磁流变阻尼器密封机制研究

1、磁流变阻尼器密封机制研究 *李 钢 1, 3杜成斌 2(1南京工程学院, 南京 211167 (2河海大学, 南京 210098(3南京理工大学, 南京 210094Study of sealing mechanism of a magneto-rheological damperLI Gang 1, 3, DU Cheng-bin 2(1Nanjing Institute of Technology , Nanjing 211167, China (2Hohai University , Nanjing , Nanjing 210098, China (3Nanjing University

2、 of Science and Technology , Nanjing 210094, China 文章编号:1001-3997(2011 07-0078-02【 摘 要 】 为解决大型阻尼器工作中传统密封方式磨损老化维护困难问题, 针对磁流变阻尼器的工作特点, 在磁流变阻尼器中充分利用新型智能材料磁流变液的优异特性, 建立一种新型的非接触式磁 密封机制 。 探讨非接触式磁密封机制的工作原理和具体结构, 使用有限元仿真软件对阻尼器工作部位 磁场进行仿真分析, 建立磁密封理论耐压能力的理论计算模型 。 表明此种非接触式磁密封较传统密封 方法具有高可靠性, 超长维修间隔时间, 摩擦小, 效率高,

3、 无方向性的优势 。关键词:磁流变液; 磁密封; 有限元; 耐压能力【 Abstract 】 In the magneto-rheological damper , based on the well characteristics of the new intelligent material-magneto rheological fluid , a new non-contact sealing mechanism has been developed in order to solve maintenance problems of traditional large size dam

4、per caused by aging and wear process.After work -ing principle analyzing and structure designing , electromagnetic finite element analysis has been employed to simulate and analyze the magnetic circuit , and a theoretical computation model for enduring magneticsealing pressure has been established ,

5、 which is proven that this magneto-rheological fluid sealing arrange -ment has its significant advantages comparing with traditional sealing mechanism with higher reliability ,longer interval time of breakdown maintenance , lower friction and higher efficiency. Key words :Magneto rheological fluid ;

6、 Magneto-rheological fluid sealing arrangement ; Finite el -ement analysis ; Sealing pressure endurance中图分类号:TH16, TH703.62, TB743文献标识码:A*来稿日期:2010-09-18*基金项目:江苏省高技术项目资助 (BG2007048 , 南京工程学院重点院级项目资助 (QKJA2009011引言长期以来,密封失效泄漏一直是困扰着液压阻尼器生产和使 用单位的一个棘手问题 。 因为常用橡胶密封件在使用过程中, 不可 避免发生磨损和自然老化, 如不能及时维修更换, 则极易造

7、成泄漏 。 磁流变阻尼器是一种利用新型智能材料磁流变液 (MRF 在外加强 磁场作用下, 屈服强度瞬间改变, 在毫秒级内增加几个数量级, 由液 态而转变呈现类似固体的力学性质的特性研制的, 能够实现半主动 控制的新型阻尼器 。 主要用于高楼 、 桥梁 、 钻井平台等大型结构和重 型车辆上承担抗震减振任务 。 现有的大多数磁流变阻尼器仍然沿用 传统液压阻尼器的密封方式, 采用标准液压密封件及其结构 。 由于 使用场合的制约,更换磁流变阻尼器密封部件异常困难且成本巨 大 。 研制既能充分发挥磁流变液的优异特性, 又能适应磁流变阻尼 器的使用环境, 且具有高度可靠性, 超长使用寿命的新的密封机制,

8、是该类阻尼器能否进入实用阶段的一个关键问题 。磁流体密封最初美国人为了解决宇航服可动部分的真空密封 以及在失重状态下宇宙飞船液体燃料的固定问题而提出 。 此后逐渐被人们所认识, 其研究应用一直是世界各国十分关注的前沿课题 。 在 我国, 科研人员做了关于磁流体密封在水泵中的应用实验研究 。 科研 人员论述并用实验验证了防液体密封的承压机理和失效机制 。 科研 人员通过磁流体密封水介质的试验, 分析了磁流体密封破裂后的修复过程 。 科研人员则对磁流体密封耐压计算方法作了研究 。2磁流变阻尼器密封机制的结构和工作原理如图 1所示, 大出力复合磁流变阻尼器活塞杆与端盖处采 用磁流体密封机制 。 密封

9、机制的结构, 如图 2所示 。 端盖内部有环 状永磁铁左右侧面与导磁性好钢材制造的三组磁极紧密贴合, 磁 极和轴接触部位齿形作成梯形, 永磁铁下部 、 磁极外部都用不导 磁的不锈钢隔套与壳体分隔开 。 如此, 常在永磁铁 、 磁极与阻尼器 钢制活塞轴之间形成密集的闭合磁场回路 3。 当磁流变液流到活 塞杆与端盖间隙处, 在间隙内强磁场作用下, 屈服强度瞬间增加 几个数量级, 呈现类似固体的性质, 将磁流体紧紧吸在密封间隙 内, 形成磁性液体 “ O ” 型密封环, 把间隙锁住, 从而实现密封 4-5。Machinery Design &Manufacture机械设计与制造第 7期 20

10、11年 7月78123456789101112131415 16 32313029282726252423222120191817图 1大出力复合磁流变阻尼器隔磁环磁极 1、 2、 3轴N S永磁体 隔磁圈 磁流变液N S图 2磁流体密封结构这种非接触式密封相对传统密封方式, 几乎可以不考虑密 封件的磨损和老化, 磁流体作为一种惰性 、 稳定 、 挥发量极低的有 机物, 寿命长, 可 10年无需维修 。 即便密封在特定情况下产生瞬 时过压击穿时, 一旦压力降低至密封可以承受的程度时, 密封效 果依然能够保持 。 还具有摩擦力极小, 传输效率高 。 无方向性, 如 果需要改变承压方向, 无需增加

11、任何元件就能实现等优点 。 3密封机制的磁场分析与理论耐压能力 计算磁密封装置中, 采用聚磁结构, 使得密封间隙内磁场强度远 高于间隙外磁场, 这样, 在密封间隙中注人磁流体后, 磁流体被吸 附在密封间隙中并将其充满, 并且处于对称的位置 。 当密封间隙 两侧压力不等时, 磁流体在磁场中发生转移, 被挤向压力较低的 一侧, 从而使高压侧的磁流体表面处于较高的磁场位置, 而低压 侧磁流体表面处于较低的磁场位置, 由于两表面间磁场强度差而 产生磁压, 此磁压与外部压差平衡, 从而实现了密封目的 。3.1工作间隙附近磁场有限元仿真为验证图 2所示密封机制正确性 。 使用 ANSYS 软件, 对工 作

12、间隙附近磁场进行有限元仿真 。 其磁路分布及磁场强度分布, 如图 3所示 。图 3密封工作间隙附近磁路分布及磁流密度图如图 3可知, 装置中磁力线集中分布在工作间隙附近, 磁场 能绝大多数都被利用, 间隙处磁场强度较强, 说明该密封结构磁 路设计是合理的 6-8。3.2理论耐压能力计算根据 Bingham 模型, 磁流变液的本构关系可用下式表示:=y(H ·sgnd u " +d u (1 式中:第一项是由磁流变液中磁场产生的剪切屈服应力, 是磁场 强度的函数,第二项为磁流变液在不施加磁场情况下牛顿 流体的剪切应力, 动力粘度系数; d u /dy 剪应变速率 9。 工作间

13、隙处任一位置的磁流变液单元可看作是在两块平行 极板间作一维流动 (忽略对流 , 设极板长 L , 宽 b , 间距为工作间 隙 h , 流体单元受力情况, 如图 4所示 。 根据动量守恒定律, 流体 内部沿间隙高度方向 y 处剪应力与该处压力沿极板长度方向的 梯度存在以下关系:(y =P ·y=-d P y (2 令特定磁场强度下,磁流变液的剪切屈服强度为 y ,则将 (2 式带入 (1 , 积分, 得 u (y 表达式, 并通过对速度分布曲线沿 y 积分再乘以极板宽度 b (因间隙为环形, 故 b 为周长 D , 得到极 板间流体流量 。d u =-P ·y+y (3Q

14、=D12(P h 3(P 3-3yh 2(P 2+43y#$(4 将 P , =P /L 带入上式, 并简化整理, 得:P=12QLDh+3L y (5 式中:P 压力差, 反映密封结构的承压能力大小 。可见磁流变阻尼器磁密封耐压能力, 随磁场强度增强而增 强, 随接触宽度增加而增大, 随径向间隙减小而提高 10。y-yP h /2-P h /2h hc=2y/Pyx图 4工作间隙内磁流变液速度分布曲线图4结论(1 新的磁密封机制能充分发挥磁流变阻尼器内的磁流变 液的优异特性, 又能适应阻尼器的特殊使用环境, 与传统密封方 法相比, 具有以下优点: 密封性能好, 泄漏少; 寿命长, 长期使用,

15、 无需维修; 可 靠性高, 即使正常情况下产生瞬时过压击穿时, 一旦压力降低至密 封可以承受的程度时, 密封效果依然能够保持; 湿摩擦状态, 效 率高, 摩擦小, 发热低; 无方向性密封 :自动改变承压方向 。 (2 经仿真, 磁场能绝大多数都被利用, 间隙处磁场强度较 强, 该密封结构磁路设计是合理的 。(3 经推导, 磁流变阻尼器磁密封耐压能力, 随磁场强度增 强而增强, 随接触宽度增加而增大, 随径向间隙减小而提高 10。第 7期 李 钢等:磁流变阻尼器密封机制研究 79参考文献1彭国君 . 液压缸密封装置的分析与研究 J . 煤矿机械, 2001(1 :52-54.2魏龙, 等 . 机

16、械密封端面摩擦机制与摩擦状态 J . 润滑与密封, 2008(6 :39-42. 3Carlson J D , Catanzarite D M , Clair K A. J .Commercial MagnetorheologicalFluid Devices Technology. International Journal of Modern Physics B , 1996, 10(23-24 :2857-2865.4瞿伟廉, 等 . 新型足尺磁流变液阻尼器的设计及仿真分析 J . 武汉理工大学学报, 2007(2 :85-885Huang J , Zhang J Q , Yang Y.

17、 J .Analysis and design of a cylindricalmagneto -rheological f luid brake.Journal of Materials ProcessingTechnology , 2002, 129:559-562. 6李建勋 . 液压缸活塞密封性能的有限元分析 D . 沈阳:东北大学, 2005.7李建国, 等 . 油封动密封机制的有限元分析 J . 润滑与密封, 2007(1 :97-99. 8Carlson J D.Adaptronics and smart structures M .Berlin:Springer -Verlag

18、 , 1999:180-195.9赵四海, 尤福祯 . 磁流变液密封机制及结构设计 J . 润滑与密封, 2006,175(3 :138-139.10金忠 . 摆动液压缸组合密封的建模与计算 J . 液压与气动, 2007(10 :18-22.油气悬架外置机械感应阻尼阀特性研究王 勋 1陈思忠 2(1安徽柳工起重机有限公司, 蚌埠 233000 (2北京理工大学 机械与车辆学院, 北京 100081A study on the outside sensitive damper valve of hydro-pneumaticsuspension for vehiclesWANG Xun 1,

19、CHEN Si-zhong 2(1Anhui Liugong Crane Co.Std , Bengbu 233000, China (2School of Mechanical and Vehicle Engineering ,Beijing Institute of Technology , Beijing 100081, China 文章编号:1001-3997(2011 07-0080-03【 摘 要 】 设计了一种无需任何电子控制系统就可实现阻尼调节的外置机械感应阻尼阀, 分析了其工作原理 、 内部结构及其外特性 。 根据流体连续性方程 、 运动微分方程以及伯努利方程等理论建立了 外

20、置可调阻尼阀数学模型,研究了该阻尼阀的阻尼特性 。并通过仿真分析对比了外置机械感应阻尼阀 和普通外置阻尼阀对车辆平顺性和车轮接地性的影响 。 仿真结果表明, 所设计的外置感应阻尼阀可实 现油气悬架阻尼力的两级调节, 使车辆平顺性和操纵稳定性得以改善 。关键词:油气悬架; 外置感应阻尼阀; 外特性【 Abstract 】 A new outside adjustable damper is developed, which can be controlled by operating on the adjustable valve without electric control system.

21、The working principle, elements structure and valve be -haviors of the developed valve are studied.A mathematical model for outside adjustable damper valve is es -tablished by adopting continuity equation , differential equations of motion , Bernoulli Equation and the damping characteristic is studied.Besides the valve parameters influence on the ride and wheel ground ad -hesion of vehicle is studied by simulating and comparing the outside sensitive damper valve with common one which results indicate that the outside adjustable damper developed can be adjusted wit