閔 峰，孫 亮，王利偉，牟 亮

(重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

磁流變(MR)阻尼器是半主動(dòng)控制裝置中發(fā)展得較快的一種，因其具有阻尼力逆順可調(diào)、響應(yīng)快、可調(diào)范圍大、溫度穩(wěn)定性良好以及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)［1］，在半主動(dòng)控制裝置中得到廣泛關(guān)注。

MR阻尼器是以磁流變脂(MRG)、磁流變液(MRF)等在外加磁場中其剪切強(qiáng)度可變的新型功能材料為基礎(chǔ)研制的阻尼器。MRF在長期使用過程中存在沉降問題［2］，而且其初始阻尼小;MRG不存在沉降問題，因?yàn)樗窃诨刑砑恿艘欢康拇判粤Ｗ优c添加劑混合而成。MRG阻尼器也是根據(jù)在外加磁場作用下脂中的磁性粒子按照一定的方向排列，從而影響脂的流變學(xué)特性的原理工作的［3－4］。本文設(shè)計(jì)了以 MRG為填充材料的阻尼器，并對該型擠壓式MRG阻尼器進(jìn)行示功特性試驗(yàn)，考察了其在不同頻率、電流下示功特性的變化情況。

1 MRG阻尼器及示功特性試驗(yàn)

1.1 工作原理和示功特性

MR阻尼器有擠壓、流動(dòng)、剪切等3種工作模式。本文采用的MRG阻尼器是擠壓模式，其位移很小，但是調(diào)節(jié)的阻尼較大。MRG阻尼器結(jié)構(gòu)見圖1。MRG比MRF黏稠，初始阻尼較大，流變性能比MRF更有規(guī)律，理論上MRG阻尼器的示功特性應(yīng)該比較穩(wěn)定。

圖1 MRG阻尼器結(jié)構(gòu)原理

工作時(shí)，阻尼器下部與基座連接，上部直接與振源下端相連，給線圈加以可控電流(即給MRG加可控磁場)，則MRG的套筒腔內(nèi)會產(chǎn)生垂向磁場。當(dāng)阻尼器所受激勵(lì)向下(上)時(shí)，活塞板自上(下)而下(上)運(yùn)動(dòng)，下(上)腔的MRG受到活塞板擠壓后，形成橫向流動(dòng)，且通過活塞板與套筒間狹窄的通道進(jìn)入上(下)腔，從而在可控垂向磁場作用下，活塞運(yùn)動(dòng)所受阻力發(fā)生變化，達(dá)到阻尼力可調(diào)節(jié)的效果。

示功特性是在1個(gè)完整周期的往復(fù)振動(dòng)過程中，阻尼器的阻尼力F與相對位移的關(guān)系曲線。設(shè)MGR阻尼器以頻率f、振幅AX作簡諧振動(dòng)，設(shè)Ce為阻尼器的阻尼系數(shù)，則示功特性可表示［5］為

假設(shè)Ce為常數(shù)，上式表示的示功曲線是一個(gè)關(guān)于阻尼力F和位移X的橢圓方程。但是阻尼系數(shù)Ce受多因素(尤其是勵(lì)磁電流)影響，因此，在不同工況下，阻尼力與速度之間并非簡單的線性關(guān)系。示功曲線(示功圖)是檢驗(yàn)阻尼器性能的重要依據(jù)。

1)阻尼器1個(gè)振動(dòng)周期所耗散的振動(dòng)能量由示功圖包圍的面積表示，而面積的大小表示其耗散能力。因此，為了加強(qiáng)阻尼器的耗散能力，應(yīng)力求示功圖形狀圓潤飽滿、平滑穩(wěn)定、連續(xù)完整。同時(shí)，當(dāng)示功圖發(fā)生突變、畸變等異常情況時(shí)，可以推斷阻尼器內(nèi)部存在缺陷。

2)在不同工況(同頻率不同電流或同電流不同頻率)下，阻尼器示功圖面積發(fā)生變化，可以確定阻尼器有效工作頻率的范圍及各控制電流，從而為MRG阻尼器的半主動(dòng)控制提供科學(xué)依據(jù)。

1.2 示功特性試驗(yàn)

試驗(yàn)是在零部件試驗(yàn)系統(tǒng)(MTS TSC871)上進(jìn)行的。設(shè)置激振器的頻率和振幅，給MRG阻尼器的線圈中輸入一定電流。注意采集MRG阻尼器的輸出力和位移傳感器信號的相關(guān)數(shù)據(jù)。現(xiàn)場試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 MRG阻尼器試驗(yàn)裝置

具體測試內(nèi)容:對MRG阻尼器施加激勵(lì)的振幅為 0.8 mm，頻率為 1、5、10、15、20、30、40、50 Hz，電流i從0 A開始，以0.2 A遞增。依次加載后，當(dāng)電流或頻率增加到一定值時(shí)，示功圖若出現(xiàn)明顯變化，則不再增加頻率或電流。

2 MGR阻尼器試驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)束試驗(yàn)測試后，用Matlab完成數(shù)據(jù)處理［6］，畫出示功圖。MRG阻尼器的示功特性見圖3。

從示功曲線看，MRG 阻尼器在 f=1、5、10、15 Hz時(shí)圖形近似于矩形，示功曲線比較飽滿，不論是復(fù)原行程還是壓縮行程，阻尼力變化較小，說明其穩(wěn)定性很強(qiáng)。在示功圖兩端，即在復(fù)原行程和壓縮行程轉(zhuǎn)換時(shí)刻，阻尼力在瞬間達(dá)到很大值。如圖4所示，阻尼力類似于階躍變化，轉(zhuǎn)換很清晰，響應(yīng)不僅速度快，而且效果好。這是由于MRG阻尼器初始阻尼就比較大，在低頻時(shí)，速度慢，黏性阻尼力隨速度變化很小，而庫侖阻尼力在一定電流下幾乎是不變的，因而阻尼器的阻尼力在各行程變化都較小。

圖4 MRG阻尼器1個(gè)循環(huán)的阻尼力變化曲線

頻率逐步增加后，示功圖形狀開始出現(xiàn)細(xì)微波動(dòng)，曲線光滑度降低;當(dāng)f=20 Hz時(shí)，示功圖畸變較為明顯;當(dāng)f=30 Hz時(shí)，示功圖畸變更為嚴(yán)重。這種畸變的主要原因是:與MRF相比，MRG更為黏稠，頻率增大后，活塞運(yùn)動(dòng)速度也相應(yīng)加快，同時(shí)MRG高速流動(dòng)性能較差，導(dǎo)致上下腔的MRG交換的速度跟不上活塞的速度，出現(xiàn)行程不足、空程畸變，使MGR阻尼器的阻尼力不穩(wěn)定［7－8］。由圖3(f)可以看出，活塞的最大行程約為0.5 mm，低于設(shè)定的0.8 mm。頻率提高到一定程度后，MRG運(yùn)動(dòng)較為無序，導(dǎo)致油封和活塞的摩擦加劇，并且此摩擦不可忽略。這些是影響阻尼力波動(dòng)的重要因素。

采用微小單元累加求和法［9］求出每一個(gè)示功圖的面積，這比僅從示功圖上描述減振能力隨激振頻率、勵(lì)磁電流的變化規(guī)律更準(zhǔn)確。部分示功圖的耗散功如表1所示，耗散功隨勵(lì)磁電流、頻率的變化曲線如圖5所示。

圖5 耗散功隨勵(lì)磁電流、頻率的變化曲線

表1 循環(huán)耗散功(kN·mm)

由表1和圖5可以看出:

1)在同一激勵(lì)頻率下，隨著激勵(lì)電流的增加，阻尼器耗散能量不斷增加。當(dāng)電流增加到某一值時(shí)，耗散能量開始減小，耗散能量最大時(shí)對應(yīng)的電流為最大有效激勵(lì)電流imax。當(dāng)頻率為30 Hz時(shí)，由于出現(xiàn)了高頻畸變，耗散能量無明顯變化。

2)在同一激勵(lì)電流下，隨著激勵(lì)頻率的增加，阻尼器耗散能量不斷增加。從總體上看，當(dāng)頻率為15 Hz時(shí)，耗散能量還在增加。頻率在20 Hz時(shí)耗散能量開始明顯減小。耗散能量最大時(shí)對應(yīng)的頻率為最大有效激勵(lì)頻率fmax。

3 結(jié)論

1)在較低頻率下，MRG阻尼器阻尼力變化很小，示功特性很穩(wěn)定，示功圖類似于矩形，與預(yù)測吻合。

2)MRG阻尼器在同一頻率下示功曲線的大致輪廓不隨激勵(lì)電流的變化而變化，激勵(lì)電流只改變示功曲線包圍的面積。

3)在同一激振頻率下，隨著激勵(lì)電流的增加，示功圖面積先不斷增加，后逐漸趨于穩(wěn)定。阻尼器衰減振動(dòng)的能力在不斷增強(qiáng)，且得出了各頻率下阻尼器的最大有效激勵(lì)電流imax，可以為計(jì)算MRG阻尼器的最大有效加載電流提供參考。

4)在同一激勵(lì)電流下，隨著激振頻率的增加，示功圖面積先不斷增加，后明顯減小。阻尼器衰減振動(dòng)的能力先不斷增強(qiáng)，后不斷減弱。得出本文擠壓式MRG阻尼器最大有效激振頻率fmax范圍為15～20 Hz，可以為計(jì)算該MRG阻尼器的最大適用振源頻率提供參考。

自行設(shè)計(jì)的MRG阻尼器不僅解決了阻尼器內(nèi)部材料沉降的問題，同時(shí)也達(dá)到了一定的性能水平，更提高了阻尼器的穩(wěn)定性。此次MRG阻尼器示功特性的試驗(yàn)研究可以為后期試驗(yàn)、MRG懸置振動(dòng)應(yīng)用等提供重要參考和依據(jù)。

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