擠壓式狀態(tài)切換吸振器設(shè)計(jì)

方坤倫，周杰，趙君麟

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

0 引言

振動(dòng)是工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中普遍存在的物理現(xiàn)象，在大多數(shù)情況下振動(dòng)均有害，常干擾機(jī)器設(shè)備正常運(yùn)行、破壞房屋建筑承載結(jié)構(gòu)、發(fā)出噪聲污染環(huán)境，因此，要對有害振動(dòng)加以控制?？刂普駝?dòng)方法最常見的有消振、隔振和吸振［1］。消振是消除或減弱振源的自身振動(dòng)，是一種治本的方法，但很難實(shí)現(xiàn)。隔振是在振源和受控對象間增加隔振元件，以降低受控對象對振源的反應(yīng)，在工程中應(yīng)用較廣泛，如高層結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、大跨結(jié)構(gòu)抗震等。吸振是在主體上附加一個(gè)子系統(tǒng)產(chǎn)生吸振力從而反作用于受控主體，以降低主體振動(dòng)，一般可與隔振方法同時(shí)使用，在隔振基礎(chǔ)上可進(jìn)一步控制主體振動(dòng)。吸振分為被動(dòng)吸振和主動(dòng)吸振。1902年Frahm發(fā)明了動(dòng)力吸振器（dynamic vibration absorber DVA），至今已有近百年的歷史。動(dòng)力吸振器一般是由振子和彈性元件以及阻尼元件組成。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單，能有效地抑制頻率范圍變化較小的結(jié)構(gòu)與設(shè)備的振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，因此在工程實(shí)踐中得以廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的動(dòng)力吸振器的有效吸振帶寬極窄，一般只針對振動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)頻率［2］。而實(shí)際的振源往往復(fù)雜而且頻帶變化較大，這就大大限制了動(dòng)力吸振器的應(yīng)用范圍。主動(dòng)吸振又分為全主動(dòng)控制吸振和半主動(dòng)控制吸振［3］。全主動(dòng)控制吸振器是一種利用主動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制的裝置。它在傳統(tǒng)的被動(dòng)式吸振器的基礎(chǔ)上引入了能夠?qū)嶋H控制的主動(dòng)力環(huán)節(jié)。其工作原理是利用主動(dòng)力環(huán)節(jié)為減振對象提供一個(gè)與激勵(lì)力等值反向的主動(dòng)力，使其與激勵(lì)力相抵消從而達(dá)到振動(dòng)控制的目的。全主動(dòng)式動(dòng)力吸振器的最大優(yōu)點(diǎn)是在其工作范圍內(nèi)可以達(dá)到極高的減振效果，而且其吸振頻段相對于傳統(tǒng)的動(dòng)力吸振器也有較大拓展。然而，全主動(dòng)式動(dòng)力吸振器的缺點(diǎn)在于其需要附加較大的能量，特別是當(dāng)減振頻率遠(yuǎn)離其固有頻率時(shí)，所需附加的能量會急劇上升，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。半主動(dòng)控制吸振器是一種參數(shù)調(diào)節(jié)式動(dòng)力吸振器，其基本組成與傳統(tǒng)的被動(dòng)式吸振器相同，不同的是其內(nèi)部參數(shù)可調(diào)。其只需要較少的能量就可以實(shí)現(xiàn)自身的某個(gè)參數(shù)可調(diào)，從而改變自身的固有頻率。通過這種方式它可以實(shí)現(xiàn)對激勵(lì)力頻率的實(shí)時(shí)跟蹤，使吸振器保持在最佳的減振狀態(tài)。

磁流變彈性體（magnetorheologieal elastomers）是磁流變材料的一個(gè)新的分支，它是由軟鐵磁性顆粒和聚合物基體組成，它的力學(xué)、電學(xué)諸性能可以由外加磁場來控制。即在磁場作用下，磁流變彈性體內(nèi)部顆粒被磁化后，產(chǎn)生相互作用力。在磁流變彈性體受到形變時(shí)，這些磁力在其內(nèi)部形成反向力矩，增強(qiáng)材料抵抗變形的能力，這種能力會隨著磁場的變化而發(fā)生變化。從宏觀上看，表現(xiàn)為彈性模量隨磁場而變化，即磁流變彈性體的剛度隨磁場而變化。因此，磁流變彈性體在外加磁場下會產(chǎn)生磁致模量和磁致阻尼。這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為磁流變彈性體的磁致效應(yīng)［4］。同時(shí)，內(nèi)部的軟磁性顆粒具有較小的剩磁，故磁流變彈性體在磁場作用下還具有良好的可逆性。由于它兼有磁流變材料和彈性體的優(yōu)點(diǎn)，如響應(yīng)快，可逆性好，可控能力強(qiáng)等，又克服了磁流變液沉降、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，因而近年來成為磁流變材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

根據(jù)磁流變彈性體的受力方向和外加磁場方向的不同，可以分為不同的工作模式。目前常用的兩種工作模式為剪切式和擠壓式，剪切式，這種工作模式下的磁流變彈性體其外加磁場方向與顆粒的成鏈方向平行，而外加載荷的方向與成鏈方向垂直，顆粒鏈?zhǔn)艿郊羟?，所以稱之為剪切模式。擠壓式，在這一工作模式下的磁流變彈性體，其外加磁場方向與顆粒的成鏈方向是平行的，而外加載荷方向與成鏈方向也平行，即基體中的顆粒受到擠壓，因此稱之為擠壓式。在這一工作模式下的磁流變彈性體減振器具有非常強(qiáng)的非線性，但其結(jié)構(gòu)簡單，可以承受較大的載荷，本文設(shè)計(jì)的磁流變彈性體減振器即工作在這一模式下。

1 磁流變彈性體材料的制備

磁流變彈性體的基本制備方法主要分為有磁場制備和無磁場制備兩種。為獲得更大的磁流變效應(yīng)，提高系統(tǒng)的靈敏度，本文選用有場下制備磁流變彈性體。

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及主要設(shè)備

Ni粉、天然橡膠、橡膠防老劑RD、液體石蠟、硫化促進(jìn)劑DM、硫磺粉、天平、雙輥煉膠機(jī)、電熱式平板硫化機(jī)、模具、隔熱手套、直流穩(wěn)壓電源。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

稱取10g天然橡膠、5gNi粉、0.3g橡膠防老劑 RD、0.3g液體石蠟、0.1g硫化促進(jìn)劑 DM、0.3g 硫磺粉;啟動(dòng)煉膠機(jī)，將輥距調(diào)至適當(dāng)距離。放入天然橡膠，輥煉片刻。然后交替加入Ni粉、RD、液體石蠟、硫磺粉、DM。充分輥煉混合物20～30min，輥煉均勻后取下混合物，放置24h;將電熱式平板硫化機(jī)的硫化溫度調(diào)至80℃，然后將模具放置在硫化機(jī)的下平面中間，啟動(dòng)硫化機(jī)加熱模具。等待硫化機(jī)的溫度升至調(diào)定的數(shù)值;帶上隔熱手套，取下模具。用剪刀剪下適量的橡膠、Ni粉的混合物，放入到模具的型腔，然后把模具放進(jìn)平板硫化機(jī)。用導(dǎo)線連接模具和直流穩(wěn)壓電源，調(diào)節(jié)電源電壓為20V，此時(shí)模具線圈中的電流為1A、模具型腔中的磁場強(qiáng)度為1T。維持此時(shí)的溫度和電壓10min，讓橡膠基體中的Ni粉在模具的磁場中形成有序結(jié)構(gòu);調(diào)節(jié)硫化機(jī)的硫化溫度為153℃，保持此溫度10min，讓橡膠完成硫化過程;關(guān)閉硫化機(jī)和直流穩(wěn)壓電源，取下模具，讓其自然冷卻至常溫。開模，取下制備完成的磁流變彈性體。試驗(yàn)中所用模具及制備出的磁流變彈性體如圖1所示。

圖1 磁流變彈性體

2 吸振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 吸振器磁路材料的選擇

根據(jù)磁流變彈性體的工作原理可知，磁路中的磁場是動(dòng)態(tài)變化的，因此導(dǎo)磁材料應(yīng)易被磁化、退磁迅速，其磁滯回線所包圍的面積小，矯頑力低。同時(shí)，為了保證磁流變彈性體的工作區(qū)域中的磁場強(qiáng)度，導(dǎo)磁材料要有高磁導(dǎo)率、低剩磁特點(diǎn)。綜上，本實(shí)驗(yàn)選擇電工純鐵作為吸振器磁路材料，能滿足本實(shí)驗(yàn)的剛強(qiáng)度要求。

2.2 磁路設(shè)計(jì)

磁路設(shè)計(jì)的目的，是設(shè)計(jì)一個(gè)低磁阻的磁路，使得工作區(qū)域的磁場能量最大化。而在其他非工作區(qū)域，盡量減少能量的損失，減小不必要的漏磁。

磁路設(shè)計(jì)的典型步驟:1）根據(jù)磁流變彈性體的飽和磁化強(qiáng)度，確定磁路中最小磁通量的數(shù)值;2）根據(jù)串聯(lián)磁路磁通量處處相等，和φ=BS（φ為磁通量，B飽和磁化強(qiáng)度，S為磁通面積）確定各磁路的磁路橫截面積比例;3）選擇線圈匝數(shù)和電流，NI=∑Rm，Rm為各磁路的磁阻;4）考慮到結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和發(fā)熱等因素，選擇合適的電流，從而確定線圈匝數(shù)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的吸振器如圖2。

圖2 狀態(tài)切換吸振器實(shí)物圖

3 結(jié)語

本文概述了傳統(tǒng)動(dòng)力吸振、全主動(dòng)吸振、半主動(dòng)吸振技術(shù)的各自特點(diǎn)，以及將磁流變彈性體應(yīng)用于半主動(dòng)吸振的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。并從設(shè)計(jì)實(shí)用型磁流變彈性體吸振器的角度出發(fā)，試制了高性能的磁流變彈性體，設(shè)計(jì)制作了實(shí)用型的吸振器。為以后高性能的狀態(tài)切換吸振器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。

［1］顧仲權(quán)，馬扣根，陳衛(wèi)東.振動(dòng)主動(dòng)控制［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1997.

［2］Chen Y，David G Z，Viresh K W R，et al.［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2003，16（4）:203-211.

［3］鄧華夏.磁流變彈性體半主動(dòng)吸振器吸振技術(shù)的研究［J］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

［4］魏克湘，孟光，等.磁流變彈性體隔振器的設(shè)計(jì)與振動(dòng)特性分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，11（47）:69-74.