（机械设计及理论专业论文）简易磁流变减振器的研究.pdf

海大学坝十学位论文 摘要 论文研究工作针对磁流变减振器价格昂贵的问题，进行了简易磁流变 减振器的开发研究工作。针对引起磁流变减振器价格昂贵的主要原因，磁 流变液用量大和密封的问题，考虑应用多孔材料来开发简易磁流变减振器， 简易磁流变减振器磁流变液用量小并且无需密封，大大降低了费用，拓展 了半主动控制磁流变减振器在工程上的应用，本论文介绍了在该方面的一 些初步研究工作。 论文第一章介绍了课题工作的意义和国内外的研究情况，介绍了课题 研究工作的主要目的和任务。论文的第二章，对两种智能材料e r f 和m r f 的制备、流变机理等方面进行了全面的描述和说明，并就其应用研究现状 做了总结，同时也阐述了m r f 相对e r f 的优点及在应用中的优势。 在论文的第三章，对磁流变体的静态屈服应力测试方法和测试原理进 行了详细的说明，分析各种测试方法的优缺点，通过评估选定碟片式作为 本实验的测试方法，搭建实验台测试l o r d 公司的磁流变产品，经实验数 据对比，阐明引起误差的可能原因，增强了对磁流变现象的感性认识。 在论文的第四章，从材料的选取、磁路设计、多孔材料的工作机理、 减振器的结构设计等方面对简易磁流变减振器进行了开发，设计出了实验 样机，并对简易磁流变减振器进行了初步测试。 在论文的第五章，推导了简易磁流变减振器的阻尼力公式，应用 m a t l a b 仿真工具研究了其在p i d 控制下的减振效果，结果证明有效。 关键词：磁流变液，磁流变液性能，简易磁流变减振器，p i d 控制 v 卜海 学坝j 学位论义 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es i g n i f i c a n c eo fl o w c o s tm r fd a m p e r sr e s e a r c h a n ds e m i a c t i v ed e v i c e sf o rv i b r a t i o nr e d u c t i o nw a sp r e s e n t e d am a j o rb a r r i e r t ow i d e s p r e a dc o m m e r c i a la c c e p t a n c eo fc o n t r o l l a b l em r fd a m p e r si st h e i r r e l a t i v e l yh i g hc o s t ，w h i c hi sl a r g e l ya t t r i b u t e d t ot h es t r i n g e n td y n a m i cs e a l r e q u i r e m e n ta n dt h ev o l u m eo fm r f l u i du s e d h i g hq u a l i t ys e a l sa r er e q u i r e d m a i n l yt op r e v e n tl e a k a g eo ft h ef l u i d i t i st h u sp r o p o s e dt ou s et h ep o r o u s m a t e r i a lc o n c e p t ，i nw h i c ht h em rf l u i di sc o n t a i n e db yc a p i l l a r ya c t i o n t h u s ， i nm r fa p p l i c a t i o n s ，t h ee x p e n s i v es e a li sn ol o n g e rr e q u i r e d t h ep o r o u s m a t e r i a ls e r v e st ok e e pt h em rf l u i dl o c a t e di nt h ea c t i v er e g i o nw h e r et h e m a g n e t i cf i e l di sa p p l i e d o n l yam i n i m u mv o l u m eo fm r fi st h u sr e q u i r e d b a s i n go ni d e a ，t h ep r i m a r ys t u d yo f l o w c o s tm r f d a m p e r w e r ec a r r i e do u ta n d i n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i n c h a p t e ro n e ，t h ep r o j e c ts i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hb a c k g r o u n dw e r e r e v i e w e d t h ep r o j e c tp u r p o s ea n dm a j o rr e s e a r c ht a s kw e r ea l s oi n t r o d u c e d i n c h a p t e rt w o t w os m a r tm a t e r i a l s - - e r fa n dm r f - w e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s ， i n c l u d i n g t h e i r s y n t h e s i s m e t h o da n d r h e o l o g i c a l m e c h a n i s m t h el a s t d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fe r fa n dm r fw e r es u m m a r i z e d c o m p a r et o e r f , t h ee x c e l l e n c eo f m r f i na p p l i c a t i o nw a sa l s oi n t r o d u c e d i nc h a p t e rt h r e e ，t h et e s t r i gf o rm e a s u r i n gm r fs t a t i cy i e l ds t r e s sw e r e i n t r o d u c e da n dd e v e l o p e d t h et e s t - r i gw a sa p p l i e dm e a s u r et h ep e r f o r m a n c eo f m r fo f f e r e db yl o r dl t d ( i nu s a ) t h et e s td a t aw e r ec o m p a r e dw i t ht h e o r i g i n a ld a t ap r o v i d e db yt h ec o m p a n y t h ec a u s eo f e r r o r sw e r ep r e s e n t e da r e a n a l y z e d t h i s w o r ke n h a n c e dt ot h ei n t u i t i o no fm a g n e t o r h e o l o g i c a l p h e n o m e n o na n dp r o v i d e st h em e t h o dt om e a s u r em r f p e r f o r m a n c e i nc h a p t e rf o u r , t h ew o r ko nd e v e l o p m e n to fl o w c o s tm r fd a m p e rw a s 海人学坝l 。学位论文 p r e s e n t e d t h ec o n s i d e r a t i o no fd e s i g n ，s t r u c t u r ed e s i g n ，m a t e r i a l ss e l e c t i o n ， m a g n e t i cc i r c u i td e s i g nw a si n t r o d u c e di nd e t a i l s t h ep r i m a r yt e s t so nt h e l o w c o s tm r fc o m p o n e n tw e r ea l s oc a r r i e do u ta n dt e s tr e s u l t sw e r ea l s o p r e s e n t e da n da n a l y z e d i nc h a p t e rf i v e ，t h ep e r f o r m a n c eo fl o w - c o s tm r fd a m p e rw a ss i m u l a t e d t h e o r e t i c a l l y t h ep i dc o n t r o ls y s t e mw a sa d o p t e df o rl o w c o s tm r fd a m p e r a n dt h es y s t e mw a ss i m u l a t e dt h r o u g hu s i n g s i m u l l n k i nm a t l a b t h e r e s u l t sv a l i d a t et h ep e r f o r m a n c eo f s e m i c o n t r o l l e dm r f d a m p e rs y s t e m k e y w o r d s ：m a g e t o r h e o i o g i c a lf l u i d s ，m r fp r o p e r t i e s ，l o w c o s tm r f d a m p e r , p i dc o n t r o l v 卜海入学硕i 学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：鳞日期：剑7 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 海人学顺i 。学位论文 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 在现实生产生活和科学实验中，因为存在各种各样的激励源，于是就产生 了振动现象，有时人们运用振动来为人类服务如离心锤，这是充分利用振动为 人类服务，但大多数的振动对人类是有害的，如地震、强风暴对房屋和桥梁的 破坏，不仅造成了巨大的经济损失，同时也给人类的生命带来了危害和威胁。 根据有关资料显示，2 0 0 5 年1 0 月发生在巴基斯坦的8 级大地震造成8 万人死 亡，l 亿多人无家可归，统计资料显示，直接经济损失高达上千亿美元，这样 的例子很多仅地震每年就给全球带来了巨大的经济损失和人员伤亡。运转着 的机械设备，不论是以圆周运动( 如电动机、鼓风机、齿轮、轴承等) ，或是以 往复运动( 如锻压、冲压机械等) 的形式出现，由于机械部件之间都有力的传 递，因而总是会产生振动。这些振动能量一部分由于振动的机器直接向空间辐 射，称之为空气声：另一部分振动能量则通过承载机器的基础，向地层或建筑 物传递，引发建筑物结构振动，同时也向空气辐射噪声，这叫固体声。这些噪 声超过定程度就会危害人的身体健康，同时振动通过固体作用于人体也会危 害人的健康。强烈的振动甚至会影响机器的寿命和危害建筑物，实验室中的微 小振动就会影响到实验数据的精度和准确性等等。 随着近代工业和科学技术的飞速发展，机械产品的尖端化、精巧化以及各 种工程结构的复杂化、巨型化已成为一种趋势。据有关资料显示，这些机械产 品发生故障和这些工程结构被破坏的原因，绝大多数是由于对它们的动力学特 性考虑欠周密所致，如一些建筑物的设计仍按静力方法加大安全系数作为受动 力使用等。为保证它们的安全可靠、经济美观和良好的工作性能，振动问题已 成为工程技术领域里普遍需要认真研究和解决的重要课题。 所谓振动【1 1 ，就是指物体或某种状念随时间作往复变化的现象。振动包括 机械振动和非机械振动。例如，钟摆的来回摆动，房屋由于风力、地震或机器 设备引起的振动，桥梁由于车辆通过引起的振动，轨枕由于火车行驶引起的振 海大学坝十学位论文 动等，这类振动属于机械振动；另一类振动属于非机械运动的振动现象，例如 声波、光波、电磁波等。 振动的问题一直困扰着人类，自人类有文明史载以来，人类在一直都在不 懈努力想法以消除振动带来的危害，虽没有一种办法能彻底消除振动，但可以 采取措施来减少振动的幅值，减轻振动带来的危害，于是减振器就此诞生。但 因为材料和设计的固有缺陷，不能适应各种恶劣的环境，没有满足预期的要求。 在9 0 年代以前，减振器大多采用弹簧或液压油缸或气囊的形式来设计以达 到“减振”的目的，分为被动式和主动控制式两种。被动式由于设计的限制比 较大，适应性较差，只能较好地适用预定的场合，当条件发生变化时就很难适 应。然而现实中的条件通常是变化的，为了解决这个问题于是出现了主动式控 制，但是结构比较复杂、反应时间慢，虽比被动式更好的适应了条件变化的情 况，但效果由于以上固有缺陷而达不到很好减振的目的，同时出于是能量输出 装置，要消耗大量的能源，代价比较高，只适用于低频和减振要求很高的场合。 随着新材料、新工艺的发展，人们在2 0 世纪9 0 年代发现电流变和磁流变 这两种新材料在电场或磁场的作用下，流体的性能会发生变化，且反应时间比 较以前的材料快，当电场或磁场撤消后，流体的性能又能迅速的恢复，于是大 家都把目光投向了这两种新材料，想利用它们的流变性能来达到减振的目的。 电流变磁流变的应用也带来可介于被动控制和主动控制之间的第三种控制方式 的提出：就是半主动控制。 电流变体和磁流变体都是新型智能性材料，它们都是在2 0 世纪4 0 年代被 首次发现，但接下来的几十年罩人们只热衷于电流变体制各和应用的研究，对 磁流变体的关注却较少，特别是在2 0 世纪9 0 年代处在全世界掀起了研究电流 变的高潮。但到2 0 世纪9 0 年代中期，当涉及到将电流变体应用于实践应用的 研究中时，发现电流变体的一些固有缺陷是没办法克服的，不能很好的解决实 践问题，不能适应各种恶劣的环境而使工业的实际应用很难实现。比如【2 】： 1 、 屈服应力小( 电流变最大屈服应力为2 - 5 k p a ) ，这必将使设计尺寸 和体积过大，消耗大量的电流变液，致使成本很高。 2 、能量消耗大( 一般为2 0 0 0 5 0 0 0 v ，1 - 1 0 m a ) ，这不仅不符合现在节 向大学坝l 学位论文 约能源的思想，同时这是很多现实环境不能满足的，如地震中。 3 、 低的粘性( 0 1 1 o p a s ) 使应用领域受限制。 4 、 操作温度范围窄( 2 0 1 2 5 ) ，这也使得在应用中不得不考虑温度 的影响，在有些场合得考虑冷却，这无疑增加了系统的复杂程度， 必然造成成本增大，费用增高，阻碍了其进一步的推广应用。 5 、 纯度要求高，没有很好的容忍度。只有在实验室爿+ 能满足要求，在 实际使用环境中存在有很多杂质，要达到高纯度是不现实的。 当人们在电流变的应用研究中碰壁后，才在2 0 世纪9 0 年代中期把目光聚 焦在同一时期的产物磁流变体身上，因为磁流变相对电流变有很多优越性， 很快在世界范围内掀起磁流变体研究的高潮，以下为磁流变相对于电流变的优 点：高的屈服应力( 一般最大屈服应力为5 0 1 0 0 k p a ) ，能量消耗小( 2 - 5 0 v ， 1 - 2 a ) ，稳定性好对杂质的可容性好，宽的操作温度范围( 一4 0 一1 5 0 。c ) 、响 应时间快( 仅为毫秒级) 等。 【卜因为磁流变体优越的物理、化学、机械性能，将其应用于工业生产和人 类生活的各个方面将具有巨大的科学价值和实际意义4 】 5 1 ，将从根本上改变传 统工业发展和人类生活水平的现状。将磁流变应用于减振领域，特别是应用在 简易减振器( 物美价廉) 的研究，将大大地丰富磁流变的应用内容，拓展其应 用空间，为其应用推广开拓新的道路。一旦研究成功将解决家电等领域的振动 问题，改变人类的生活环境，具有深刻的科学和现实意义。 1 2 国内外研究概况 磁流变体是一种新型的智能材料，英文名称为m e g n e t o - r h e o l o g i c a lf l u i d ， 简称m r f ，它是一种在表面活性剂作用下软磁性材料颗粒在载液中形成的悬浮 液，其主要特征为：在外加磁场的作用和控制下，液体的表观粘度可以敏感地变 化和快速地增长，直到在某一磁场强度下，停止流动达到固化，并且具有固体 的某些属性，即具有抗剪切的能力，而且这一效应是可逆、可控和高灵敏度的。 目前作为智能材料的重要分支，磁流变体技术已成为材料及控制领域研究的热 点之一。 海人学坝 学位论文 1 一站散质耀粒；2 一氟面活性荆1 3 一戴液 图i 1 磁流变体组成 磁流变体的三个组成部分是弥散质颗粒、载液、表面活性剂，如图1 1 所 示。传统的磁流变体一般是软磁材料颗粒( 羰基铁颗粒、铁钴合金颗粒等，直径大 约3 51 tm ) 在载液( 矿物油、合成油等) 中形成的悬浮液，现在的磁流体范围有 所扩大。非磁性颗粒悬浮于铁磁性流体形成的具有磁流变效应的悬浮液和弥散 质颗粒尺寸为纳米级、组成上与传统磁流体相同的具有磁流变效应的胶体f 传统 上属于磁液范围1 也纳入了磁流体的范围【6 】。 磁流变体的最初发现和发展开始于j a c b r a b i n o w ”1 在2 0 世纪4 0 年代的工 作，巧合的是与w i n s l o w 早期关于电流变体的工作几乎同时。2 0 世纪4 0 年代 至8 0 年代，磁流变技术和电流变技术的发展基本处于停滞状态。2 0 世纪8 0 年 代以来，由于智能材料结构技术和微机械技术的发展，推动了作为机敏执行器 的致流变体( 磁流变体和电流变体) 的发展。首先是电流变技术获得迅猛发展， 后束由于电流变技术在应用中遇到难以克服的困难以及磁流变技术相对于电流 变技术的优越性，人们丌始把注意力转向磁流变技术，现在磁流变技术已成为 全世界研究的热点。 1 21 国外研究概况 国外磁流变技术研究较早，特别是西方国家有许多大公司的参与，保证了 充足的资金供应，从而可以吸引优秀的人才和购买先进的实验设备，因此无论 在理论研究还是在商品化方面，都高于国内水平。研究最多的有美国、白俄罗 斯、德国、f 本、法国和韩国等”3 。 海大学坝l 学位论文 在磁流变体机理研究方面“”“”“，美国加州州立大学的朱耘等用三个临 界场强来描述磁流变体相变的三个阶段，是迄今为止所见资料中最为系统的理 论。该理论认为磁流变体由液态向类固态转变过程中，存在三个临界场强h 。 h 。： h 。当h h 。时，磁流变体系统处于颗粒悬浮，无规则分布“气体”态： 当h 。 h h 。时，出现短链和独立颗粒共存的状态；当h 。： l ( 剪切变稀) 时当量塑性粘度h 。随着剪切应变率的增加 而减小。h e r s c h e l b u l k l e y 粘塑性模型也可以用来描述当时流体剪切增稠的现象。 实际上所有电流变装置可分为以下几种工作模式：( 1 ) 、流动模式，( 2 ) 、剪 切模式，( 3 ) 、挤压模式，以及这三种基本模式的任何组合。 21 2 电流变体存在的缺陷 电流变及其应用研究虽已走过了l o 多年的历程，在电流变液的制备和应用 器件的设计方面都积累了不少的经验，但在其发展过程中，研究人员发现它有 一些缺陷，这也是广大研究人员转头从事磁流变的原因，现就其与磁流变作比 较，总结出存在的缺陷如下： 1 ) 、屈服应力 在外磁场作用下，m r 流变体很容易获得8 0 k p a 以上的屈服应力，而e r 流变体 的屈服应力不能超过2 0 k p a 。 2 ) 、温度范围 m r 流变体能在一4 0 1 5 0 。c 范围工作，且性能变化很小；而e r 流变体的使用范 围较之要小，一般为一2 0 1 2 5 v 。 ： ) 、粘度 尢外磁场作用时，m r 液体可自由流动，其塑性粘度通常在0 2 - - 0 3 p a s 范围 内：而e r 液体较之略高，通常为0 1 1 0 p a s 。 4 ) 、稳定性 i 淘人学颂i 学位论文 m r 液体不象e r 液体那样易受制造和应用中通常存在化学杂质的影响。此外， m r 液体原材料无毒性、环境安全、与多数设备兼容。 j ) 、应用 应用m r 不需要象e r 那样为产生大电场而使用高压直流电源，这大大降低了设 备成本，且易控制，因而更为方便和有效。 2 3 磁流变液的性能4 m i 【5 5 1 22 1 磁流变液的制备 磁流变液主要有磁性粒子、载液和添加剂三个部分组成。 1 ) 、磁性粒子 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，它的磁饱和度能达到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为0 1 1 0 0 # m ，典型值为 3 5 # m ，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 产生的应力最大约为5 k p a 。 从上可知磁性材料颗粒的选择对磁流变液的性能有着根本性的影响，其选择 原则如下： ( 1 ) 、磁流变效应是一种表观粘度变化比较大的可逆变化，因此弥散质颗 粒的矫顽力要小，磁导率要大，尤其是磁导率初始值和极大值必须大。 ( 2 ) 、弥散质颗粒应具有较大的饱和磁化强度，以便使尽可能大的“磁流” 通过磁流变体横截面，从而给颗粒相互间提供尽可能大的能量。 ( 3 ) 、磁流变体在接上交直流工作期间，全部损耗应该是一个很小的量， 这就要求弥散质颗粒的磁滞回线必须狭窄，即磁能积要小( b h 值小) 。 ( 4 ) 、弥散质颗粒在磁流变体中的粒度分布应均匀，且分靠率保持不变， 这样才能保持其高度磁化和稳定性。 ( 5 ) 、弥散质颗粒应具有良好的耐磨性和极高的击穿磁场，以防止在使用 上海夫学顺l 岸位论文 过程中被磨损并改变性能和在磁场作用下的物理化学变性。 ( 6 ) 、一般说来磁流变体的稳定性不应随温度变化而改变，即相当广阔的 温度范围内具有较高的稳定性，这就要求弥散质颗粒的性能至少不应随温度变化 而变化。 ( 7 ) 、由于弥散质颗粒的密度比载液的密度大，因此存在沉降问题，这就 要求在满足其他条件下，应尽量减小弥散质颗粒和载液的密度差异。 2 ) 、载液 载液是磁流变液的丰要成分，其性能对磁流变液具有直接的影响，一般来说， 磁流变液的载液应具有如下的特点： a 、高沸点、低凝固点。这可以确保磁流变液具有较宽的工作温度范围； b 、适宜的黏度，磁流变液的零磁场条件下应具有较低的黏度，要求载液的 黏度越低越好，但黏度越低、沉降稳定性越差。 此外，载液还应该具有化学稳定性好、耐腐蚀、无毒、无异味、价格低廉等 特点。 目6 u m r f 载液主要有以下几类： ( 1 ) 、非磁性液体基载液：主要有硅油、矿物油、合成油、水和乙二醇等。 为确保颗粒的悬浮稳定性，并增加整个磁流变液的流变学性质，一般需要使用添 加剂，如加入各种表面活性剂( 如油酸) 或保护性胶体物质( 如硅胶、硅氧化物等) ， 防止磁性颗粒沉淀及不可逆转的海绵状絮凝。绝大部分的研究和应用都使用这种 类型的磁流变液。美国l o r d 公司的3 种商品化磁流变液是载液分别为合成油、硅 油和水的羰基铁粉磁流变液。水基载液可以克服传统有机载液的聚合、老化、细 菌繁殖且易燃等特点，但要加入一些抗沉淀剂、增稠剂或流变改性剂等来使液体 变稠以降低颗粒沉降。 ( 2 ) 、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 流变液的屈服应力大为提高。由于载液( 磁流体) 的密度提高，使磁流变液的稳定 性增强。在磁性液体载液中加入非磁性的微粒还可以制成“反磁流变液”，铁磁 流体作为载液仅具有微小的磁流变效应，但是微小的磁性颗粒形成的链状聚集可 与较大的非磁性颗粒结合为类凝胶网状体系，从而磁流变效应得以加强。但是这 碑人学倾 学位论文 种悬浮液的磁流变效应较低。 ( 3 ) 、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0 5 , u m 石墨颗粒的未聚合的环氧树脂基体中可制成多用 途磁流变液，这种树脂基体的黏度系数为3 0 0 p as ( 2 0 ) 。使用高黏度的载液可以 有效防止磁流变液的沉降。 载液作为磁流变体弥散质颗粒的载体，在无外磁场作用下，使磁流变体具有 流体的特性。一般载液在磁流变体中所占体积分数大于5 0 ，是决定磁流变体性 能的重要因素之一。 载液的选择原则如下： ( 1 ) 、载液应具有良好的物理化学稳定性，即在磁流变体的使用条件下， 载液的物理化学性质不发生变化，即能够在工作条件范围内不分解、不变质。 ( 2 ) 、载液应具有较高的温度适用范围，至少在一5 0 1 5 0 。c 之间，无明显物 理化学改性。 ( 3 ) 、载液应具有良好的化学稳定性，包括长时间工作条件下的不分解、不 老化。 ( 4 ) 、在磁场的作用下，载液要求具有低的磁能密度和低的磁能损耗，以防 止磁流变体工作期间的过度发热。 ( 5 ) 、载液应无毒和不对环境造成污染和腐蚀。 ( 6 ) 、载液与弥散质颗粒应具有良好的适配性，能形成稳定的磁流变体， 即形成的磁流变体不沉淀，不发生相分离。 3 ) 、添加剂 磁流变液母液的密度一般为l g c m 3 左右，而悬浮颗粒的密度为7 8 c m 3 ， 由于磁性颗粒的密度远远大于母液的密度而造成的磁性颗粒的沉降一直是很难 解决的问题之一。此外，悬浮颗粒的直径一