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磁流变材料与磁流变阻尼器的潜在工程应用 廖昌荣 余 淼 陈伟民 黄尚廉 重庆大学光电工程学院智能结构研究中心 重庆 400044 摘 要 磁流变材料由悬浮于载体液中的磁化微粒和稳定剂构成 是一种智能材料 在工程上有 较大的应用前景 简要介绍了磁流变效应的机理及磁流变体的特性 阐述了磁流变器件的工作原 理 归纳了磁流变技术在工程中的一些应用 展望了磁流变技术的应用前景 关键词 磁流变效应 磁流变体 磁流变器件 中图分类号 TB381 文献标识码 A 文章编号 1000 3738 2001 01 0031 03 Magnetorheological Materials and Potential Application of Magnetorheological Damping Devices in Engineering LIAO Chang rong YU Miao CHEN Wei min HUANG Shang lian Chongqing University Chongqing 400044 China Abstract Magnetorheologyical fluid which consist of suspensions of magnetic particle and stabilizer in a carrying fluid are regarded as one of the most versatile materials available for applications in engineering The principle of magnetorheological effect MRE and the properties of magnetorheological fluids MRF are briefly introduced in this paper The work principles of magnetorheological damping devices are illustrated and some ap plication of magnetorheological technique in engineering are presented The future of magnetorheological technique is prospected Key words magnetorheological effect magnetorheological fluid magnetorheological device 1 引 言 磁流变效应 magneto rhelogical effect 简称 MRE 是磁流技术的基础 在 20 世纪 40 年代 Rabi now J 首次发现磁流变现象 1 在外加磁场的作用 下 某些流体的粘度会迅速发生显著变化 流体的流 动屈服应力增大 从而改变其流变特性 当去掉外加 磁场时 流体又灰复到原来的状态 其响应时间仅为 几毫秒 这种现象称为磁流变效应 能产生磁流变效 应的流体称为磁流变体 magneto rheological fluid 简称MRF 磁流变化由三部份组成 可在磁场中产 生极化的离散微粒 载体液和稳定剂 可极化微粒是 铁磁性和顺磁性的球形微粒 如铁 镍 钴 铁氧体和 石榴石等 其直径一般为 1 10L m 载体液要求具 有良好的温度稳定性 阻燃性和不易产生污染 一般 采用硅油 煤油和合成油等 稳定剂的作用是确保磁 流 变 体 良 好 的 沉 降 稳 定 性 和 凝 聚 稳 定 性 因为磁流变体是分散相 直径为微米级的粗分散体 收稿日期 1999 12 07 修订日期 2000 02 28 作者简介 廖昌荣 1964 男 高级工程师 重庆大学博士生 系 在重力和离心力的作用下容易产生沉降现象 磁 性微粒由于化学和物理作用易发生凝聚现象 当磁流变体处于外加磁场中 其粘滞系数明显 增加 其主要原因是结构元的变化 在经典理论中 用磁偶极矩和磁性微粒成链作为结构元来解释磁流 变效应 Shulman 和 Kordonskii 对磁流变效应作了 解释 2 悬浮相是按一定角度定向排列互不影响的 粒子剪切流动 当受到外加磁场作用时 悬浮液粘滞 性的增加是由于附加能量被结构元的载流分子介质 所消耗 机械能消耗的程度 磁流变体粘性的增加 是由磁流变体的微结构 微粒伸长和定向排列的程 度 外加磁场强度和剪切率大小等因素所决定 磁流变体的流变学特性与诸多因素有关 主要 是下列几方面 1 磁流变体的剪应力与饱和磁化强度的关系 Carlson 等 3 利用偶极子相互作用模型来描述磁 流变体的特性 与 Ginder 4 采用有限元方法研究结 果是一致的 最大剪应力与饱和磁化强度的平方成 正比 2 磁流变体的屈服应力与磁化率的关系 Rosenwig 等 5 将磁流变体看作一种非对称弹性和 31 第 25 卷第 1 期 2001 年 1 月 机 械 工 程 材 料 Materials for Mechanical Engineering Vol 25 No 1 Jan 2001 磁性应力状态的连续体 研究了屈服应力与体积分 数之间的关系 在悬浮相体积分数一定的情况下 随 着磁化率的增加 屈服应力会增大 3 温度对磁流变体的影响 复旦大学的潘胜 等 6 建立了一个实验装置 测试了温度对由羟基铁 配制的磁流变体静态屈服应力的影响 研究结果表 明 静态屈服应力在不同温度 室温 150 C 变化 非常小 4 磁流变体的剪切应力与悬浮相尺寸的关系 Lemaire 7 对磁流变体的屈服应力与悬浮相微粒 尺寸的关系进行了研究 悬浮相微粒直径对屈服应 力的影响取决于耦合系数的大小 研究也发现 一定 尺寸的单分散比多分散系试样具有更佳的磁流变体 效应 这种效果来自无流动条件下的布朗运动引起 的结构起伏 该运动使单链中两端临近微 粒之间距 离大于多分散系的平均距离 而链结构对流体流动 的阻力恰恰来自于这种加大的间隙 5 磁流变体在剪切流作用下的结构变化 Cutillas 的研究表明 在剪应力作用下磁场中的磁 流变体由六方密排向层状结构转变 发生该结构的 转变的临界应变为 0 15 6 添加剂对磁流变体性能的影响 添加剂增 大了磁流变体的粘度 有助于克服磁性微粒的沉降 用不同载体液配制磁流变体必须考虑添加剂的不同 比例 采用预处理的磁性微粒来配制磁流变体已使 分散相的不稳定性有所改善 添加剂的比例应相应 减少 或者采用对载体液的粘度不敏感的添加剂 使 磁流变体的零场粘度下降 2 磁流变阻尼器件的工作模式 适用于制作磁流变阻尼器件的磁流变体应具有 下列特性 在加磁场作用下有较高的屈服应力 在零 场作用时具有较低的粘度 较宽的工作温度范围 长 期的沉降稳定性和凝聚稳定性 较好的化学稳定性 响应时间短 与密封元件不发生化学作用 磁流变体 能制成各种各样的阻尼器件 其工作原理有下面三 种形式 见图 1 图 1 磁流变阻尼器工作原理 Fig 1 Principle diagram of MR fluid damper 3 磁流变阻尼器件及其工程应用 3 1 汽车座椅悬架磁流变阻尼器 图 2 为 Lord 公司开发的汽车座椅悬架阻尼 器 8 该阻尼器为单筒式 采用压缩氮气作补偿 阻 尼孔环形分布与电磁线圈绕制都在活塞上 通过活 塞杆引出电源线 该阻尼器直径 4 1cm 两连接孔中 心距离为 17 9cm 活塞行程为 2 9cm 阻尼器消 耗磁流变体为 70cm3 在活塞中发生流变的流变液 为 0 3cm 3 在输入电流为1A 时输入功率为 5W 该 阻尼器使用 5 106次无故障发生 磁流变阻尼器寿 命的长短决定于密封设计 材料选择和磁流变体的 化学稳定性 3 2 建筑结构中使用的磁流变阻尼器 建筑结构的振动是造成重大灾害的重要原因 对其振动进行控制是当今世界研究的重要课题 磁 图 2 汽车座椅悬加磁流变液阻尼器 Fig 2 Schematic of MR fluid damper 流变阻尼器是一种先进的执行器 为此 Lord 公司 的研究人员开发了建筑结构抗振的阻尼器 9 11 见 图3 其最大阻尼力为20t 可调阻尼系数为10 它将 筒体作为磁路的一部分 外筒与活塞之间的间隙作 为阻尼通道 为了增大阻尼力采用了三组活塞进行 串联 电磁线圈绕制于活塞上 同时设计了专用的补 偿装置 阻尼器行程为 8cm 内径为 20 3cm 总长 约为 100cm 耗用磁流变体为 5L 32 廖昌荣 等 磁流变材料与磁流变阻尼器的潜在工程应用 图 3 磁流变阻尼器结构 Fig 3 Schematic of M R fluid damper 与汽车座椅悬架阻尼器的使用环境不同 建筑 结构振动控制阻尼器绝大多数时间是静止不动的 密封和磨损不是重点考虑的问题 Dyke S J 等 12 对 磁流变阻尼器的应用进行了研究 通过模拟和实验 室模型实验表明 采用加速度反馈控制策约 可以得 到较为理想的控制效果 有关研究人员正致力于开 发类似的磁流变阻尼器 为智能建筑结构提供新型 的执行器 3 3 微型磁流变阻尼器 可用于实时控制和主动控制的磁流变阻尼器由 Lord 公司开发成功 9 见图 4 该阻尼器的活塞为圆 盘 电磁线圈绕制在外筒上 由于行程较小 可用有 弹性的橡胶元件进行密封 不需要考虑动力密封和 滑动密封 由于阻尼器被全部密封因而可采用水基 磁流变体 这样便解决了油基 碳氢化合物 磁流变 体与橡胶的化学作用 由于水基磁流变体有更多的 稳定剂和表面活化剂可选择 但是这种结构的阻尼 器行程受到限制 该阻尼器的行程为 3mm 这种 磁流变阻尼器可用于锁紧装置 在阻尼器的外面装 上弹簧元件便可制成可调阻尼的发动机机座 为抑 制发动机引起的机械设备振动提供了新的途径 图 4 微型磁流变阻尼器 Fig 4 A mini damper based on MR fluid 3 4 直升飞机旋转叶片磁流变阻尼器 由于飞行状态的变化和气候的变化 直升飞机 的旋转叶片容易引起振动 给飞机和乘驾人员造成 了极大的威胁 传统的方法是在叶片的后翼和襟翼 之间安装被动的液力阻尼器或安装弹性阻尼器来减 小振动 但这种方法不能提供有效的阻尼来抑制叶 片的振动 美国宾夕法尼大学的研究人员将传统的 液力阻尼器改为磁流变阻尼器 14 见图 5 图 5 直升飞机旋转叶片磁流变阻尼器 Fig 5 A M R fluid damper for helicopter blade 研究人员采用开关控制和线性反馈控制方法对 其振动进行了测试 结果表明 磁流变阻尼器比传统 阻尼器更能有效地控制叶片振动 剪切模式的磁流 变阻尼器比同样大小的弹性阻尼器能产生更大的阻 尼 更能有效地抑制叶片共振 另外美国马里兰大学 的研究人员也对直升飞机旋转叶片用的磁流变阻尼 器的特性进行了研究 15 18 对磁流变阻尼器在零场 和磁场中进行了单一频率和两种复合频率的测试 建立了磁流变阻尼器的非线性粘弹 塑性模型 为磁 流变阻尼器的应用奠定了相应的技术基础 3 5 其它磁流变阻尼器 磁流变阻尼器在汽车领域的应用主要集中在汽 车悬架减振 19 这种减振器的行程较大 为此德国 萨尔大学的研究人员 13 设计了一个长行程的磁流 变阻尼器 见图 6 并在减振器试验台上进行了测 试 同时他们设计了一种行程为 100Lm 的阻尼器 并对其性能进行了测试 研究表明 在长行程减振器 中 剪切率达到一定的数值以后 磁流变体在阀中的 压力损失与剪切率基本无关 活塞速度太大将影响 磁流变效应 图 6 长行程磁流变阻尼器 Fig 6 A long stroke MR fluid damper 4 结束语 由于磁流变体具有非常优良的可控性能 在 工 程上有广阔的应用前景 引起了有关工程技术领域 33 廖昌荣 等 磁流变材料与磁流变阻尼器的潜在工程应用 的高度重视 在我国已有不少研究人员致力于开发 各种磁流变器件 主要应用在下列几个技术领域 1 汽车制造行业 利用磁流变体可以成功地 开发许多新型的汽车零部件 如可控阻尼的悬架减 振器 提高汽车的安全性和舒适性 汽车风扇调速离 合器 使发动机处于更理想的工作状态 汽车离合器 和汽车制动器 提高传动效率 2 液压控制行业 利用磁流变效应可开发各 种流量控制阀和压力控制阀 这些液压元件没有相 对运动的阀芯 制造成本低 无磨损 寿命长 易于控 制 有较大的市场前景 3 机械制造行业 利用磁流变体在磁场作用 下发生固化的特性 可对形状结构较为复杂的工件 进行定位和夹紧 以便进行机械加工 这便可以开发 磁流变夹具 4 机器人领域 利用磁流变体可以制造出作 用力大 响应快 动作灵活 无磨损 易于控制的活动 关节 这比传统的电 液控制关节更优越 5 建筑结构领域 由于地震和风震的影响 高层建筑和大型桥梁易产生振动 利用磁流变体可 以制造阻尼可调的阻尼器 实现振动的半主动控制 参考文献 1 Rabinow J The magnetic fluid clutch J AIEE T rans 1948 67 1308 1315 2 Shulman Z P et al Physical properties and dynamics of mag netorheological suspensions J Int J M ultiphase Flow 1986 12 6 935 955 3 Mark R Jolly et al A Model of the behavior of magnetorhe ological materials J Smart M ater Struct 1996 5 607 614 4 Ginder J M et al Shear stresses in magnetorheological fluid J Appl Phys Lett 1994 65 3410 3418 5 Rosensweiing R E Ferrohydrodynamics M Cambridge Uni versity Press 1985 6 潘 胜 等 磁流变液的屈服应力与温度效应 J 功能材料 1997 28 264 266 7 Lemaire E et al Influence of the particle size on the rheologi cal fluids J Rheol 1995 39 1011 1020 8 Carlson J D et al Commerical magnetorheological fluid de vices C 5th Int Conf on ER M R Suspensions and Associ ated Technology Sheffield July 1995 9 Carlson J D et al T he promise of controllable fluid C Ac tuator 94 4thInt Conf on New Actuator 1994 266 270 10 M ark R Jolly et al Porperties and applications of commer cial magnetorheolog ical fluids J SPIE 1998 3327 262 275 11 Dyke S J et al A New semi ative control device for seismic response reduction C Proc 11thASCE Engrg M ech Spec Conf New York 1996 12 Dyke S J et al M odeling and control of magnetorheological damper for seismic response Reduction J Smart Mater Strust 1996 5 565 575 13 Balf Bolter et al Design rules for MR fluid actuators in dif ferent working modes J SPIE 1998 3045 148 159 14 Sameer Marathe et al Helicopterbladeresponseand aeromechanical sstability with a magnetorheological fluid based lag damoer J SPIE 1998 3329 390 401 15 Gopalakrishna M Kamath et al Characterization of semi ac tive magnetorheological helicopter lag mode dampers J SPIE 1998 3329 356 377 16 Panda B et al Application of passive dampers to modem he licopters J Smart Mater Strust 1996 5 509 516 17 Kamath G M et al Analysis and testingofamode scale magnetorheolog ical fluid lag mode damper C 53rd Annual Forum of T he American Helicopter Society Virgina Beach VA 1997 1325 1335 18 Hurt M K et al Controllable fluid damper helicopter rotor st

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