（光学工程专业论文）基于极性分子型电流变阻尼器的车辆横向半主动控制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 转向架是影响铁道车辆性能的关键部件，转向架的阻尼器采用能够根据轨 道状况和车辆运行状态进行实时控制的智能悬挂系统是提高车辆的平顺性和 安全性的一条重要途径。电流变半主动悬挂利用电流变技术实现了阻尼实时控 制，具有优良的可控性、很宽的动态范围、较高的响应速度、很低的功耗、相 对简单的结构，已成为目前智能悬挂领域的研究热点，备受青睐。近来极性分 子型电流变液体的发现为电流变技术在铁道车辆上的应用提供了可行性。 论文应用理论分析、结构设计、数值仿真的方法，对电流变阻尼器进行了 结构设计，并分析其动态特性、对车辆电流变半主动悬挂的动力学特性、以及 控制系统设计进行了研究。具体工作包括以下几方面： ( 1 ) 阐述了电流变液的特性与机理，并分析了极性分子型电流变液体产生 巨电流变效应的原因。 ( 2 ) 针对铁道车辆设计了基于极性分子型电流变的阻尼器结构并对其工作 液进行了选用。 ( 3 ) 对设计出的电流变阻尼器进行了数学建模与实参数的阻尼力计算，分 析其在铁道车辆上应用的可行性。 ( 4 ) 分析了半主动悬挂的原理与设计方法，建立了车辆的横向简化模型， 选用线性二次型最优控制对车辆性能进行了对比仿真，并进一步分析了影响控 制性能的一些因素。 【关键词】：铁道车辆；半主动控制；阻尼器；极性分子型电流变；二次型最 优控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t b o g i ei st h ek e yc o m p o n e n tt h a ta f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo fr a i l w a yv e h i c l e s o n e i m p o r t a n tw a yt oi m p r o v et h ev e h i c l es m o o t h n e s sa n ds a f e t yi sb o g i ed a m p e rw h i c h u s e si n t e l l i g e n ts u s p e n s i o ns y s t e mt oc o n d u c tar e a l t i m ec o n t r o la c c o r d i n gt or a i l c o n d i t i o n sa n dt h er u n n i n gs t a t eo ft h ev e h i c l e e rs e m f a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m a p p l i e se rt e c h n o l o g yt oa c h i e v er e a l t i m ec o n t r o lo ft h ed a m p e r , w i t he x c e l l e n t c o n t r o l l a b i l i t y , w i d ed y n a m i cr a n g e ，f a s tr e s p o n s e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， r e l a t i v e l ys i m p l es t r u c t u r e ，a n dt h e nh a sb e c o m et h eb u m i n gq u e s t i o ni nt h ef i e l do f i n t e l l i g e n ts u s p e n s i o na n db e e nw i d e l ys t u d i e d r e c e n t l y , t h ea p p l i c a t i o no fe r t e c h n o l o g yt or a i l w a yv e h i c l e s i sf e a s i b l eb e c a u s eo ft h e d i s c o v e r yo fp o l a r m o l e c u l e - t y p ef l u i de i l b yt h em e t h o d so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s t r u c t u r a ld e s i g n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d s ，t h et h e s i sd e s i g n st h e s t r u c t u r eo fe rd a m p e r , a n a l y z e s d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fe rd a m p e r , a n ds t u d i e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l ee r s e m i a c t i v es u s p e n s i o na n dt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g nh a v eb e e ns t u d i e d s p e c i f i c a l l y s p e a k i n g , t h et h e s i s ( 1 ) d e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s mo fe rf l u i d ，a n da n a l y z e sw h y p o l a rm o l e c u l e - t y p ee r f l u i d sp r o d u c eg i a n te re f f e c t s ( 2 ) d e s i g n st h ee rd a m p e rs t r u c t u r e o fr a i l w a yv e h i c l e sb a s e do np o l a r m o l e c u l e - t y p e ，a n dc h o o s e si t sw o r k i n gs o l u t i o n ( 3 ) c o n d u c t sad a m p i n gf o r c ec a l c u l a t i o no ft h ed e s i g n e de rd a m p e ra n dt h e na n a n a l y s i so ft h ef e a s i b i l i t yo fi t sa p p l i c a t i o nt or a i l w a yv e h i c l e s ( 4 ) a n a l y z e st h ep r i n c i p l e sa n dd e s i g nm e t h o d so ft h es e m i a c t i v es u s p e n s i o n ， b u i l d sas i m p l i f i e dl a t e r a lm o d e lo ft h ev e h i c l e , c o n d u c t sac o m p a r a t i v es i m u l a t i o no f t h ev e h i c l ep e r f o r m a n c eb yu s i n gl i n e a rq u a d r a t i co p t i m a lc o n t r o la n daf u r t h e r a n a l y s i so ft h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：r a i l w a yv e h i c l e ；s e m i a c t i v ec o n t r o l ；d a m p e r ；p o l a rm o l e c u l e t y p ee r ； q u a d r a t i co p t i m a lc o n t r o l 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 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密。使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：多套礁消l指导老师签名：歹研l 日期：日期： 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： l 、对极性分子型电流变液进行了研究，并设计了可以在铁道车辆上应用阻 尼器。 2 、对设计出的极性分子型电流变阻尼器在车辆的横向振动控制方面进行了 分析。 学位论文作者签名：辖红煨 日期： b 习年 f v 月半日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 车辆悬挂系统振动控制的机理研究和产品开发是车辆动力学和自动控制 领域的国际性前沿课题。近年来，随着相关学科和高新技术的迅猛发展，特别 是高速、廉价的微处理系统的普及，使得研究实用的主动和半主动悬挂系统成 为可能。在我国，有必要加快对此领域的研究，以适应我国铁路高速化战略的 需要。 1 1 选题背景 铁路具有运量大、速度快、运输安全、节约能源以及环保等优点，因此 铁路自问世以来就得到了迅速的发展，一直是人类最重要的交通方式之一。但 2 0 世纪6 0 年代以来，随着公路交通和航空运输方式的飞速发展，铁路运输面 临着极其严峻的挑战。进入2 0 世纪7 0 年代以后，各大工业国尽管受到能源危 机的影响，但是公路交通和航空交通仍然得到了高速的发展。长期以来依赖于 铁路的长途客运进入了航空通道，短途客运被公路运输争夺，货运有大量的集 装卡车取代，各国的铁路货运量大幅度下降，仅以西欧为例，铁路2 0 世纪8 0 年代其客货运量的市场占有率均由5 0 年代的5 0 左右下降到了不足1 5 ，面 对困境，有识之士开始觉径醒。研究发现这种现象的原因是：长期以来，铁路 行业由于偏重于增加车辆的吨位而忽视了行驶速度的提高。只有提高行车速 度、缩短旅行时间才能使铁路在与公路、航空的竞争中立于不败之地。高速铁 路建设和原有线路提速为世界各国的旅客运输开辟了新途【1 1 。 高速铁路不仅仅是高速，它起码具有三点优势： 一是高速铁路速度快省时间，安全系数高，乘坐间空大，舒适又方便，价 格又适宜，迎合了现代社会出行的需求，因而受到人们的青睐，成为世界各国 振兴铁路的强大动力。 二是高速铁路运输系统是铁路大面积吸纳现代高科技成果进行技术创新 的产物。它推动铁路科学技术和装备登上了一个崭新的台阶，增强了铁路的竞 争力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 三是高速铁路不仅运输能力特别大，有年运输量可达亿人次以上的优势， 又有减少环境污染的优势，因而特别适宜于大运量的城市间、城市群和城郊的 高频率运输。旅行时间的节约，旅行条件的改善，旅行费用的降低，再加上国 际社会对人们赖以生存的地球环保意识的增强，使得高速铁路在世界范围内呈 现出蓬勃发展的强劲势头，除欧洲、北美洲外，大洋洲、亚洲诸国和地区，也 正在计划进一步加快高速铁路的建设。总之，发展高速铁路是科技进步的必然， 是时代发展的需要。 目前开行时速2 0 0 公里以上高速列车的国家已有日本、法国、德国、意大 利、西班牙、比利时、荷兰、瑞典、英国、美国、俄罗斯、中国，正在积极建 设或规划建设的还有瑞士、奥地利、丹麦、加拿大、澳大利亚、韩国、印度等 国。 随着列车高速化的发展，人们对车辆的运行品质的要求也越来越高，近年 来我国的高速铁路发展迅速，对车辆的运行品质也提出了较高的要求。改善机 车车辆的运行品质，即高速机车车辆的运行平稳性主要是借助于转向架结构参 数和悬挂系统参数的设计优化来实现。悬挂系统参数对机车车辆性能的影响常 常是相互矛盾的，因此悬挂系统的设计是综合了多方面因素的折中结果怛1 。 机车车辆的悬挂系统与车辆的两个主要性能即平稳性和稳定性密切相关。 目前应用的悬挂系统主要有三种：被动悬挂，全主动悬挂和半主动悬挂。传统 的被动悬挂系统由于其弹性元件和阻尼元件的参数不能实时调节，因而不能使 机车车辆的乘坐平稳性和操作舒适性同时达到最优【3 4 l 。全主动悬挂系统结构 复杂，成本高，难以应用；阻尼可调的半主动悬挂系统与全主动悬挂系统相比， 虽然在振动控制方面的性能略差，但其结构相对简单，价格低廉。同时，在控 制品质上又能接近于主动悬挂，因而有着广阔的应用前景。特别是流变型阻尼 器的出现，加快了半主动悬挂产业化的进程。在目前机车车辆营运速度迅速提 高的情况下，采用阻尼调节的半主动悬挂系统应用前景广阔【孔7 l ! 由于极性分 子型电流变液的出现，使原本由于产生的可变阻尼力过小而无法在列车主动悬 挂上应用的电流变液阻尼器有了应用的可能。 1 2 半主动悬挂及电流变液阻尼器的研究现状 半主动悬挂是1 9 7 4 年由美国加州大学戴维斯分校机械工程系 ( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a , d a v i s ，c a l i f ) d e k a m o p p 教授等提出的一种半主动 隔振方案在车辆上的实现，采用无源但可控的阻尼器，根据预定的阻尼控制规 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 律，及时调节阻尼力。半主动悬挂的提出虽晚于主动悬挂，但比主动悬挂结构 简单、成本低，而且性能接近于主动悬挂【8 ，9 j ，另外由于不要专用能源装置， 这对各种运载工具来说是一个突出的优点，因而受到重视，有较好的发展前景， 但仍需要进一步研究阻尼控制规律、改善性能。半主动悬挂可以在一定范围内 对执行元件的阻尼系数或者刚度系数进行调节。一般地，车辆悬挂弹性元件需 要承担车身的静载荷，因而在半主动悬挂中实施刚度控制比阻尼控制困难得 多，目前，半主动悬挂的研究基本上局限于阻尼控制的研究。半主动悬挂可以 根据阻尼系数的调节调节方式分为连续可控的半主动悬挂和分级可控的半主 动悬挂。 1 9 8 3 年，日本丰田汽车公司就已将阻尼系数可两级切换的半主动悬挂应 用于t o y o t as o a r e r 2 8 0 0 g t 轿车上。在2 0 世纪8 0 年代中、后期，日本的三菱 汽车公司和n i s s a n 汽车公司分别在本公司生产的某些车型的轿车上采用了电 子控制半主动悬挂系统。l e x u s l5 4 0 0 型轿车的电子控制悬挂系统是一种较 典型的半主动悬挂系统。该系统采用了充有压缩空气的空气弹簧，弹簧的弹性 可在“软”与“硬之间切换阻尼器则有三种不同的阻尼特性可供选择。轿车 行驶过程中，电子控制单元能够根据各种传感器的输入信号，选择最佳的空气 弹簧的弹性与阻尼器阻尼特性的组合，从而获得良好的乘坐舒适性和较高的安 全性【1 0 1 。 1 9 8 8 年，n i s s a n 公司研制开发了一种所谓声纳半主动悬挂装置，并首先 选装在m a x i m a 型轿车上。其原理就是通过发出的声纳信号进行路面搜索，同 时将来自路面的反射波信号进行接收识别】。 2 0 0 2 年德国采埃孚萨克斯公司宣布，该公司最近与另一家名为兰齐亚的 汽车公司合作，开发出了一种能自动识别道路状况的半主动悬挂系统自动连 续调节阻尼控制系统( c d c ) 。据称，这一系统不仅可以装配在诸如法拉利等 赛车上，还可以安装在其他高级轿车上【1 2 】。 日本5 0 0 系为了提高列车的舒适性，在两头车厢( 1 ，1 6 号车厢) 安装了 主动悬挂系统，而在安装受电弓的车厢上( 5 ，1 3 号车厢) 和绿色车厢( 8 ，9 ， l o 号车厢) 上安装了半主动悬挂系统。装用半主动悬挂装置后，列车的乘坐 舒适性从“普通”区域提高到“良好 一“普通 区域。装用半主动悬挂系统 的5 0 0 系列新干线动车无论运行在明线或隧道内，都改善了乘坐的舒适性。实 际运用袭明，这种列车在3 0 0 k m h 速度运行时的乘坐舒适性与以往2 7 0 k m h 速度运行时的一样或者更好。为了进一步改善乘坐舒适性，仍将继续研究改进 半主动悬挂系统的结构和性能【1 3 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 日本7 0 0 系新干线采用了半有源悬挂系统。不仅在车体发生摇动时需要使 阻尼器向抑制振动的方向动作，且在由于轨道的影响使转向架发生振动时，为 使振动不向车体传递，也要求横向阻尼器具有相应的动力衰减能力。为此，需 要测出车辆的横向运动加速度，控制衰减系数可变的横向阻尼器的动作，从而 提高乘坐舒适性。与5 0 0 系客车一样，本系统安装于两个头车( 1 号、1 6 号车) 、 装有受电弓的车厢( 5 号、1 2 号车) 以及头等车厢，这对于实现“提供舒适性 更好的客车 这一目标，具有明显的效果l l 引。 国内一些大学和研究所也做了一些这方面的研究，如西南交通大学的王月 明博士研究了阻尼控制策略的两种实现方式：一是开关型阻尼控制规律，二是 连续型阻尼控制规律。通过对采用无摇枕转向架的高速客车悬挂系统横向模型 的仿真实验，研究了半主动阻尼控制改善车辆运行平稳性的有效性。结果数据 表明，与阻尼最优的被动悬挂相比，采用连续型阻尼控制策略，车体横向加速 度响应的均方根值能降低2 0 2 5 ，加速度最大值能降低4 0 5 0 ，横向平稳性 指标降低约1 0 1 5 t b j 。 铁道科学研究院的姚建伟等对铁道机车车辆半主动控制阻尼器进行了模 糊控制理论研究和产品研制，完成了半主动控制阻尼器的理论分析、仿真计算、 作动器研制、示意图和阻尼特性试验、控制策略的研究、控制器软硬件的研制 等工作【16 1 。 清华大学丁问司博士后针对国内的实际情况，研究了我国高速列车横向半 主动悬挂系统控制策略、高速开关阀控制的横向半主动阻尼器【1 7 , 1 8 】。 西南交通大学的曾京、戴焕云教授等对开关阻尼控制的铁道客车系统的动 力学性能进行了研究，主要包括半主动阻尼器的阻尼参数和半主动悬挂系统的 时滞对客车系统临界速度和随机响应的影响。计算表明，尽管半主动悬挂使客 车系统的临界速度低于被动悬挂，构架的横向加速度和轮轨横向力也要大于被 动悬挂，但它能够大大减小车体的横向振动加速度，改善旅客的乘坐舒适性【1 9 】。 电流变液( e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d s ，简称e r f ) 是一种新型的智能材料， 自1 9 3 9 年w i n s l o w 研究电流变效应以来，其在减振和降噪方面受到了人们的 重视。改变电流变液周围的电场强度，流体的粘度和剪切特性将发生显著的变 化。利用这一特性设计的电流变阻尼器具有响应速度快、结构简单、易于实现 计算机控制、减振降噪能力强等优点，是实现车辆和土木结构智能化振动控制 的新一代高性能装置1 2 0 j 。但是传统的介电模型电流变液体的屈服应力理论上限 只有1 0 k p a ( 一般达不到) ，这使其在铁道车辆上的应用产生了困难。近来极 性分子型电流变液的出现使电流变液体的屈服应力提高了一个数量级以上【2 1 1 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 于是电流变液半主动阻尼器在铁道车辆上便具有了应用的可行性。 1 3 半主动悬挂控制方法的研究现状 在铁道车辆主动半主动悬挂的研究领域内，对控制方法的研究主要集中在 控制策略上。原因是控制策略在很大程度上决定着控制性能和控制方法的可实 现性。近年来国外很多研究人员都在致力于将控制领域内的各种控制策略应用 于铁道车辆悬挂系统。 总的说来可以将各种控制策略分为两大类：基于被控系统模型的控制策略 和不需要建立被控系统模型的控制策略1 2 2 j 。 1 3 1 基于被控系统模型的控制策略 基于被控系统模型的控制策略包括：线性最优控制、鲁棒控制、自适应控 制和预测控制等。 线性最优控制可以分为两类：线性二次最优调节器( l q r ) 和线性二次高 斯型最优控制( l q g ) 。l q r 和l q g 都将被控对象视为确定性系统，采用被 控对象的状态响应和控制输入的加权二次型为性能指标，从容许控制z f ( f ) = 缸 中求得最优控制“( r ) ：k x ，使得性能指标达到最优。不同的是l q r 考虑了确 定性系统模型下的环境不确定因素。由于线性最优控制采用系统精确的数学模 型，而铁道车辆在运行过城中有很多不确定因素( 如乘客数量的变化) 。因此， 虽然大量的仿真结果表明线性最优控制对车体的振动具有很好的控制效果，但 是在实际应用中并不会达到预期的控制效果。此外，线性最优控制一般需要获 知系统的各个状态型心，对于铁道车辆实际系统来说，准确实时的测量大量的 位移、速度等状态信号是困难的。 鲁棒控制包括线性鲁棒控制和非线性鲁棒控制，两种典型的鲁棒控制策略 是玑控制和方法。鲁棒控制考虑了系统的不确定性，得到的控制器具有很 强的鲁棒性，既能处理对象具有不确定性时的鲁棒控制问题，又能在干扰功率 谱不确定的情况下实现满意的控制性能。此外，虽然在设计过程中考虑了系统 的不确定性，但鲁棒控制器具有确定的结构和参数，可以避免大量的在线计算。 铁道车辆悬挂系统是一个复杂的系统，含有很多非线性因素，很多参数都不是 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 确定不变的，因此，铁道车辆主动悬挂采用鲁棒控制是比较合适的。 自适应控制包括模型参考自适应控制和自校正控制。自适应控制是一种能 够实时调整控制器参数和结构的控制策略，因而控制效果较好。但是自适应控 制系统需要大量的在线计算，对控制系统硬件的要求比较高，难以很好的保证 实时性和收敛性。对于铁道车辆悬挂系统来说，建立一个合理的参考模型是非 常困难的，一般比较适合采用自校正控制。 预测控制也称为模型预测控制( 御c ) ，是近年来发展起来的一类新型计 算机控制算法。预测控制根绝被控对象和激扰的历史信息判断将来的输入和输 出，一优化补偿函数或性能函数为优化目标计算出控制量。预测控制的优化过 程不是一次离线完成的，而是在有限的移动时间间隔内反复的在线进行。如果 模型和过程匹配错误，或者是由于系统的不确定因素引起的控制性能问题，预 测控制可以补偿误差或根据在线辨识校正模型参数。因此，预测控制很适应复 杂的系统。虽然预测控制能够控制各种复杂的过程，但是设计这样一个控制系 统非常复杂，要有丰富的经验，这也是预测控制不能预期那样广泛应用的主要 原因。此外，预测控制对测量精度的要求非常高，应用于铁道车辆悬挂系统时， 需要精确地得到车辆的运行速度，因此带来的成本和可靠性问题，目前仍处于 探索阶段。 1 3 2 不需要建立被控系统模型的控制策略。 不需要建立被控系统模型的控制策略包括：天棚阻尼( s k y h o o k ) 控制、 模糊控制和神经网络控制等。 天棚阻尼控制实际上是专门针对于振动控制的一种控制策略。1 9 7 3 年由美 国加州大学戴维斯分校的k a r n o p p 教授提出。天棚阻尼控制假设在车体和惯性 系之间安装有一个阻尼器，这个阻尼器的阻尼力为：f s = 一g j ，其中c 。为天 棚阻尼的阻尼系数，岩为车体的绝对速度。天棚阻尼控制的思想就是设法使车 辆悬挂系统施加到车体上的悬挂力等于或接近于天棚阻尼力疋。天棚阻尼结 构控制原理简单、针对性强、减振效果好。其缺陷是仅以车体的绝对速度为依 据确定悬挂力，不考虑转向架的状态，因此对转向架的稳定性不利。此外，采 用天棚阻尼的半主动悬挂容易出现高频颤振( c h a t t e r ) 现象。 模糊控制和常规计算机控制系统的结构形式是相同的，即包括控制器、输 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 入输出接口、执行机构、被控对象和测量装置等五个部分。不同的是控制器 是模糊控制器，模糊控制器包括三部分：模糊器、模糊运算器和解模糊器。 模糊控制器将测量到的测量值转化为模糊量，然后由模糊运算器利用模糊控制 规则对模糊量进行处理而得到模糊控制量，解模糊器对模糊控制量进行解模 糊，将最终得到的确定控制量送到执行机构执行。模糊控制不需要建立被控制 系统的数学模型，这一点尤其适用于铁道车辆这样较为复杂、难以建立准确模 型的系统。但在确定的模糊控制规则时，需要界定系统的输入，一些突发性的 激扰往往会超出输入界定范围，所以这样的突发激扰往往会恶化模糊控制系统 的性能。例如采用模糊控制主动半主动悬挂的铁道车辆在通过道岔时性能就 可能恶化。 构成神经网络的基本单元是神经元，神经元实质上是一种信息处理单元。 基于控制的观点，神经元的模型可以描述为输入处理环节、状态处理环节、输 出处理环节和学习环节等四个部分。在众多的神经网络结构中，多层前馈神经 网络( m f n n ) 是目前应用最广泛也是最成熟的一种网络结构。神经网络控制 利用神经网络作为控制器或辨识器实现对被控对象的控制作用。神经网络具有 无限逼近任何非线性关系的能力，能够学习和适应不确定系统的动态特性，从 这一点上说，采用神经网络作为控制器或辨识器对于较为复杂的控制系统无疑 是合适的。目前神经网络控制的研究大多仍停留在数学仿真和实验室研究阶 段，极少用于实际车辆系统的控制。这是因为神经网络的算法比较复杂，收敛 的速度无法很好的保证，实时性不好。 1 4 论文的主要工作及创新点 论文的主要研究分析了电流变液的机理，对电流变液的性能进行了分析与 选用，对采用此种电流变液体的阻尼器进行了结构设计。通过建立阻尼器的模 型进行计算验证其在铁道车辆上应用的可行性。选用线性二次型最优控制对采 用电流变液阻尼器的车辆模型进行了模拟仿真并分析其对车辆性能的影响。 论文的创新点在于采用了极性分子型电流变液，设计了在铁道到车辆上应 用的电流变阻尼器的结构，为解决电流变液阻尼器难以产生较大可变阻尼的问 题提供了一种方案，并其进行了应用可行性进行了仿真分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章电流变效应的特性与机理 电流变液( e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d s 简称e r f ) 是固体微颗粒在基液中组成 的悬浮液( 也可为均相液体，如液晶) 。在外加电场作用下，它们的结构和性 能表现出独有的特征，可在瞬间( 干分之一秒左右) 由液态转变成固态，其粘度 陡然增大以至失去流动性。在电场作用下的电流变液表现出类似固体的行为， 具有一定的屈服应力，且随外加场强增加，材料的强度增加，即性能可由外加 电场连续调控。当外场撤除后材料迅速恢复到原来的状态。 智能材料和结构系统的研究是近年来一个非常活跃的研究领域。由于电流 变液的这一特性能够实现电场与力矩之间的可控、无级和可逆传递，特别适合 于在机电耦合系统中的应用。电流变器件响应迅速、能耗小、控制方便，在车 辆悬挂的半主动控制和结构振动控制方面显示了诱人的发展前景。电流变器件 的广泛应用依赖于电流变液体材料的研究与突破。因此新材料及作用机理的研 究一直备受瞩目。 2 1 电流变技术的发展现状 人类对电流变液及其应用技术的研究可以追溯到1 9 世纪末的1 8 9 6 年。 d u 弹2 2 j 在研究静电力对某些绝缘油机械特性的影响时，着重研究了电场对流体 粘度的影响。a n d r a d e 乃j 认为表观粘度增大可归因于两个原因：a 极性分子在 电场中的有向排列；b 离子在电极附近的聚集。s o k o l o v t 2 4 】对电粘效应做了大 量的实验和研究，把电粘效应看成是电场引起的次级流动扰乱了原来的 p o i s e u i l l e 流动。但电场作用下的电粘效应粘度改变量很小，最大不超过2 0 0 ， 这产生电流变效应时粘度的改变量相差很大，这种电粘效应与目前所理解的电 流变效应是完全不同的概念。 现代电流变学的研究是以美国学者w m w i n s l o w 为创始人的。w i n s l o w 从1 9 3 9 年即开始了电流变的技术的研究工作，大致在1 9 世纪4 0 年代至5 0 年 代，他发表和申请了许多有关电流变效应、电流变液体材料和电流变液体工程 应用方面的论文和专利。可以说电流变技术的概念是他首先用自己的全部工作 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 形成和建立的。w i n s l o w 在电流变技术发展中的功绩有三个方面：第一，他发 现和找到了具有较强电流变效应的电流变液体及配置这种液体的材料；第二， 最早发现电流变效应应用于工程实践的可行性和他极其宝贵的价值，并以自己 发明的电流变液体为工作介质设计和研制了多种可供工程应用的新器件和新 装置；第三，通过大量的观察和实验研究，阐明了电流变液体产生电流变效应 的机理。尽管目前看来这些阐述是不完善的，但是他把电流变效应的成因归结 为两相悬浮液中的固体粒子在电场作用下极化形成纤维状或链状结构，这种结 构重新排列的粒子可以使液体的表观粘度增加，同时链间粒子极化后的相互作 用可以承受外界的横向剪切力，表现为某种固态特性，这在电流变研究史上是 有重要意义的1 2 0 1 。 在电流变液发现后立即引起科学界的极大关注，但由于早期简单的电流变 液在应用中面临着一些严重的技术问题，如悬浮液的屈服应力低、稳定性较差、 易发生沉淀、含水易挥发、适用温度范围小( 因为含水) 等使其在实际中的应 用受到了限制。早期的电流变液研究主要集中在含水电流变材料的研究上，如 淀粉，石灰石，明胶等，连续相中使用硅油和碳氢油类等低电导率、低介电常 数的液体。形成了“水桥理论”、“双电层重叠理论以及极化模型等解释电 流变现象。由于这些颗粒需一定量的水或其他极性分子作激活剂，导致电流变 液的使用温度过窄，使得在其后相当长的一段时间内，电流变技术的研究并未 形成规模。 自2 0 世纪8 0 年代初，电流变液及其应用的研究在全世界范围内掀起了新 的高潮，其主要原因是1 9 8 5 年b l o c k 首次研制成功有机半导体类非水型电流 变液，使电流变液的各项性能得以提高，越来越接近实用。这种材料的研制成 功，标志着电流变液研究新阶段的开始，也是电流变液迈向应用化发展的里程 碑。无水电流变材料克服了含水电流变材料的多种缺陷，特别是有了一个较宽 的工作温区。同时也诞生了一些新的理论以解释新的无水电流变现象，如电导 模型，介电失配理论等【2 5 j 。 国际上研究电流变较多的国家有英国、日本、美国、前苏联( 6 0 年代开 始) 。除上述国家外，中国也是一个对电流变技术研究投入较多人力和物力的 国家之一。我国从2 0 世纪8 0 年代末期开展电流变技术的研究。在国家自然科 学基金委员会和许多省、部委行业的支持下，国内有中科院物理所、化学所、 复旦大学、清华大学、北京理工大学、西北工业大学、中国科技大学、哈尔滨 工业大学、香港科技大学等许多单位都进行了这方面的研究。电流变技术在国 内的研究是由北京理工大学魏宸官教授首先倡议和最早开展的，于1 9 8 9 年立 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 项研究电流变技术，目前北京理工大学拥有技术手段相当良好的电流变技术实 验室。 传统电流变液是基于颗粒极化产生的相互作用，根据介电理论预测，其剪 切屈服应力的上限约为1 0k p a 。电流变液被发明5 0 年来，阻碍其应用的一个重 要原因是剪切强度低，近年来发明的“极性分子型电流变液 是一类新型电流 变液，其屈服应力比传统电流变液大一个数量级以上，且与电场强度呈线性关 系，这一点和传统电流变液中的平方关系也明显不同【2 。这些现象都无法用传 统的介电理论解释。极性分子型电流变液体高的屈服应力和建模计算的方便性 为电流变液的应用起了极大的推进作用，也让电流变液阻尼器在铁道车辆上的 应用具有了可行性。 2 2 电流变液体的结构特征、性能要求及分类 电流变液体是发展电流变技术的基础，没有性能良好的电流变液体，就难 以开发出工程应用所需要的性能优良的电流变其间和装置。半个多世纪以来。 有众多国家的科技工作者，在从事着电流变液体的研制和开发工作，仅电流变 液体的专利就有百项之多。本节将介绍电流变液体的结构特征、性能要求及分 类。 2 2 1 电流变液的结构特征 电流变液的机构特征分为静态结构特征和动态结构特征【2 5 1 。 ( 1 ) 静态结构特征 在外电场作用下，电流变液性能的变化通常认为与其内部颗粒结构的排列 形式密切相关。电流变液内部颗粒结构的排列不仅需要一定时间，而且还受到 许多因素的影响，如外加电场强度、颗粒浓度和基液粘度等。研究电流变液颗 粒结构排列的形式，对研究电流变效应的机理和电流变技术的发展都具有重要 的意义。 h a l e s y 讨论了静态条件下电流变液结构演化的热动力学，认为电流变液结 构演化过程可分为两个阶段：聚集阶段( a g r e g a t i o nr e g i m e ) 和粗化阶段 ( d e n s i f i c a t i o nr e g i m e ) 。在第一阶段，在外电场作用下，颗粒在毫秒量级的 时间内聚集成沿电场方向的链或柱状结构，这些链或柱在第二阶段又会逐渐聚 集成更粗的链或柱，相对于第一个阶段，第二阶段是一个较缓慢的过程，并且 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 柱的粗化时间与所加的电场强度无关。r t a o 教授用介电极化模型模拟厂电流 变液在稳态下的基态结构，表明电流变液在类固体状态时呈体心四方结构 ( b c t ) 。晶格矢量如图2 1 所示。c h e n 等通过激光散射以及w h i t t l e 等采用 全新的散射理论进行的激光散射实验都证实了这种结构。d a v i s 利用偶极子近 似对涉及金属球的系统进行了研究，认为当：s p 勺时，电流变液可以具有 三种结构形式：体心四方结构、面心立方结 构和体心立方结构，但体系的表面能有利于 b c t 结构的形成。f r i e d b e r g 利用偶极子近似 所做的模拟也证实了b c t 晶格结构，t a m 也 发现b c t 结构为电流变液的基态结构。 r t a o 教授还对e r 流体的相变过程进行 了研究，发现在增加电场强度的过程中e r 流体结构要经历两次变化，颗粒在电场作用 下先排列成链再聚集成柱，并把这一过程称 为相变。即存在两个临界电场耳，和戽，且 图2 1电流变液的颗粒柱 e c ： 臣，当电场强度e 乓。时，电流变液 b c t 晶格结构 是一种无序状态，不存在长程有序结构；当 戽 e 耳，时电流变液变成一种固态结构，其理想结构为上图所示的体心四方结 构。 关于电流变液颗粒柱结构的排列形式，人们还做了许多理论及计算机模拟 工作，而且利用不同的光学方法研究过电流变液三维结构变化。d u a n 等还报 道了使用声学方法对电流变液相变过程的表征。尽管许多的证据表明电流变液 的基态是b c t 结构。但是，由于实际的电流变液受到了许多因素的影响，如 颗粒尺寸和形状的多分散性、电极阻力和在简单模型中未包含的其它作用力 等，因此，可以说此复杂系统的结构特征依然不是十分清楚。 ( 2 ) 动态结构特征 电流变液的动态响应研究主要包括两部分：一是结构的动态变化过程；二 是其力学性能的动态变化过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 t a n g 等研究了电流变液在流动条件下的结构变化过程。p e n g 等报道了在 两个同心圆筒间进行剪切时电流变液的流线分布，流速重新分布时间约为十几 个毫秒。在c o u e t t e 流和p o i s e u i l l e 流的测试中，几种不同的电流变液都表现出 十毫秒量级以上的应力响应时间。1 9 9 3 年p e e l 在对一种基于电流变液的阀门 的压力对电场的响应研究时，发现响应与流速和施加的电场强度有关。1 9 9 5 年t n a k a a 报道了电流变液在平行平板间剪切时剪切应力随外加阶跃电场的关 系，得到响应时间为几十毫秒量级。g i n d e r 研究了在稳恒电场和剪切速率下场 致应力的变化，以及多种电流变液对交流和直流方波电场的响应，发现电流变 液的剪切应力的下降过程比上升过程要快得多。 t a m u r a 利用偶极子模型，将极化颗粒等效为电偶极子，用分子动力学方 法模拟电流变液的p o i s u e u i l l e 流动，得到与实验相似的结果。g a o 等考虑边缘 效应模拟得到电流变液p o i s u e i l l e 流动中颗粒运动速度不仅有柱塞区，同时在 接触区还出现“呼吸式”的跃迁状态。z h a o 等利用等效平板电导模型，考虑 颗粒质量，研究了p o i s e u i l l e 流动特性。 由于对电流变液动态响应的理论和实验研究方法、手段和实验对象的不 同，所得到的研究结果也不同。但从这些研究结果中可发现电流变液的结构和 力学响应与电流变液本身的电学性质、流体受到的剪切和流动状态及# 1 - ) 3 1 3 电场 等密切相关。在静态条件下，电流变液的结构响应时间是由颗粒间场致吸引力 和基液的粘度所决定，前者远大于后者。 2 2 2 电流变液体的分类 近年来由于极性分子型电流变液的出现，其原理和传统的介电模型电流变 液存在重大区别。因此简单的说，电流变液体可以分为两大类：传统介电型电 流变液体和极性分子型电流变液体。 ( 一) 传统介电型电流变液 从电流变技术出现以来，国内外报导介电型电流变液体种类很多，为了便 于研究分析，大致可按如下方法分类【2 。 ( 1 ) 根据体系中是否含有水可以分为：含水电流变液体、无水电流变液体。 ( 2 ) 根据体系的组成情况可以分为：单相的电流变液体、两相的悬浮液体。 ( 3 ) 根据体系中所含粒子的成分不同可以分为：含有无机化合物固体粒子 的电流变液体、含有有机化合物固体粒子的电流变液体、含有由复合材料构成 的固体粒子的电流变液体、同时含有电极化性能和磁极化性能粒子的电磁流变 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 液体。 ( 二) 极性分子型电流变液体 极性分子型电流变液体是不同于传统的介电型电流变液体的一种新型的 电流变液体，其在电流变效应产生的过程中起主导作用的是极性分子，其固有 电偶极矩在电场作用下排列整齐，产生强大的相互作用力。而介电型电流变 液则是非极性分子受电场作用产生感应电偶极矩，感应电偶极矩要比固有电偶 极矩小得多，相差1 0 3 以上。虽然在传统的含水电流变液体中的水也是极性分 子，但是其中的水是作为添加剂加入的，而不是在电流变效应中起主导作用， 因为水分子要是在电场中取向是要被击穿的( 在2 3 节中有详细介绍) 。 2 2 3 对电流变液体的性能要求 理想的电流变液体，其性能应满足如下的要求【2 0 】： ( 1 ) 应有明显的电流变效应即在电场的作用下，应能产生尽可能高的 电致屈服应力，这样在低剪切速率时液体的表观粘度就可能有明显的增加，或 液体的抗剪屈服应力有明显的增加。目前从粘度的角度看应能使电流变液体从 液态转入固态，抗剪切能力越高越好，取消电场后，能立即恢复无电场时的粘 度或性能，无迟滞现象发生。 ( 2 ) 达到固化状态的电场强度应越低越好过高的电场强度会使电流变 液体击穿，在两极间产生放电现象，会使电流变液体的成分发生化学变化，从 而变质，影响使用寿命。一般电场强度不应超过3 5 k v m m 。 ( 3 ) 基础液体的绝缘性越高越好或它的电导率越低越好当它与分散相 形成电流变液体时，相应的电导率也应较低，这样一方面可以通过提高施加的 电场强度提高电流变效应，同时也由于液体的电导宰低，通过两极间的电流小， 因而在同样的电场强度下，控制电流变效应所需的电功率可以降低，这对于工 程应用无疑是极为重要的。 ( 4 ) 电流变液体的化学性能应十分稳定对各种外界条件，如温度、湿 度、长期贮存等不应敏感，使它在长期使用和贮存过程中性能保持稳定，不发 生退化、变质。 ( 5 ) 电流变液体的基础液的比重最好能与固体粒子接近这样可以防止 悬浮于基础液体中的分散相粒子的过快沉淀，或延迟分散相沉淀所需要的时 间，使电流变液体的物理性能和电流变性能保持稳定。 ( 6 ) 电流变液体应该是无毒的以保证使用中工作人员的人身安全。另 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 外也不至于在发生泄漏或检修产品时造成严重的环境污染，影响电流变技术大 面积在工程应用中的推广。 ( 7 ) 电流变液体应易于大批量生产制造，而且价格低廉 ( 8 ) 电流变液体最好是无水型的早期的电流变液体，为了提高它的电 流变效应，面体粒子往往是含水的，而且水是作为一种强化和促进电流变效应 的表面活性剂添加在电流变液体中，但含水的电流变液体所带来的缺点是，降 低了液体的绝缘性，液体在较低的电场强度下可能被击穿。另外，含水的电流 变液体的使用温度范围有一定的限制，温度低于o 。c 会造成水的冻结，温度高 于1 0 0 会使液体中的水汽化。为此，目前电流变技术的科研工作者正致力于 开发无水型的电流变液体，其允许的工作温度可达一5 0 1 5 0 。 ( 9 ) 电流变液体在无电场作用时的粘度应尽量低这样就可以使电流变 液体有较宽的粘度调节范围，也扩大了其应用范围。 ( 1 0 ) 电流变液体应无腐蚀性从物理性能上讲，其固体粒子的硬度要适 中，尽量减少对金属的磨蚀作用，这一方面避免了金属磨损粒子对电流变液体 的污染，防止电流变液体性能的下降，另一方面也延长了工作器件的使用寿命。 从化学性能上讲，要求其惰性较强，不易和所接触的介质发生化学反应，以使 工作器件和液体本身都发生质变。 2 3 电流变效应的机理 为了解释和定量描述电流变液在电场下的这种奇特的行为人们建立了各 种模型试图解释电