抗冲击磁流变缓冲器原理及分析

2002年第23卷第1期华　北　工　学　院　学　报V ol.23　N o.1　2002 (总第81期)JOURNAL OF NORTH CHINA INSTITUTE OF TECHNOLOGY(Sum N o.81)文章编号:1006-5431(2002)01-0004-04抗冲击磁流变缓冲器原理及分析高跃飞(华北工学院机械电子工程系,山西太原030051)摘　要:　目的　根据磁流变液体的粘度可在外加磁场的作用下变化的特性,探讨阻尼特性可控的抗冲击缓冲器的原理及工程可应用性.方法　通过设计磁流变液体缓冲器结构、控制方法和理论分析,论述了磁流变缓冲器的有关理论和技术.结果　磁流变缓冲器可获得良好的缓冲特性.结论　利用磁流变液体的表观粘度随外加磁场可变的特性,可用主动控制的方法来控制缓冲器的抗冲击性能.关键词:　磁流变液体;缓冲器;冲击中图分类号:　T H113.1 文献标识码:A在许多机械工程结构和系统中存在着冲击载荷,它们往往引起结构的振动、疲劳和破坏,一般多采用缓冲装置进行缓冲以减小这种冲击载荷的作用.传统的缓冲装置是根据典型的工况,以一定的结构技术设计缓冲器,预先制定了缓冲器的工作特性.由于实际工况的多变性和设计计算的误差,缓冲器的性能很难达到理想的工作性能.磁流变液体(Mag netorheo logical Fluids)在外加磁场的作用下能产生明显的磁流变效应,即液体的性质由液态向类固态转化.磁流变液体的粘度可调,具有连续、可逆、响应快、易于控制的特点,可与计算机控制结合,实现主动控制,在工程上具有良好的应用前景.磁流变液体是1948年由Rabino w发现的,与Winslow发现电流变液体处于同一时期.但是,除发现时所引起的轰动外,很长一段时间有关磁流变液体的研究较少.只是在最近,磁流变液体又引起了人们的重视.目前,磁流变液体已成功地应用于制动器、减振器和缓冲器等[1].磁流变液体的特性非常适用于主动控制,因而受到了各行各业的重视,将磁流变液体应用于机械系统的缓冲装置中,如汽车悬挂系统中的减振器、机械系统的缓冲器等.利用磁流变液体的流动阻尼可变和可控的特点,通过控制系统用主动控制的方法来控制缓冲装置中液体流动的阻尼,以适应外界载荷的变化,可获得良好的缓冲特性.作者根据磁流变液体的特点,介绍阻尼规律可控的缓冲器原理及有关的理论与技术.1　原理与结构常规缓冲器主要由空隙节流来产生阻尼,通过节流孔面积的变化调节阻尼.磁流变缓冲器利用磁流变液体粘度的变化迅速且可控的特性来实现其阻尼可控规律.这种缓冲器由缓冲装置、磁流变液体和控制系统组成.1.1　结构原理磁流变液体缓冲器的原理和结构形式如图1所示.该结构在外部设置一个带有芯杆(此芯杆上有线圈绕组)的旁路流液孔,液体流过时产生阻尼,并通过磁流变效应来调节阻尼力.工作时,活塞杆在缓冲器筒中往复运动,磁流变液体从旁路流液孔流过,相应地在流液孔处产生流动阻尼力.由控制单元调节施加在旁路流液孔中芯杆线圈上的电流,线圈在旁路流液孔的间隙内产生径向磁场.当活塞运动,挤压液体迫使其流动时,流过旁路流液孔的磁流变液体就会受到磁场的作用,由牛顿体变为粘塑体,使流体的流动阻力增加.由于粘塑体的屈服应力是磁场强度的函数,因此通过调整线圈中的电流强度来调整磁收稿日期:2001-03-01　基金项目:山西省自然科学基金资助项目　作者简介:高跃飞(1960-),男,教授.从事专业:火炮.场强度,就可以调整流体的流动阻力,即可调整缓冲器阻尼力.Fig .2Schematic of the control sys tem图2控制系统组成控制计算机A/D多路开关调节电源传感器放大电路D/A 图1　磁流变缓冲器结构原理Fig .1　Schem atic of the m agn etorheological fluids damper 1.2　控制系统控制系统由传感器、控制单元和调节电源组成,控制系统的组成如图2所示.当缓冲器工作时,计算机接受传感器的信号,通过判断、比较,然后发出指令控制电源的输出,改变缓冲器辅助流液孔处的磁场,进而控制阻尼力的变化规律.2　阻尼力分析2.1　液体流动阻尼力对液体流动作如下假设: 液体不可压缩,忽略液体流经流液孔的收缩现象; 流动是一维定常流; 以地球为惯性参考系;!工作腔始终充满液体.在上述假设的基础上,可用不可压缩定常流质量守恒方程(连续方程)和机械能守恒方程计算液体流动的阻力.对于图1中的结构,当活塞向外以速度v 运动时,液体的流动满足连续方程A 0v =a f w 2(1)A 0= (D 2T -d 2T )/4 a f = (D 2f -d 2f )/4式中　A 0为活塞工作面积;D T 为缓冲器筒内径;d T 为活塞杆外径;a f 为流液孔的面积;D f 为流液孔管的内径;d f 为流液孔芯杆的外径;w 2为流液孔处液体的流速.根据定常流的机械能守恒方程,有z 1g +p 1/ +w 21/2=z 2g +p 2/ +w 22/2+H r 2(2)由于工作时液流中心高度z 1与z 2相差较小,可认为相等,因而有p 1/ +w 21/2=p 2/ +w 22/2+H r 2(3)式中　p 1,w 1分别为缓冲器内工作腔压力和液体流速,由缓冲器工作的情形,有p 2=0,w 1=0;p 2为缓冲器内非工作腔压力;w 2为流液孔处液体的流速;H r 2为流液孔处液体流动的比能损失; 为液体的密度.将比能损失写成比动能形式H r 2= 2w 22/2,且令k 2=1+ .式中, 2为液体的损失系数,与液体的粘度、流体管道的几何尺寸、管壁的粗糙程度、流动状态等有关.于是,式(3)可写为p 1= k 2w 22/2(4)将式(1)代入,得p 1=(p k 2/2)(A 0/a f )2v 2(5)因而有液压阻力F FR =A 0p 1=( k 2/2)(A 30v 2/a 2f )(6)2.2　磁流变效应产生的阻尼力磁流变效应可用磁流变液体的剪切应力!表示.在磁场作用下的剪切应力!可以模拟为宾汉(Bing -ham )模型[1]!=∀# +!y (H )(7)5(总第81期)抗冲击磁流变缓冲器原理及分析(高跃飞)式中　∀为流体的动力粘度;#为切应变率;!y 是宾汉或屈服应力.若缓冲器辅助流液孔的长度为L ,管的内径为D ,管与芯杆间的间隙为h .设∃p 为辅助流液孔两端单位面积上的压力差,Q 为流体流过辅助流液孔的体积流速,则对于本构关系如式(7)的宾汉姆体,当其流过辅助流液孔时,其压力差∃p 可近似简化为[2]∃p =12∀LQ Dh 3+3L h!y (8)设F R (t )为缓冲器的阻尼力,A 0为活塞的有效面积,v (t )为液体的流速,则由式(8)可得缓冲器的阻尼力F R (t )=12∀L A 0 Dh 3A 0v (t )+3L !y h A 0(9)由式(8)所得到的∃p 较真实的∃p 偏大.这种偏差,对于最大屈服应力为几千帕,调整范围不很宽的电流变液缓冲器影响并不明显,而对于最大屈服应力达几十千帕而且需要较大的调整范围的磁流变液缓冲器,这种影响是不容忽视的,需要进行修正.修正后的缓冲器阻尼力计算模型可以简化为[2]F R (t )=12∀LA 0 Dh 3A 0v (t )+K 0L !y h A 0(10)式中　K 0为修正系数.式(10)中,前一项是类似普通流体流动而产生的粘性阻尼力F ∀=12∀LQ Dh 3A 0(11)另一项是由流体变态而产生的阻尼力F MR =K 0L !y h A 0(12)F M R 是随所加磁场而改变的力,是磁流变缓冲器的可调部分.对于一定的磁场来说,可以看作是不变的库仑摩擦力.因而F R (t )=F ∀+F MR(13)对于冲击载荷,粘性阻尼力F ∀应用式(6)代替.3　性能计算设有一质量为m 的系统作用有冲击载荷F I ,在缓冲器的作用下,其运动过程为m (d v /d t )=F I -F R -F(14)式中　m 为系统的质量;F I 为冲击载荷;F R 为缓冲器阻尼力;F 为摩擦力. 而缓冲器阻尼力为F R =F ∀+F MR(15)可由式(6),(12)计算.(a)压力-时间曲线(b)压力-位移曲线图3　缓冲器阻尼特性Fig .3　Characteris tic curve of th e dam per 利用前述公式,考虑磁流变液体对不同磁场的响应,对方程(14)求解,可得缓冲器的阻尼力.冲击载荷的形式取图3中p I (为了方便,用压力p I 来表示).结构参数为:D T =58mm ,d T =30mm ,A 0=6华　北　工　学　院　学　报2002年第1期1935.2m m 2,a f =167.3mm 2,L =320mm ,h =1.5m m;其他参数为k 2=2.0～7.0, =1.0kg /dm 3;磁流变液体的抗剪切屈服应力!y 取(20～60)kPa .不加控制时,计算的缓冲器阻尼力变化如图3中p R .通过控制电源给磁流变液体施加磁场,在缓冲器阻尼力峰值之后,控制电流逐渐增加,按线性规律递增改变磁流变液体的抗剪切屈服应力,计算的缓冲器阻尼力变化如图4中p R.(a )压力-时间曲线(b )压力-位移曲线图4　控制后的缓冲器阻尼特性Fig .4　Ch aracteristic cu rve of the damper w hen control sys tem is acting由计算的曲线可以看出,通过对磁流变液体的控制,能够显著地改变缓冲器的阻尼特性,阻尼力在时间和位移历程上均变化较平稳,对于冲击载荷能够提供更好的缓冲.4　结　论利用磁流变液体的表观粘度随外加磁场可变的特性,可用主动控制的方法来实现缓冲器的抗冲击性能; 采用设置旁路结构的缓冲器装置,结构简单,易于实现; 理论分析表明:磁流变缓冲器可以改善冲击载荷下缓冲器的缓冲特性.磁流变液体在工程中应用的研究在国内外已开展起来,但用于抗冲击的研究还不多见,对于磁流变液体、磁流变缓冲器、控制系统及其有关工程应用的理论和技术还有待于进一步的研究.参考文献:[1]　Jo lly R ,Bender W ,Carlson J .P ro per ties and applicatio ns of commer cial mag netor heolog ical fluids [J ].Jo urnal o f In-tellig ent M ater ial Systems and St ructures,1999,10:5～13.[2]　欧进萍,关新春.磁流变耗能器及其性能[J].地震工程与工程振动,1998,18(3):74～81.[3]　G or odkin S ,L ukianov ich A .M ag neto r heo lo gical thr ottle valve in passiv e damping systems [J ].Jo urnal o f Intellig entM aterial Sy stems and Str uct ur es,1998,6:637～641.[4]　欧进萍,关新春.磁流变耗能器性能的试验研究[J].地震工程与工程振动,1999,19(4):76～81.Analysis of the Shock Damper Using Magnetorheological FluidsGAO Yue -fei(Dept.o f M echatr onic Engineer ing ,N or th China Institute o f T echno log y,T aiy uan 030051,China )Abstract :Aim Based o n the properties o f magneto rheolo gical (M R )fluids w hich are mate-rials having flow pro perties that can be mo dified w ith magnetic field,the principle and thefeasibility o f shock damper using the M R fluids are discussed.Methods T he config ur ationsof the M R fluids sho ck damper ,contro l system ,and r elated theories ar e pr esented .ResultsComputation sho w s that the performance of the MR fluids shock dam per ,the resistances tosho ck,has effectively im prov ed.C onclusion T o apply the MR fluids to shock damper ,theperform ance of the shock dam per can be actively controlled.Key words :m ag netorheolog ical fluids ;buffer s ;shocks 7(总第81期)抗冲击磁流变缓冲器原理及分析(高跃飞)。