磁流變液減振器的結構設計與性能研究

宗全喜，林廣文，廖華棟，劉旭輝

（1.上海格思信息技術有限公司，上海 201210；2.上海應用技術學院 機械工程學院，上海 201418）

0 引言

磁流變液是一種智能材料，它可以由自由流體狀態轉換到半固態，一旦撤去磁場，它又恢復到原來的自由流體狀態，其轉換過程一般在幾毫秒內完成［1-2］。磁流變液減振器，就是內部填充了磁流變液作為阻尼介質，它有以下優點：結構簡單，響應快速，低能耗，連續性以及阻尼可調，因而可廣泛應用于建筑結構的振動控制、飛機起落架和汽車懸架系統等［3］。作為一種可控磁流變液減振器，其工作模式主要包括以下3 種類型：流體模式，剪切模式和擠壓模式。由于磁流變液減振器的力學性能決定著其應用領域，因此對其力學性能的研究成為該領域內的關鍵問題。

本文設計了一種新型磁流變液減振器，介紹了工作原理和結構，并對它的工作模式進行了分析。同時，設計了一套數據測試系統用于研究其力學性能，測試結果為磁流變液減振器的進一步應用提供了理論和實驗依據。

1 磁流變液減振器的設計

根據磁流變減振器的工作模式，磁流變減振器可以分為三種主要類型，分別是流動模式、剪切模式和擠壓模式［4］，另外剪切模式和流體模式又被稱為擠壓流體模式，對于這3 種工作模式，有以下特點和差異：1）流動模式。磁流變液置于兩個相對靜止的盤之間，在壓差的作用下，磁流變液從兩盤之間流過，作用力被分成兩部分ΔPη和ΔPτ，ΔPη的構成與磁流變液的黏度有關，ΔPτ是由磁場決定的屈服應力構成。2）剪切模式。磁流變液置于兩個相對運動的剪切板之間，在磁場的作用下產生剪切力，剪切力可以分成Fη（粘性部分）和Fτ（由磁場產生），裝置產生的阻尼力為Fη與Fτ之和。3）擠壓模式。磁流變液處于兩盤之間的間隙中，一盤固定，另一盤相對上下運動，產生擠壓。

磁流變液減振器設計成雙出桿結構，圖1 為磁流變液減振器的剖視圖。磁流變液減振器的參數如表1 所示。

表1 磁流變液阻尼器參數

圖1 磁流變液減振器的結構設計

在圖1 中，聚四氟墊片和O 形橡膠圈組合做密封，防止磁流變液從缸筒溢出，在兩端，采用非磁性材料制成的端蓋用來壓緊聚四氟墊圈及固定活塞桿。銅線圈纏繞在活塞桿上，銅絲直徑0.6 mm，匝數為654 匝，剪切間隙h=（D-D1）/2，為2 mm。勵磁線圈通過導線通道連接到外部電源，注液孔用來將磁流變液注射到缸筒內，注滿后，用涂了密封膠的螺栓密封；在活塞桿的左端開有一個用來與力傳感器連接的螺紋孔。

當線圈通入電流時，活塞與缸筒之間形成一個封閉的磁場回路，當活塞運動時，磁流變液從活塞與缸筒的間隙中流過，在磁場的作用下，間隙中的磁流變液從自由流體狀態轉變成半固態，產生磁流變效應，流體阻尼大大增加。因此，磁流變液減振器產生的阻尼可以通過激勵電流來調節。

所用磁流變液樣品為重慶儀表材料研究所研制的-J01T，零磁場下的黏度為0.8 Pa·s，顆粒直徑為1～5 μm，當磁場強度達到B=0.5 T 時，剪切屈服應力大于60 kPa。

2 力學性能測試系統及結果分析

圖2 測試系統

為了研究磁流變減振器的力學性能，建立了一套基于Labview 軟件的磁流變液減振器性能測試系統，如圖2所示，測試原理如下：首先，直流電機開始工作，電機控制器用來控制電機的轉速，這樣滾珠絲桿將直流電機的旋轉運動轉化為直線運動，用連接螺栓將力傳感器連接在減振器的上端，減振器的中心線必須與滾珠絲杠的中心線重合，開啟數據采集通道和Labview 軟件，接通電流，力傳感器的電壓信號經過放大器放大后顯示在Labview 的前面板上，所采集的信號也隨之保存。

圖3 表明了不同剪切速率下，電流對阻尼力的影響。從圖3 我們可以看出，隨著電流的不斷增強，磁流變液減振器的阻尼力也在不斷上升，當電流小于0.5 A 時，阻尼力的上升趨勢非常明顯，然而，隨著電流的不斷增強，阻尼力的上升逐漸趨于飽和狀態。隨著活塞運動速度的增加，阻尼力的變化不明顯。

圖3 磁流變液減振器的阻尼力與電流的關系

3 結論

本文介紹了一種新型的可控磁流變液減振器，并研究了它的力學性能。分析了磁流變液減振器的工作模式，設計了一套測試系統用于研究磁流變液減振器的力學性能，結果表明：隨著電流的增加，磁流變減振器的阻尼力將會增加。與此同時，當電流小于0.5 A 時，阻尼力增加的趨勢更加明顯；隨著電流的不斷增強，阻尼力的上升逐漸趨于飽和狀態。此外，實驗結果還顯示了不同的活塞運動速度對阻尼力所產生的差異不明顯。實驗結果對磁流變液減振器的潛在應用提供了理論經驗基礎。

［1］汪建曉，孟光，陳運西.擠壓式磁流變液阻尼器-轉子系統的動力學特性與控制［J］.機械工程學報，2004，40（3）：76-83.

［2］張莉潔，王炅.沖擊載荷下磁流變阻尼器動態特性實驗分析［J］.兵工學報，2008，29（5）：58-62.

［3］Li Hui，Liu Min，Li Jinhai，et al.Vibration control of stay cables of Shandong Binzhou Yellow River Highway Bridge by using magneto-rheological fluid dampers［J］.ASCE Journal of Bridge Engineering，2007，12（4）：401-409.

［4］王修勇，孫洪鑫，陳政清.磁流變式調諧液柱阻尼器對地震作用的控制研究［J］.振動與沖擊，2008，27（5）：19-23.