擠壓式磁流變脂阻尼器示功特性

閔 峰，孫 亮，王利偉，牟 亮

(重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074)

磁流變(MR)阻尼器是半主動控制裝置中發展得較快的一種，因其具有阻尼力逆順可調、響應快、可調范圍大、溫度穩定性良好以及結構簡單等優點［1］，在半主動控制裝置中得到廣泛關注。

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度可變的新型功能材料為基礎研制的阻尼器。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，因為它是在基脂中添加了一定量的磁性粒子與添加劑混合而成。MRG阻尼器也是根據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特性的原理工作的［3－4］。本文設計了以 MRG為填充材料的阻尼器，并對該型擠壓式MRG阻尼器進行示功特性試驗，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

1.1 工作原理和示功特性

MR阻尼器有擠壓、流動、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，但是調節的阻尼較大。MRG阻尼器結構見圖1。MRG比MRF黏稠，初始阻尼較大，流變性能比MRF更有規律，理論上MRG阻尼器的示功特性應該比較穩定。

圖1 MRG阻尼器結構原理

工作時，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的套筒腔內會產生垂向磁場。當阻尼器所受激勵向下(上)時，活塞板自上(下)而下(上)運動，下(上)腔的MRG受到活塞板擠壓后，形成橫向流動，且通過活塞板與套筒間狹窄的通道進入上(下)腔，從而在可控垂向磁場作用下，活塞運動所受阻力發生變化，達到阻尼力可調節的效果。

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

假設Ce為常數，上式表示的示功曲線是一個關于阻尼力F和位移X的橢圓方程。但是阻尼系數Ce受多因素(尤其是勵磁電流)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系。示功曲線(示功圖)是檢驗阻尼器性能的重要依據。

1)阻尼器1個振動周期所耗散的振動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，為了加強阻尼器的耗散能力，應力求示功圖形狀圓潤飽滿、平滑穩定、連續完整。同時，當示功圖發生突變、畸變等異常情況時，可以推斷阻尼器內部存在缺陷。

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阻尼器的半主動控制提供科學依據。

1.2 示功特性試驗

試驗是在零部件試驗系統(MTS TSC871)上進行的。設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數據。現場試驗裝置如圖2所示。

圖2 MRG阻尼器試驗裝置

具體測試內容:對MRG阻尼器施加激勵的振幅為 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，當電流或頻率增加到一定值時，示功圖若出現明顯變化，則不再增加頻率或電流。

2 MGR阻尼器試驗結果與分析

結束試驗測試后，用Matlab完成數據處理［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時圖形近似于矩形，示功曲線比較飽滿，不論是復原行程還是壓縮行程，阻尼力變化較小，說明其穩定性很強。在示功圖兩端，即在復原行程和壓縮行程轉換時刻，阻尼力在瞬間達到很大值。如圖4所示，阻尼力類似于階躍變化，轉換很清晰，響應不僅速度快，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，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個循環的阻尼力變化曲線

頻率逐步增加后，示功圖形狀開始出現細微波動，曲線光滑度降低;當f=20 Hz時，示功圖畸變較為明顯;當f=30 Hz時，示功圖畸變更為嚴重。這種畸變的主要原因是:與MRF相比，MRG更為黏稠，頻率增大后，活塞運動速度也相應加快，同時MRG高速流動性能較差，導致上下腔的MRG交換的速度跟不上活塞的速度，出現行程不足、空程畸變，使MGR阻尼器的阻尼力不穩定［7－8］。由圖3(f)可以看出，活塞的最大行程約為0.5 mm，低于設定的0.8 mm。頻率提高到一定程度后，MRG運動較為無序，導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的重要因素。

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

圖5 耗散功隨勵磁電流、頻率的變化曲線

表1 循環耗散功(kN·mm)

由表1和圖5可以看出:

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

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

3 結論

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

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

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

4)在同一激勵電流下，隨著激振頻率的增加，示功圖面積先不斷增加，后明顯減小。阻尼器衰減振動的能力先不斷增強，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，可以為計算該MRG阻尼器的最大適用振源頻率提供參考。

自行設計的MRG阻尼器不僅解決了阻尼器內部材料沉降的問題，同時也達到了一定的性能水平，更提高了阻尼器的穩定性。此次MRG阻尼器示功特性的試驗研究可以為后期試驗、MRG懸置振動應用等提供重要參考和依據。

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