磁流变阻尼器研究背景目的意义及现状

磁流变阻尼器研究背景目的意义及现状 1研究背景........................................................................................................................................ 1 1.1磁流变阻尼器 ..................................................................................................................... 1 1.2自供能技术 ......................................................................................................................... 2 2研究目的及研究意义 .................................................................................................................... 2 3相关技术国内外研究现状 ............................................................................................................ 3

1研究背景 1.1磁流变阻尼器 磁流变阻尼器是近十年出现的一种新型的半主动能量吸收器。这种阻尼器因为其简单的结构，连续、可顺逆调节的阻尼力，以及大的可调范围、很快的响应速度等优良特性受到广泛关注。目前，磁流变阻尼器已在车辆悬挂系统、斜拉桥拉索振动控制、海洋平台结构的减振及高层建筑的隔振等方面得到了初步的应用，并且展现出了良好的应用前景。 磁流变阻尼器通常的组成部分通常有活塞杆，活塞头，由浮动活塞或隔膜来分离的液压和气动水缸。在液压缸里，活塞杆连接到活塞头，活塞头上有磁路,例如由同心的线圈组成的管状磁通量回路。当活塞杆带动整个结构运动时，液体流过活塞头上的一个环形间隙。在这个过程中，只要在间隙中为活塞头上的线圈提供一个磁场就可以增加环形间隙中磁流变液的屈服应力。屈服应力的增强改变了间隙中磁流变液的流速剖面并提升压力缩短了活塞头的位移。这样，磁流变阻尼器能产生可控场依赖型屈服力，另外加上一个速度依赖型粘性阻尼力。当线圈内的电流增大，节流孔内磁场就会增强，磁流变液流过节流孔的阻力随之增大，使得阻尼器输出的阻尼力增大，反之，电流减小，阻尼力也减小。因此通过对输入电流的调节，即可控制阻尼器阻尼力的大小。目前市场上供应的磁流变阻尼器主要为电流调节式，如美国LORD公司的RD-1005型MR阻尼器。 磁流变阻尼器根据工作过程中磁流变液的受力状态和流动特点的不同，主要分为阀式、剪切式、剪切阀式和挤压流动式，其中阀式阻尼器的特点是通过迫使磁流变液通过一对固定极板间隙产生阻尼；剪切式阻尼器在工作过程中，上下极板以一定的相对速度平行运动；剪切阀式磁流变阻尼器内的磁流变液既像阀式磁流变阻尼器内的磁流变液那样受到挤压被迫通过两极板，又像剪切式磁流变阻尼器内的磁流变液那样受到两极板相对运动时产生的剪切作用；挤压流动式的磁流变阻尼器的原理是两极板以一定相对速度作接近或拉开运动，它迫使流体向与极板运动速度垂直的方向流动。不过由于这种类型的减振设备存在一些缺点受到一定的限制，如磁路设计比较复杂和此类设备的工作原理决定了磁路间隙受场强设计的限制不可能太大等，因此，这种减振器只适合振幅不大的减振对象。 磁流变作为一种性能优良的新型阻尼器，随着研究的不断深入，技术的不断改进，会在越来越多的领域发挥其作用。

1.2自供能技术

自供能技术，也称为“自供电”，是一种将系统周围环境中存在的能量，如

太阳能，机械能等，转换为电能并储存，为无线传感器网络节点及其他微型电子器件永久供能的技术。在无线传感器网络节点供能、植入结构内部的智能结构和材料、不能有电源的场合（易燃易爆）测量、运动物体内部测量（电机转子）、生物体内部检测、便携式供能装置等领域有极高的应用价值，在国民经济和国防建设中具有重要意义。

2研究目的及研究意义 作为一种被应用于交通，建筑等工程领域的能量吸收装置，磁流变阻尼器能否在各种工作环境中长期可靠工作显得十分重要。 作为磁流变阻尼器的重要部分的磁流变液，是一种由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。磁流变液是一种可控流体，在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的特性。由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，所以，磁流变阻尼器在应用中表现出了良好的性能。但是，磁流变液的特性会受到很多因素的影响，例如，温度、磁性材料的形状、体积百分比、屈服应力、剪切应力等。所以，要使磁流变阻尼器能够正常地工作，必须保证磁流变液的工作环境在允许的范围

之内[3]。为了监控磁流变液的工作环境，需要在磁流变阻尼器中安装各种传感器，如温度传感器，应力传感器等。为了传感器得到的数据真实可靠，在不影响磁流变阻尼器正常工作的情况下，选择传感器直接与磁流变液接触。因为磁流变阻尼器本身是一个密封的环境，所以在通常情况下，传感器（系统）是被封装好后安装在阻尼器中，测得信息通过无线信号传递出来。 大多数情况下，安装在密闭空间中的传感器都是由能量十分有限的电池供电，由于磁流变阻尼器是一个密闭空间且为了阻尼器的性能和工作寿命不受影响，一般不会将阻尼器拆开，所以，通过更换电池的方式来补充能源是不现实的，必须找到一种更有效的能源供给方式，使用现在日渐成熟的自供能技术，从环境中获得能量是一种有效的途径。 在磁流变阻尼器工作的过程中，阻尼器内部的磁流变液运动，只要能设计出将磁流变液运动中的一部分机械能转化为电能的装置，并设计出实现能量存储和能量管理的电路，就能使传感器正常工作。随着磁流变阻尼器的在各个领域的应 用，如何保证阻尼器，特别是那些安装在重要工作环境（如桥梁，高层建筑等）的磁流变阻尼器能够正常工作是一个重要问题，由于用传统方法为传感器进行能源供给有一定的局限性，所以设计一个磁流变阻尼器内部工作状况监测的自供能电路十分重要，它不但可以确保传感器能长期有效地工作，使传感器能更好地对磁流变阻尼器内部的情况进行真实的反馈，提高了磁流变阻尼器工作的可靠性，同时也能有效的节约能源，省去许多因为使用传统方法为传感器供电带来的麻烦。

3相关技术国内外研究现状 磁流变效应在国外已经被应用在航天、电子、化工、能源等许多领域，美国已进入了工业化生产，David Simon，Mehid Ahmadian等人把磁流变阻尼器应用于重型卡车上。在我国，重庆大学的廖昌荣，余淼等对磁流变阻尼器的设计进行了研究，上海交通大学的陈吉安对应用于汽车的磁流变液阻尼器进行了设计，此外，哈尔滨建筑大学、电子科技大学、西北工业大学等学校也都在进行磁流变效应的研究，不过国内的研究尚属于实验室阶段，与国外尚有一定的差距。 为了确保磁流变阻尼器能够正常工作，对磁流变阻尼器内部工作状况进行监控的方法上，近来有不少研究人员提出了各种新的想法，国外的 Sk Faruque Ali 和Ananth Ramaswamy以及国内的王代华教授等都磁流变阻尼器的研究中提出了对磁流变阻尼器的监控方法。 要对磁流变阻尼器内部工作状况进行有效的长期监控，自供能技术是必不可 少的。自供能技术即是将系统所在环境中存在的机械能，太阳能等各种形式的能量利用各种物理学方法和各种新型材料转换为电能并储存，为传感器及其他微型电子器件永久供能的技术。 在传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术日益成熟的今天，由于各种传感器的数量越来越多，分布的地区越来越广，分布地区的环境也越来越恶劣，要持续地给传感器以及后续的电路供电十分困难,自供能技术也受到了更多的关注。有不少的研究机构都对自供能技术进行了研究，对磁流变阻尼器内部工作状况监控的自供能电路的设计有很重要的帮助。中国科学院电工研究所的苏波，李艳秋等提出的利用太阳能电池和温差电池为传感器及后续电路供电，使传感器和后续电路有效地工作是一个自供能技术的成功范例。重庆大学的李平，文玉梅等在自供能无线传感器技术方面发表了大量的论文，此外还申请了一种用于传感器的自供电机构，一种电磁能自供电传感器等多项专利。 在自供能电路中，能量的存储和管理是两个重要的环节。如何将微弱的能量 存储起来并有效地进行使用，国内外都对此进行过研究。在国外，R.J.M. Vullers， R. van Schaijk ，I. Doms ，C. Van Hoof ，R. Mertens 等人对微小能量的管理进行过大量的研究[9]。在国内，在对微弱能量的存储和管理方面，也有许多的学者在进行着研究，比如重庆大学的李平教授、文玉梅教授等开展的自供能无线传感器技术的研究，河北沧州职业技术学院的孙玉军在电磁能源管理电路工作原理及其应用进行的研究等。 自供能技术不还仅仅局限于传感器电能的供应上，各国的研究者和工程人员 还将自供能技术应用到了日常生活中的许多方面。国外，日本铁路当局在繁忙的 东京地铁，安装压电式发电地板，这种地板能将乘客走路时产生的能量利用压电效应转换成电能，开始时这种“发电地板”在车站的铺设面积约90平方米。一个人通过时产生的电量就可使100瓦灯泡发光0.01秒，一天的电量约可点灯80分钟。美国佐治亚理工大学的科研人员研制出了一种可将踢踢腿、扭扭腰、耸耸肩等这些看似无用的动作中的机械能转变成电能的“纳米发电机”。这些微小的机械能被转化为电能后，能满足植入人体的医疗设备等供电需求，而无须通常的外接电池。在国内，也有利用磁感效应设计出的无需装电池的电视机遥控等一批绿色环保的自供能设计。 随着人们对环保的认识的加深，以及自供能技术的不断发展，自供能技术将更有效地工作在更多的领域。