磁流变阻尼器的设计和性能分析.pdf

设计撇晰 a n d R e se a 磁流变阻尼器的设计和性能分析 王焱玉 孙晓燕 秦展 田 桂林航天工业高等专科学校 广西 桂林 5 4 1 0 0 4 摘妻 提出一种基于磁流变液体 Ma g n e t o r h e o l o g i c a l fl u i d 阻尼器 该阻尼器采用阻尼缸和阻尼阀并联的 结构形式 其长度不受系统气缸行程的限制 其中阻尼阀采用双线圈磁路设计 可有效地减少导磁 轴的横截面积 改善漏磁 该阻尼器具有体积小 结构紧凑的特点 介绍了该阻尼器的结构和工作 原理 阻尼阀的结构设计方法 并通过性能测试实验 分析阻尼器的性能 实验结果表明该阻尼器的 性能良好 可用气动伺服系统 实现系统较高精度的精确定位 配合实时控制系统 可提高系统的稳 定性 精确性 可靠性和快速响应性 关键词 磁流变液体 阻尼器气动伺服系统 De s i g n a n d An a l y s i s O ff t h e MRF Da mp WA N G Y a n y u S U N X i a o y a n Q I N Z h a n t i a n G u i l i n C o l l e g e o f A i r s p a c e T e c h n o l o g y G u i l i n 5 4 1 0 0 4 C H N A b s t r a c t I n t h i s p a p e r a n e w d a mp i s p r e s e n t e d b a s e d o n MR F Ma g n e t o r h e o l o g i c a l fl u i d T h e MR F d a m p c o n s i s t s o f MRF p n e u ma t i c d a mp c y l i n d e r a n d d a mp i n g v a l v e a n d t h e l e n g t h o f t h e MRF d a mp i s i n d e p e n d e n t o f t h e s t r o k e o f t h e p n e u ma ti c s y s t e m F u r t h e r mo r e t h e d a mp i n g v a l v e e mp l o y s t w o c o i l s w h i c h c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e c r o s s s e c o n a n d t h e ma g n e t i c fl u x l e a k a g e Th e d am p h a s c o mp a c t s t r u c t u r e a n d s ma l l e r v o l u me Th i s p a p e r fi rst l y s h o ws t h e s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e d a mp T h e d e s i g n me t h o d s o f t h e MRD a r e i n t r o d u c e d a n d t h e p a r a me t e r s o f t h e d am p a r e g i v e n T h e r e s u l t s o f t h e p e r f o rm a n c e t e s t s h o w t h a t the d a mp h a s g o o d p e rf o rm a n c e i t c a n a p p l y i n p n e u ma t i c s e r v o s y s t e m t o r e a l i z e p i n p o i n t Ma t c h e d wi t h t h e r e a l t i me c o n t r o l s y s t e m i t c a n h e l p t o i mp r o v e s u c h c h ara c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e m a s t h e s t a b i l i t y a l l o c a t i o n p r e c i s i o n r e l i a b i l i t y a n d q u i c k r e s p o n s e an d S O o n Ke y w o r d s MR F M a g n e t o r h e o l o g i c al F l u i d D a m p P n e u ma t i c S e r v o S y s t e m 近年来 许多专家和学者致力于基于磁流变液体 的阻尼器研究 目前在国际和国内有相关报道 但是 用于气动伺服控制的研究较少 本文介绍一种采用流 动模式的分体式阻尼器 该阻尼器具有以下特点 体积 小 结构紧凑 重量轻 阻尼力调节范围大 可配合气动 执行元件实现半主动控制 获得良好的速度平稳性和 较高的定位精度 响到整个系统的性能和各项参数指标 结合气动控制原理 本阻尼器采用流动模式的分 体式结构 图 1 即阻尼器由两部分组成 阻尼缸和阻 尼阀 其中阻尼缸为普通气缸 气缸的结构参数为 缸 径为 2 5 m m 活塞杆为 1 0 m m 为了减小阻尼器的体 积 改善漏磁 阻尼阀采用三段式活塞 双线圈反并 联绕制 形式 1 MI I 阻尼器的结构 2 阻尼阀的结构参数和磁路的设计计算 在气动伺服系统中引入磁流变阻尼器 把它与气 压系统执行元件串联 通过外加磁场的大小来控制 M R阻尼器的制动力 从而调节回路的流动阻尼 通过 传感器实现闭环控制 从而调节控制对象的位移 速 度 方向等参数 以实现精确的传动控制 因此磁流变 阻尼器是整个系统的关键部件 它的性能好坏直接影 4 8 阻尼阀的性能主要取决于结构参数 磁路参数以 及磁流变液体的性能参数 其中关键在于阻尼阀的结 构参数的选择和磁路设计 而结构参数需满足磁路的 要求 根据阻尼阀的磁路示意图 图2 其磁力线 走向为 首先通过直径为D 的阀芯 经过侧翼后穿过 阀体与侧翼间的磁流变液到达阀体 然后再穿过侧翼 簪 zuu 平 幂 朋 维普资讯 与阀体间的磁流变液到达另一侧翼 最后回到阀芯 其中两线圈产生的磁场方向相反 以保证磁场在阻尼 器的中间侧翼为叠加 作用于磁流变液体 图中网格 部分 由图2可知 阻尼器需要设计的参数有 环形 间隙g 阀芯直径 D 侧翼直径 D 阀体外径 D 侧 翼长度 阀芯总长 L 阀体厚度 L 导管 阀蝎善 轴套 缸俸 活塞杆 活塞 阀俸 阀芯 轴 导线 圈 1 MR阻尼器的结构 图2 阻尼器的蠢路示意图 2 1参数的初步确定 1 确定工作间隙g 4 由磁感应强度公式可知 在忽略漏磁的情况下 图2中各段的理论磁场强度为 I t i Bi I 鱼 z o tz s i 式中 为闭合磁路的磁通量 它处处相等 为真空 磁导率 为各传输介质的相对磁导率 s 为磁路各断 面面积 要提高阻尼器的阻尼力性能 主要是提高磁流变 液工作区域的磁场强度 需要整个磁路的磁动势主要 降落在了间隙处 因此阻尼阀要获得较高的阻尼性 能 应使环形间隙处的磁通密度较大 考虑到磁流变 液的相对磁导率远小于阀芯和阀体的相对磁导率 因 此取较小的环形间隙将有利于产生较大的磁通密度 通常g 0 2 5 2 m m 结合本系统的参数 选择 g 0 8 mm 2 工作间隙的有效长度 根据文献 4 有 g L i 0 2 L a iv 为 6 m m则该阻尼器的总有效长度为 1 8 m m 3 漏磁系数 和磁阻系数f 的下限为2 0 上 限为无穷大 的范围为 1 1 厂 1 5 参考相关文献 w D e s Ig n a n d R e s e a n h 设计与研究 确定 2 3 1 8 2 2 磁路材料的选用 材料的选择主要是指选择阀芯和阀体的材料 为达到设计目的 阻尼器线圈通以不大电流时可以获 得较大的磁场强度 并使磁流变液工作区间 环形间 隙 处的磁场强度最大 而非工作区间的能量损失最 小 而不通电流时 阻尼器内剩磁小 阻尼力能在尽可 能短的时问内迅速下降 根据设计要求 磁芯应选择 磁导率高 矫顽力小 磁饱和度高的材料硅钢片 轴 轴 套和端盖材料选用导磁率较小的紫铜 各材料的相对 导磁率分别为 lz 7 0 0 0 M R F 2 5 c 0il 1 2 3 工作点的选择 1 磁芯工作点的选择根据硅钢片的口一 日曲 线 选择其工作点为 B 1 O T 2 磁流变液体工作点的选择磁流变液体的工 作点影响其最大阻尼力 因此其值需根据系统所需阻 尼力和液体的恢复力模型来确定 1 计算系统所需最大阻尼力 设定系统执行 元件的目 标位移为 阻尼器施加阻尼力 F M R 时的位 移为 执行元件在该点的运行速度为 根据能量 守恒有 r 2 2 F M R F 一 1 其中 一 A x为系统控制误差即定位精度 可把 式 1 变形得阻尼力与速度和控制精度的关系 篆 2 根据气动伺服系统的相关参数 计算出系统在控制精 度为0 1 m m时所需的最大阻尼力约 F M R 为9 2 0 N 2 计算磁流变液体的工作点对于流动式阻尼 器 当其激磁线圈产生磁场时 环形间隙中的磁流变液 体产生屈服剪应力 活塞两端的压差为 AP 1 2 q q 1 i v 3 此时阻尼力为 Z 根据已知参数计算得磁流变液体所需最大剪应力 为 丁 2 7 8 k P a 本系统选用的磁流变液体为哈尔滨 工业大学的T id e r M R F 2 7 5 0 其本构关系为应用广泛 的B i n g h a m模型 该模型表述简单 物理意义明显 对 于控制策略还不充分的阻尼器来说 其用于阻尼器的 设计 简单且具有一定的精度 根据 M R F的本构关系 r C 1 1 一e x p 一C 2 B 5 式中 C 1 6 4 7 2 C 2 1 6 3 把 丁 2 7 2 k P a 代入式 维普资讯 设计獭D e s Ig n cln d R e s e a 5 计算出磁流变液体工作点为B 0 3 4 7 即当间 隙处的磁感应强度为 0 3 4 T时 阻尼器产生的阻尼力 满足系统要求 2 4 阻尼阀结构参数的计算 为满足降落在环形间隙处的磁场强度达到工作 点 并考虑漏磁的情况 磁芯的磁通和磁轭处的磁通应 满足 咖 B A o r B g A 6 式中 咖为磁通量 A A 分别为磁芯和间隙的截面积 为漏磁系数 L f L 7 式中 分别为磁芯和间隙的磁场强度 L L 分 别为磁芯长度和间隙长度 厂 为磁阻系数 而磁感应 强度与磁场强度的关系为 H B 1 1 o 8 式中 为真空磁导率 4 叮 1 0 H m 由式 6 7 8 计算得阻尼阀的结构参数为 铜芯直径 D i 6 m m 磁芯直径 D 1 8 m m 磁轭直 径 D 3 2 m m 工作间隙 h 0 8 m m 缸体外径 D 4 3 6 m m 间隙长度 L 6 m m 线圈总长度 L 5 0 m m 磁芯总长度 L 6 8 mm 2 5 阻尼阀安匝数的计算 由磁路基尔霍夫定律得 M 警 9 式中 为线圈匝数 为线圈电流 厶为磁路各段的 平均长度 由于阀芯 阀体等材料的磁导率要比磁流变液高 3 个数量级 式 7 右端求和中可只考虑工作间隙中磁 流变液材料一项 磁路其它各段可忽略 则式 7 可近 似写为 N I 2 B h t z 1 0 计算的阻尼阀的安匝数为4 3 3 取为4 5 0 当电流的上 限值取为 1 5 A时 阻尼阀线圈的匝数为 3 0 0 3 磁路的有限元仿真 为了验证计算参数的可行性 对该阻尼阀进行有 限元仿真 因为阻尼阀为轴对称式结构 因此建立有限元模 型时取阻尼阀的 1 4 采用二维轴对称模型 建立阻 尼阀磁路的模型图 图3 模型中磁流变液 阀芯 线圈 阀体 绝缘体 线圈 与磁流变液间 材料分别用 A A 2 A A A 表示 这 五种材料的相对磁导率分别为 A 2 5 4 5 O z A A 1 A 1 0 0 0 模型单元类 型选为 P L A N E 5 3 二维 8节点实体单元 和远场 P L A N E 1 1 0 并指定各材料类型 根据磁场的分布规律 对各模型进行网格划分 并 对模型加载电流 通过后处理获得阻尼阀的磁路磁通 量图 图 4 图3磁路模型图 图4麓麝蠢蜀分布田 由图可见 磁场大部分落在问隙区对磁流变液体 进行作用 满足阻尼器工作要求 设计计算所得的结构 尺寸基本合理 同时还可看出 阻尼器的阀芯直径 侧 翼长度是影响环形间隙处磁通密度的关键因素 其中 阀芯直径对环形间隙处的磁通密度影响最为敏感 4 阻尼器的性能测试 为了检测所设计阻尼器的性能 同时为磁流变阻 尼气动控制系统的设计及其控制策略的选择提供依 据 我们用济南试金集团有限公司生产的微机控制的 万能实验机对磁流变阻尼器进行阻尼力的测试实验 检验阻尼器在不同电流 速度下 磁流变阻尼器的阻尼 特性 实验的电流控制在 0 1 5 A之间 每隔 0 1 A测 量一次 速度分别选用 1 O 2 O 5 0 1 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 m m s 测量采用电流递增和递减的方式 通过实验数 据分析 我们选择四组数据分别进行拟合 获得运行速 度分别为 1 0 1 0 0 4 0 0 6 0 0 m m s 时 电流与阻尼力的 关系曲线如图5所示 从图中可知 磁流变阻尼器阻 尼力随电流强度 活塞速度幅值增加而增加 电流变 化之初 随着电流增大 阻尼力增大的幅值比较大 当 电流增加到 1 0 A左右的时候 阻尼力增大幅值开始 变小 这是因为 磁场随着电流的增大逐渐趋于饱和 无输入电流时 磁流变阻尼器产生的最大阻尼力随速 度增加而增加 低速时仅为 5 N 高速时为5 0 N 说明 阻尼器在零磁场时内部剩磁少 在速度为 1 0 m m s 等 矿 z u u 昂 朋 维普资讯 D e sig n a n d R e se a c h 设计与研究 电流比例控制器的研究和实现 曹 勇 if 森 申国印 李 良 田盈辉 郑州大学 河南 郑州4 5 0 0 5 2 河南省机械设计研究院 河南 郑州 4 5 0 0 0 1 摘要 在机床自动化的升级改造中 电流比例控制器是为实现自动化加工生产 用来实现与自动化加工工 艺的主机通信 编译主机命令 控制机床电动机执行具体动作的转换接口 关键字 电流比例控制器脉冲宽度调制精简指令集静态存储器 De v e l o p me n t o f Cu r r e n t Sc a l e Co n t r o l l e r C AO Yo n g Z HU ANG S e n S HEN Gu o y i n L I L i a n g T I AN Yi n g h u i Z h e n g z h o n U n iv e r s i t y Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 2 C H N H e n a n M a c h in e r y D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 C H N Ab s t r a c t T h e c u r r e n t s c a l e c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d t o b e u s e d i n r e f o r mi n g t h e o l d ma c h i n e t o o l s f o r a u t o ma t i c ma n u f a c t u r e i t i s t h e t h r o w o v e r i n t e r f a c e w h i c h c a n c o mmu n i c a t e w i t h t h e ma i n f r a me a r r a n g i n g t h e p r o c e s s f o r a u t o ma t i c ma n u f a c t u r e c o mp i l e t h e ma i n f r a me i n s t r u c t i o n s a n d c o n t r o l t h e e l e c t r o mo t o r s i n t h e ma c h i n e t o o l s for e x e c u t i n g t h e s p e c i f i c a c t i o n s Ke y wo r d s C u r r e n t S c ale C o n t r o l l e r P WM RI S C S RAM W D T 在机床加工工件时 工人根据要加工工件的表面 粗糙度 需适时地调整加工工件的进给量 以满足所要 时 磁流变阻尼器产生的最大阻尼力为5 2 5 N 而速度 为6 0 0 m m s 时 磁流变阻尼器产生的最大阻尼力可 达9 8 0 N 满足系统需要 Z R 墨 5 结语 圈5 不同速度下 电流与阻尼力的关系曲线 本文设计了用于气动控制系统的 M R阻尼器 通 过详细的理论计算 得出其各项参数 并通过有限元磁 路仿真和实验检测 从仿真结果和实验数据可知 该阻 尼器具有良好的性能 阻尼力的调节范围大 可以配合 控制系统 实现气动伺服系统的较高精度的精确定位 LUU 簪 孝 平 帚 c 朋 和平稳的运行速度 对于一般的气动伺服系统 定位 精度可达 2 m m 参考文献 1 Ma r k R J o l l y P n e u ma t i c Mo t i o n C o n t r o l Us ing Ma g n e t o r h e o l o g i e a l F l u i d T e c h n o l o g y 2 7 i n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n S ma r t Ac t u a t e s a n d T r a n s d u e e r s I C A T 1 9 9 9 2 关