l y , am o d e l ，w h i c hi n c l u d e s b e n d i n gv i b r a t i o na n dt o r s i o n a lv i b r a t i o no fw h e e l s e t ，i s u s e dt oa n a l y s eh o w s t i c k s l i pv i b r a t i o ni n f l u c e sr a i la b r a s i o n a c c o r d i n gt od i f f e r e n c eo fe x t e n tb e i n g a f f e c t e do ff a c t o r st h a tc a u s es t i c k s l i pv i b r a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fs t i c k - s l i p v i b r a t i o ni sc l a s s f l i e d ；t h ei n f l u e n c eo fe n t e n to fd i f f e r e n tp a r a m e t e r st or a i l a b r a s i o nw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c ya n dw a v e l e n g hi sk n e w ；t h ec o n d i t i o n so f s t i c k s l i p v i b r a t i o no c c u r sa n dt h ee f f e c to fb e n d i n gv i b r a t i o na n dt o r s i o n a l v i b r a t i o ni nt h ep r o c e s so fr a i la b r a s i o nf o r m sa r ea l s os t u d i e d t h i r d l y , b eb a s e d u p o nt r a i t o f s t i c k s l i p v i b r a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fm a g n e t o - r h e o l o g i c a l c o u p l e dw h e e l s e t ，as c h e m et h a tt om a k eu s eo fm a g n e t o r h e o l o g i c a lc o u p l e d w h e e l s e tt or e s t r a i ns t i c k s l i pv i b r a t i o ni sb r o u g h tf o r w a r d i t sp r e c o n d i t i o ni s r e a l t i m ea n dr a p i dm e a s u r e m e n to fv a l u e so ft o r s i o n a lv i b r a t i o nf o rm a k i n ga c o n t r o ls i g n a li nt i m et oc o n t r o lc o u p l i n gd e g r e e a c c o r d i n g l y , b eb a s e du p o n e x i s t i n gm e a n so fm e a s u r e m e n to ft o r s i o n a lv i b r a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co ft r a i n r u n n i n g ，ap l a no fm e a s u r e m e n to f t o r s i o n a lv i b r a t i o nm a k i n gu s eo fr a s t e rc o d e r a n dd s pc h i pi s b r o u g h tf o r w a r d ，a n d t h r e e w a y s o fm e a s u r e m e n ta r e i n t r o d u c e d a c c o r d i n g t o a n a l y s i s ，t h e r e a r e m a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a s h i g h p r e c i s i o n ，w i d e m e a s u r e m e n t r a n g e ，r e a l t i m em e a s u r e m e n t ，r u n n i n g r a p i d ，a n ds i m p l e s t r u c t u r e ，s or e q u i r e m e n t s o fm e a s u r e m e n tf o rt o r s i o n a l v i b r a t i o nc a nb ec o n f o r m e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 k e yw o r d s ：s t i c k - s l i pv i b r a t i o n ；m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ；c o u p l e dw h e e l s e t ； r a i lc o r r u g a t i o n ；m e a s u r e m e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 i 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密呵使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名： 醐吲8 矽j ( 7 、 母绅 i 指导老师签名： 嗍泐占f 2 夕 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、结合一个单自由度的粘滑振动分析模型，对粘滑振动的产生机理进行 了分析，并给出了振动幅值及振动周期的表达式。分别分析了机车轮对与车 辆轮对的粘滑振动特性。 2 、结合铁道车辆粘滑振动及磁流变耦合轮对的特点，首次提出采用耦合 轮对抑制粘滑振动的方案( 这也是磁流变耦合轮对实现耦合度可控的一种检 测方案) ，以及利用光栅式编码器测量轮对扭转角及角速度差来解决该方案实 行的关键轮轴扭转振动的测量，提出了三种不同的测量方法，对其测量 原理进行了对比研究，分析了引起测量精度的各项因素。 学位论文作者签名：睑杆 日期：2 0 0 8年5 月2 3 1 1 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文的选题背景及意义 铁路自运营以来，铁道机车车辆的轮对基本上都采用两个车轮紧固在一 根车轴两端的形式，除车轴由于弹性和受力变化产生非常小的颤震外，这种轮 对左右车轮的旋转角速度始终是相同的。在曲线上，由于左右车轮的同步转 动和内外轨长度不相等，为了保证车辆顺利通过曲线，车轮的踏面采用了具有 一定锥度的踏面形式( 车轮的滚动圆半径由轮缘向外逐渐减小) 。这种带有锥 度的固定轮对的主要优点是：可以利用左右车轮滚动圆半径的变化和轮轨蠕 滑力的作用，使轮对在直线上可以通过蛇行运动的形式自动调节它向轨道中 央的对中性能；在曲线上可以通过纵向蠕滑力产生的偏转力矩使它具有自导 向功能【1 2 1 。 但是，随着列车高速化进程的发展，传统固定轮对天生的不足之处就逐 渐暴露出来了【3 卅：一是带锥度的固定轮对固有的蛇行自激振动将随着列车 运行速度的提高而变得越来越剧烈，蛇行运动恶化了乘坐舒适性，增大了轮 轨磨耗，严重时还危及行车安全；二是列车在曲线上运行时，由于内外钢轨 长度不一致，尽管车轮踏面具有锥度，但因安全性和稳定性等多种因素的制 约，车轮的踏面锥度不能设计得太大，加之轮轨横向间隙也是有限的，所以 左右车轮滚动圆半径差不能完全匹配内外轨长度差，因而造成轮轨间的相对 滑动和轮缘接触，从而加剧了轮轨磨损( 特别是小半径曲线段) ，这样会造成 车轮和曲线段的频繁维修和换轨。 因此，在铁道车辆问世不久，就有人提出用“独立旋转车轮 代替“固 定轮对”的设想。最初的“独立旋转车轮”设想是简单地将“固定轮对”的 左右车轮解耦，使它们各自独立地绕车轴旋转【5 】。轮对的左右车轮解耦后可 以自由旋转，不再产生纵向蠕滑力，因而不会产生蛇行运动，临界速度可以 达到很高，对提高车辆系统的稳定性有好处。但是这一优点也同时是它的缺 点 6 - 7 】，因为独立回转车轮失去了纵向蠕滑力矩的自导向功能，在车轮制造 和安装误差及轨道不平顺的影响下，即使在平直轨道上，独立回转车轮一般 也会贴靠钢轨的某- n 运行，而不能自动向轨道中央复位，因而加剧了脱轨 的倾向；在曲线上，独立回转车轮因为失去了纵向蠕滑力矩的自导向功能而 主要依靠轮缘来导向，一旦发生轮缘接触，很难保证轮轨一点接触，因而很 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 容易造成轮缘的巨大磨损。许多理论和试验研究也都表明【8 1 3 ，由于独立回 转车轮缺乏蠕滑力的自导向作用因而使得独立回转车轮不但直线复位性能很 差而且曲线通过性能也很差，因此导向问题一直是独立回转车轮发展的“瓶 颈 。围绕着独立回转车轮的导向问题，国外提出了很多解决方案，比如把独 立回转车轮转向架做成拖动式的【14 1 、加大车轮踏面的锥度【1 5 16 1 、加设特殊的 导向机构等【1 7 19 1 。 图1 - 1 独立旋转车轮模型 图1 - 2 耦合轮对模型简图 随着人们对车辆动力学研究的深入，研究者们发现轮轨纵向蠕滑力在轮 对的导向中起着不可低估的作用，于是国外一些学者提出了一种介于传统固 定轮对和独立回转车轮之间的耦合轮对的设想【2 眦引。耦合轮对即通过某种耦 合器把独立回转的左右车轮的自由回转运动进行适当的联系，这样就可以产 生适量的纵向蠕滑力，从而使车辆在保证有较高的临界速度的同时，也不会 丧失轮对向轨道中央复位的性能，并可以改善转向架的曲线通过性能。 西南交通大学率先提出了磁流体耦合轮对的概念【2 4 1 。磁流体是一种可控 流体，在外加磁场的作用下它能在毫秒级的时间内从牛顿流体迅速转化为具 有较高屈服应力的半固体，并且这种转化是连续、可逆的，这叫磁流变效应 【2 5 1 。利用磁流变效应制作的轮对耦合器通过控制外加磁场的大小可简单、方 便的控制其屈服应力，进而控制轮对的耦合度，并且它结构简单、体积小、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 能耗低、易于控制，相对于其他耦合方式来说具有明显的优点。 粘滑振动一般来说就是两接触界面在一定条件下的周期性交替滑动与粘 着过程【2 6 1 。在滑动过程中接触界面由滚动接触变成滑动接触，摩擦力增大， 磨耗增加。粘滑振动多常见于工业机床加工工具的运动中【2 。实际上，车辆 轮轨间的滚动接触也普遍存在粘滑振动，它主要是因为传统轮对蠕滑力饱和 致使轮轨间接触失效从而导致轮轨间产生相对滑动而引起的。这就给了我们 启示，如果我们能控制纵向蠕滑力，就可以有效控制轮轨间的滑动，从而有 效控制轮轨间的粘滑振动。 磁流体耦合轮对通过控制纵向蠕滑力不但z 日1 匕l - , 很好改善铁道车辆在直线上 的蛇行运行稳定性与曲线上自导向功能，还能为抑制粘滑振动带来新的希望， 而这对于改善车辆运行动力学性能，降低轮轨间的磨耗具有重要意义。 目前国内外关于磁流变耦合轮对的研究还较少，国内关于这方面的研究 主要还是西南交通大学的池茂儒博士和倪平涛博士【2 8 3 5 】。而对于耦合轮对抑 制粘滑振动的研究还几乎处于空白。本文正是基于此而做一些初步探索性研 究。 1 2 耦合轮对的发展与研究概况 耦合轮对的概念一提出，就受到很多研究人员的关注，英国、美国、加 拿大、德国、法国等国家的许多学者投入了大量的精力来对耦合轮对进行理 论和试验研究，其中以加拿大的a h m e d 研究的弹性一阻尼耦合轮对 e d c w ( e l a s t o d a m p e rc o u p l e dw h e e l s e t ) p 扣3 8j 和德国m b b 公司开发的磁力 耦合轮对m p c w ( m a g n e t i cp o w d e rc o u p l i n gw h e e l s e t ) 3 9 q o j 最为著名。 耦合轮对的概念最早是由英国的b e n i n g t o n 于1 9 6 8 年提出的【4 ，他初步 分析认为轮对通过阻尼适当耦合可以缓解直线稳定性与曲线通过性能之间的 矛盾。紧接着d u k k i p a t i 利用b e n i n g t o n 的耦合轮对模型考察了轮对耦合参数 及悬挂参数对稳定性的影响，发现阻尼耦合轮对的动力学性能确实比传统固 定轮对好【4 2 1 。2 0 世纪7 0 年代，d o y l e 、p r a u s e 和h a d d e n 进一步对耦合轮对 进行了研究【4 3 4 5 1 ，他们得出的结论是：轮对的耦合阻尼对系统稳定性的影响 可以忽略不计：而耦合刚度对稳定性的影响很大，车辆的稳定性随着轮对耦 合刚度的增加而增大，当耦合刚度达到很大而使左右车轮成为固定轮对时的 临界速度最高，后来的研究表明，这个结论是不正确的。 2 0 世纪8 0 年代，掀起对耦合轮对研究的热潮，其中对耦合轮对的理论 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 研究贡献最大的要算加拿大的a h m e d 。他首先建立了弹性一阻尼耦合轮对 e d c w ( e l a s t o d a m p e rc o u p l e dw h e e l s e t ) 的横向线性动力学模型，如图1 3 所 示【4 6 】，考虑了轮对的横移、摇头和自旋三个自由度，构架被假设为是沿轨道 前进的固定参考系。 一 图1 3 弹性一阻尼耦合轮对模型 a h m e d 在频域内对分析了扭转刚度和扭转阻尼对轮对的临界速度的影 响，其影响趋势如图1 4 所示。从图中可以看出扭转刚度和扭转阻尼对轮对 的临界速度都有较大的影响。 名 j 型 捌 呔 妲 e d c 扭转刚度k “( k n m t a d ) ( a ) 前 昌 v 蜊 瑙 昧 磐 e d c w 扭转阻尼c x ( n - m s r a d ) ( b ) 图1 4 扭转刚度和扭转阻尼对临界速度的影响 由于仅考虑轮对运动的动力学模型过于简单，不能考察耦合参数对转向 架和车辆稳定性的影响，所以a h m e d 紧接着又建立了包含1 1 个自由度的 e d c w 货车转向架的横向线性稳定性模型【4 7 】。分析的结果是当扭转阻尼过小 时，扭转刚度不能提高系统的稳定性。与此同时，a h m e d 又建立了轮对仅有 阻尼耦合的三大件转向架货车的稳态曲线通过模型，分析结果认为适当的阻 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 尼耦合可以提高轮对的导向能力，并改善车辆的曲线通过性能。a h m e d 最后 得出的结论是：肖轮对左右车轮的耦合力增大时，轮对导向能力增强，临界 速度f 降；当轮对的耦合力减小时，轮对导向能力减弱，临界速度上升。这 样直线稳定性和曲线通过性能的矛盾可以通过优化轮对的耦合参数来加以优 化折中。 图1 5 磁力耦合轮对 德国的m b b 公司在发展i c e 计划时对阻尼耦合轮对进行了试验研究， 他们研制了一种蠕滑力可控的磁力耦合轮对，如图1 5 所示【4 引。轮对的左右 车轮之问由一磁力元件进行耦合，轮轨间的纵向蠕滑力可以通过磁力耦合元 件来加以控制。车轮采用磨耗型踏面，其构架由纤维复合材料制造，如图1 6 所示。这种设计的目的是：将车辆的速度提高到3 5 0 k m h 以上，在直线和曲 线上减小横向力、减小磨耗和噪声。 图1 - 6 磁力耦合轮对转向架 通过滚动台试验得出：通过磁力耦合元件控制作用可以使轮轨问e t 的动作 用力减小2 0 ；应用纤维复合材料使转向架重量减轻后，对横向舒适性有所 改善，但它并不能消除速度变化对舒适度的影响，只有采用蠕滑力可控的耦 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 合轮对才能减小速度变化对舒适度的影响，从而真正改善运行中的舒适度品 质；滚动试验还表明，传统轮对在1 0 7 k m h 时就开始失稳，而蠕滑力可控耦 合轮对在5 0 3 k m h 的速度下还未失稳。 法国g e ca l s t h o m a c r 为了减少t g v 列车轮轨间的摩擦、滚动阻力、 能耗和噪声，也开展了对耦合轮对的理论和试验研究，建立了弹性阻尼耦合 轮对的非线性横向动力学模型，并对装有阻尼耦合轮对的车辆在高速线路上 进行了动力学性能试验，最高速度达到2 9 0 k m h t 4 9 1 。研究结果表明：非线性 模型的计算结果与线性模型的计算结果两者的变化趋势是相似的：优化两轮 间的弹性一阻尼耦合参数，可以使轮对既具有足够的中心复原能力，又有很高 的蛇行失稳临界速度：在阻尼耦合轮对的线路试验中没有发现轮缘贴靠钢轨 一侧的现象，虽然耦合轮对的踏面锥度比传统轮对大，但其临界速度远高于 传统轮对，在高速时车辆的舒适度还提高了5 0 。 我国在2 0 世纪9 0 年代也对耦合轮对有过一些探索性的研究【5 们，当时铁 道部科技司以科技机( 1 9 9 5 ) 1 4 5 号文下达了独立轮对转向架的研制任务，该项 目由原上海铁道大学和铜陵车辆厂共同承担。他们研制的独立轮对左右车轮 通过摩擦片进行了适当的耦合。只是由于种种原因，研究没有继续深入下去。 2 0 世纪9 0 年代以来，国外研究者们对耦合轮对的研究主要集中在耦合 技术与控制技术上。除了德国的磁力耦合技术外，还有人提出过机械齿轮耦 合技术、离心力耦合技术和液压耦合技术等设想【5 。西南交通大学牵引动力 国家重点实验室的池茂儒博士在这种背景下，结合当今磁流变技术的发展， 在国内外首次提出了用磁流变技术来实现轮对的耦合，这种新型轮对称为磁 流变耦合轮对，并对其动力学性能进行了大量卓有成效的研究和工作【5 引。另 外，实验室的倪平涛博士对磁粒在轮对耦合器中静止时抗沉降性的问题进行 了卓有成效的研究，并首次提出了1 、4 位为传统轮对，2 、3 位为磁流变耦 合轮对，驱动装置安装在l 、4 位传统轮对上的动车转向架，并对其动力学性 能进行了研究p 川。 总的来说，我国关于耦合轮对的研究仅仅算是刚刚开始，对于耦合轮对 耦合器的设计，控制方式实现，磁粒抗沉降性问题等还有很多工作要做。 1 3 本文的主要工作 本文在国内外关于耦合轮对动力学性能及粘滑振动特性研究的基础之上 主要做了以下工作： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 1 ) 结合一个单自由度的粘滑振动分析模型，对粘滑振动豹产生枫理进 行了分析，并给出了振动幅值及振动周期的表达式。 ( 2 ) 针对铁道车辆轮对的特点具体分别分析了机车轮对与车辆轮对的粘 滑振动特性，并分析了机车粘滑振动的稳定性及机车驱动系统扭转特性与粘 滑振动之间的关系，为下步做关于粘滑振动与钢轨波磨的关系做好铺垫。 ( 3 ) 剩用一个蠡线地段考虑弯法振动与扭转振动的分析模型详缨分析了 粘滑振动与钢轨波磨的之间的关系，求出了粘滑振动引起的波磨波长和频率 分布，并根据引起粘涝振动因素被激化的不同焉对粘滑振动进行了具体的分 类，从而明确了不同的轮轨参数对引起不同频率与波长钢轨波磨的影响。此 外本文还对粘滑振动产生的条件及初始波磨发展成波形磨耗的条件进行了探 讨。 ( 4 ) 结合铁道车辆粘滑振动及磁流变耦合轮对的特点，首次提出采用耦 合轮对抑制粘潺振动的方案( 这也是磁流交耦合轮对实现耦合度可控的一种 检测方案) ，以及利用光栅式编码器测量轮对扭转角及角速度差来解决该方案 实行的关键轮轴扭转振动的测量，提出了三种不同的测量方法，对其测 量原理进行了对比研究，分析了弓| 起测量精度的各项因素。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章磁流变耦合轮对的基本原理及方案设计 传统轮对左右轮通过车轴冈l 性联结，丽独立轮对左右轮之闻则又是完全 独立，二者的车轮联结情况在生产出来后就已经确定并在正常使用中不可变 更。与之相比，耦合轮对左右车轮之间既不是刚性联结也不是完全独立，而 怒介于其闻适当藕合，耦合的程度在整个运行期阈是可以随着运行状况的改 变而随之改变的，这相对于传统轮对与独立轮对来说要灵活得多，也正因此， 它具有更加优越的动力学性能，更能适应复杂的线路状况。 耦合轮对的独特性能是通过连接左右车轮的耦合器来发生作用的，而耦 合器工作的本质则是装在里面的磁流变遵循控制器发出的命令引起性能的改 变。本章就将对磁流变的工作原理及磁流交耦合轮对的设计及工作原理进行 探讨。 2 。 磁流变技术概况 2 。1 1 磁流变的组成 磁流体技术的物质基础是磁流变流体。目前，普遍应用的磁流变流体( 简 称磁流变或磁流变液) 主要是两相多组分的悬浮液体，它主要是由3 个部分 组成：一是作为分散相的固体粒子；二是作为载体的基液；三是为了改善磁 流变性能而加入的高分子添加剂，其中包括增强磁流变效应的表面活性剂、 防止粒子凝聚的分敖翔、防止沉淀的稳定剂等，不同的组分傻 ：葶这种液体具 有不同的性能f 5 引。 固体粒子： 磁流变的固体粒子在磁场作用下的极化是磁流变产生磁流变效应的核 心。因此，固体粒子材料的性质，对磁流变的性能优劣起着决定性的作用， 根据磁流变效应的机理研究结论，在选择固体粒子的材料时，一般应遵循以 下原则m j ： 固体粒子应具有高的磁化率和低的磁滞率，磁化率越离，则极化强度 越高，磁流变效应也越强； 固体粒子与基液相适应的比重，防止固体粒子在基液中沉淀过快； 适当昀固体粒子大小和合理的粒子形状，一般是o 。5 5 蛰趣球形粒子； 稳定的物理性能和化学性能，保证磁流变体有较长的工作寿命和磁流 交效应的稳定性； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 耐磨，无毒和对其接触材料无腐蚀性。 固体粒子一般使用的软磁材料，其特征是： 高的磁化率，即材料对磁场的敏感度高； 低的矫顽力，即材料既容易受外加磁场磁化，又容易受外加磁场或其 它因素退磁，磁滞回线窄，磁化功率和磁滞功耗低； 。高的饱和磁感应强度b ，在低功率应用中较易获得高的磁化率和低的 矫顽力；在高功率应用中意味着存储和转换的比磁能高，因此对高功率应用 尤其重要； 低的磁损耗，即材料的矫顽力低以降低磁滞损耗、涡流及其它磁损耗 低； 高的稳定性，即材料对环境因素如温度和振动等的稳定性好。 目前，磁性材料主要是f e 3 0 4 、f e 3 n 、f e 、c o 、n i 等微粒，其中磁饱和 度最大的微粒是铁钴合金，它的磁饱和度能达n 2 4 t ，但价格昂贵。实际应 用最多的微粒是纯铁粉和羰基铁粉，它们的磁饱和度约为2 1 t 。其他金属、 合金以及氧化物的磁饱和度都要比铁粉的磁饱和度低。磁性颗粒的直径一般 0 1 0 1 0 0um ，典型值为3 - - - 5um ，只有氧化物颗粒的直径能达到约3 0 n m ， 但是这种氧化物颗粒的磁饱和度较低，配制的m r f 产生的应力最大约5 k p a 。 基液： 又称载液或母液，基液的作用是将固体粒子均匀地分散在其中，这种分 散作用能保证在零磁场时，使磁流变仍保持有牛顿流体的特性；而在有磁场 作用时，则使粒子在其中形成链状结构，产生抗剪屈服应力，并使磁流变呈 现粘塑性b i n g h a m 流体的特性。基液不仅起到固体粒子的分散作用，更重 要的是磁流变的磁流变效应，是磁场作用于基液和固体粒子所形成的两相悬 浮液体的整体行为，一般来说，对基液的要求如下【5 6 】： 基液具有高的沸点和低的凝固点，在整个磁流变的工程应用温度范围 内不挥发、不凝固，一般工作温度范围应在一5 0 - 1 5 0 u c ； 低的零场粘度，以保证磁流变在零磁场时有良好的流动性； 大的密度，尽可能与分散相固体粒子的密度相匹配，以防止过快的沉 淀： 良好的化学稳定性，即在高的工作温度范围内长期使用和存放时不分 解、不氧化变质。 常用的基液有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 j 磁性基液主要有醚油、机油、矿物漓、合成漓、水和乙二醇等； 磁性液体基载液，即用胶体状的磁流体作为载液( 如铁磁流体) ，使磁 流变的屈服应力大为提高； 特殊型载液由于某种特殊的要求，往往要选择具有特殊性质的载液， 比如既可以导电又可以导磁的载液，将0 1 5 - - 0 2 m m 尺寸的铁磁颗粒( 例如含 4 s i 的硅钢) 分散在含有o 5pm 石墨颗粒的未聚合酶环氧树脂基体孛霹制成 多用途磁流变液，这种树脂基体的粘度系数为3 0 0 p a s ( 2 0 c ) 。使用高粘度的 载液可以有效防止固体粒子的沉降 6 0 , 6 1 】。 添加剂： 添加剂是磁流变的第三个组成部分，它在改善磁流变的性能方面起着很 重要的作用。一般在磁流变中加入添加刹的嚣的是： 吸附于粒子表面上的表面活性剂，能提高粒子的磁化率，增强粒子的 极化能力，促进磁流变效应的加强； 利用添加荆改善基液与固体粒子表面的“润澄 性能，良好的润湿性 可提高粒子在基液中的分散的均匀性，因为润湿好，粒子之间的粘接少，在 零磁场时不会自动凝聚，霹提高粒子在基液中的分散性； 利用稳定剂，以防止粒子的沉淀，常用的稳定剂是“立体式 的，它 能够增加悬浮固体粒子的稳定性，使粒子不沉淀也不絮凝，使磁流变处予一 种凝胶态即粒子与基液形成一个亚粒子群，在粒群的空陷中含有大量的基液。 常用的添加剂有：黄酸盐、油酸、偶联剂、烷基胺磷酸脂、溴化烷基甲基胺 烷氧基硫代磷酸盐、聚乙二醇、t w e e n 8 0 、o p 1 0 、s i 0 2 及其它菲离子型添加 剂。 2 i l 。2 磁流变液的本构特性 ， 磁流变在磁场的作用下，可由牛顿流体于m s 级内转变为b i n g h a m 流体。 b i n g h a m 流体是搀具有屈服应力的粘塑性流体，它与牛顿流体有着不同的流 动特性曲线，如图2 1 。磁流变在磁场的作用下集流体的流动性和固体的塑 性于一体，其流变特性，如糙度、弹性等会随外加磁场改变而迅速改变。在 磁场作雳下磁流变液变成类固体状态，并可以承受机械力。像其它固体材料 一样，使磁流变发生破坏的应力即为其屈服应力。磁流变在外加磁场作用下 的屈服过程由矮服前区、属服区和震服后区三个除段组成，如图2 1 ( a ) 。其 中，屈服前区和屈服后区具有b i n g h a m 流体的特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 盼铡腹蹙 ( a ) f 绷t o ( b ) 图2 1 b i n g h a m 模型 b i n g h a m 模型的本构方程可用( 2 1 ) 式表达，用坐标表示如图2 1 ( b ) ： 炷：粤乡卜彬狐+ ( 2 _ 1 ) 【矿= o ；丁 一 岬 艿 式中，万为饱和区间长度，口为扭转角速度，m 。为库仑摩擦力矩，c ，为 库仑摩擦阻尼系数，g 为粘性阻尼系数，c o 为磁流变耦合器总阻尼系数即 前面所说的轮对耦合度。 饱和区间长度万的选择至关重要，过宽则产生粘性阻尼的效果而库仑摩 擦阻尼不能发挥作用，过窄则在数值积分过程中有可能丢失停顿的条件。一 般在保证能够顺利积分的同时取尽量小的饱和区间长度万为佳。 2 2 3 磁流变耦合轮对白 j - r - 作原理描述 传统轮对由于左右车轮通过一根车轴刚性联结在一起，在转动中左右车 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 轮转动角速度始终是相同的；独立轮对则恰好相反，其左右车轮独立转动， 转动角速度是不同的。由于二者在构造上的这种特点，在实际运用中，无论 是传统轮对或者独立轮对在乎衡直线稳定性与睦线通过性上都难以做到最 优，而磁流变耦合轮对则不同，它的左右车轮既不像传统轮对一样刚性联结， 也不像独立轮对一样完全自由独立旋转，而是可以根据车辆运行情况进行实 时调整，以期使其动力学性能随时都处于最优状况。比如，在平直孰道上运 行时它可以提高轮对耦合度，以增加其直线运行稳定性，而在曲线轨道上运 行时它可以适当降低耦合度以利于左右车轮的旋转焦速度差能与车辆与轨道 情况( 车辆运行速度、曲线半径、左右轨道高度差等) 达到良好的匹配，从 而达到最优的曲线通过能力。由此可见，由于耦合轮对左右车轮耦合度可以 实时调整，使得其兼具了传统轮对与独立轮对的优点。 ( a ) 耦合轮对物理模型( b ) 耦合轮对力学模型 图2 7 耦合轮对模型简图 磁流变藕合轮慰的核心工作原件为磁流变耦合器，它的工作原理如下： 列车在轨道上运行时，检测系统检测列车运行速度、车辆离心力、左右轨道 离度差、鼗线半径等值以确定车辆运行状态，并分析车辆运行是否与轨道情 况达到良好匹配，如若没有，则将向控制系统发出指令，调节通过耦合器电 磁铁的控制电流，由于控制电流发生改变引起磁流变液里的磁粒排列改变，