磁流变阻尼器的基本原理和结构

1、第二章磁流变阻尼器的根本原理和结构2.1磁流变阻尼器的工作模式磁流变技术研究的一个重要目标是利用磁流变液在外磁场作用下改变流变特性这一特点,开发各种用途的磁流变阻尼器,MR阻尼器的工作模式有以下几种：(1)压力驱动模式或流动模式.如图2.1(a)所示,这是目前应用最多的一种工作模式.具原理,磁流变液在压力作用下通过固定的磁极,磁流变液流动的方向与磁场方向垂直,可通过改变励磁线圈的电流限制磁场的变化,使得磁流变液的流动性能发生变化,从而使磁流变阻尼器的阻尼力发生变化.该系统可用于伺服限制阀,阻尼器和减震器.(2)直接剪切模式.如图2.1(b)所示,只有一个磁极固定,另一个磁极作平行于固定磁极的运

2、动或绕固定磁极旋转,磁流变液在可移动磁极的作用下通过可控磁场,同样磁场方向垂直于磁流变流体流动,适合于磁极运动的使用场合.这种系统可用于离合器,制动器,锁紧装置和阻尼器等磁流变器件.(3)挤压模式.如图2.1(c)所示,磁极移动方向与磁场方向相同,磁场方向与磁流变液的流动方向垂直,磁流变液在磁极运动时同时受到挤压和剪切作用.磁流变液在磁极压力的作用下向四周流动磁极移动位移较小,磁流变液产生的阻尼力较大,可应用于低速小位移(一般少于lmm)大阻尼力的磁流变阻尼器和减振设备等.这一模式中不均匀磁场导致悬浮颗粒聚集,阻尼力随时间不断增长,无法实现对振动的稳定限制100Fig.2.1Basicwork

3、ingmodesforMRfluid2.2磁流变阻尼器的根本结构2.2.1磁流变阻尼器的结构分析磁流变阻尼器是通过改变限制装置的参数来实现对结构的可调限制,其主要特点是所需外加能量很少、装置简单、不易失稳,摒弃了被动限制和主动限制的缺点,兼顾了它们的优点.磁流变阻尼器可在一定的范围内通过调整磁场强度来调整减振器的阻尼系数,实现振动的半主动限制.阻尼器与减振器在极大程度上是相似的,譬如阻尼力、 阻尼比等,然而,阻尼器与减振器还是有本质的区别.阻尼器主要考虑用阻尼力来耗散动能、 冲击,不用考虑回复力,当然一局部阻尼器是自身具有回复力的,这本身就是一种柔性的可回复阻尼或减振器,如弹簧、 橡胶垫等.而

4、磁流变阻尼器兼顾以上因素,同时还具有一定的连续工作水平,同时磁流变阻尼器还并联一局部橡胶使得在工作状态下发生剪切位移时,产生一个回复力来使磁流变阻尼器回复到中央位置.并且,油缸底部还串联一局部橡胶作为缓冲其冲击载荷.本文试验中所选用的磁流变阻尼器,由活塞、缸筒和磁流变液构成的阻尼弹性局部和橡胶复位元件组成,根据其工作原理可以将它视为一个Maxwell模型元件与另一弹簧并联而成的标准线形固体模型11.Maxwell模型是将一个弹簧和一个牛顿阻尼器串联起来,如图2.1.1所示：弹簧的伸长为,由虎克定律s/E确定；阻尼器的速率d由牛顿阻尼定律d/决定,这里为牛顿阻尼系数.显然有(2-1)对式2-1微

5、分,并应用虎克定律和牛顿阻尼定律得到:(2-2)因此,本文试验中所采用的磁流变阻尼器力学模型就可以近似看成如图2.2所示,对Maxwell模型元件有式表示的下述关系:或可改写成&E(2-3)m式(2-3)中E称为Maxwell模型的松弛时间nE图2.1.1Maxwell模型Fig2.1.1ModelofMaxwell2.2.2磁流变阻尼器的结构磁流变阻尼器的结构如以下图所示,图3.3为三维结构图；图3.4为二维结构图;图3.5为磁流变阻尼器实物图.(2-4)(2-5)(2-6)由平衡方程及变形协调条件显然有微分式3-5代入式3-4,得到&/E1/EE式中/E1、E1旦12/豆&

6、amp;图2.2.2磁流变阻尼器的动力学模型Fig2.2.2DynamicmodelofMRdamperE2称为标准线形固体的松弛时间.ieiLBl.q1?11101.圆螺母2.弹簧垫圈3.铜套4.端盖5.活塞杆6.线圈7.V型密封圈8.下支撑板组合9.橡月至10.导柱11.工作缸12.型橡胶密封圈13.上支撑板组合图3.4磁流变阻尼器结构图Fig3.4DrawingofMRvibrationdamper图3.5磁流变阻尼器实物图Fig3.5TherealpictureofMRvibrationdamper1J由图3.3图3.5可看出：磁流变阻尼器主要采用橡胶减振与磁流变减振相结合的复合减振模

7、式,它由磁流变减振和橡胶减振两局部构成,磁流变装置和橡胶装置以并联的方式到达总体的减振效果.橡胶减振局部属于剪切式工作方式.整个装置的结构主要由上支撑板组合13、下支撑板组合8、活塞杆5、工作缸11、橡胶9以及附属零件组成,其中活塞杆5与上支撑板组合13固定,工作缸11通过橡胶9与下支撑板组合8固定,橡胶一方面用来产生阻尼,另一方面起剪切复位的作用；减振器的两个支撑板组合分别与待减振装置的两个局部联接,当减振器工作时,两个支撑板组合沿工作缸轴线方向平行移动,这样活塞杆和工作缸之间会产生相对运动,通过改变活塞杆上鼓励线圈的工作电流,来改变磁场回路的磁场强度,从而到达改变减振器阻尼力大小的目的.当

8、磁流变阻尼器具体实施到待减振系统中时,磁流变阻尼器分别通过两侧板和待减振装置相连,当待减振装置工作振动时,带动磁流变阻尼器的两个侧板沿缸体轴线方向平行剪切移动,由于侧板1与活塞杆5相连,侧板2与工作缸14相连,这样活塞杆5和工作缸14之间会产生相对运动,当活塞杆5上鼓励线圈通以电流时,磁流变阻尼器的磁路局部将产生磁场,在磁场的作用下,工作缸14内的磁流变液的粘度增大,从而增大其刚度,达到减振的目的.对于不同工况,由待减振装置的振动使装在其上的传感器产生信号,然后通过模数转换器A/D对传感器的信号进行采集,限制器对A/D所采集的振动信号分析计算出减振器所需输出的最正确阻尼力,随后根据减振器的阻尼

9、力模型可以方便的计算出励磁线圈所需的电流大小,限制器根据所得参数输出相应的限制信号至数模转换电路D/A,D/A将数字信号转换成模拟信号,然后使该控制信号通过功率放大器,最后使励磁线圈的电流获得最正确值.当励磁线圈的电流改变后,由线圈产生的磁场强度随之发生改变,从而导致阻尼孔的磁流变液的粘度相应变化,最终导致了减振器输出阻尼力的改变,实现智能减振的效果.2. 3.2磁流变液的选用a磁流变液的流变效应是一种可逆变化,它具有磁化和退磁两种可能性,所以选择的磁流变液的磁滞回线必须狭窄,从而使内聚力较小,磁导率较大,尤其须使磁导率的初始值和极大值尽量地大;b磁流变液应具有较大的磁饱和,以使得尽可能大的“磁流通过悬浮液体的横截面,为颗粒间的相互作用提供更多能量;悬浮液中强