磁性液體阻尼減振器的實驗研究

朱姍姍， 李德才， 崔紅超

(1.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044; 2.北京工業職業技術學院,北京 100042)

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磁性液體阻尼減振器的實驗研究

朱姍姍1,2， 李德才1， 崔紅超1

(1.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044; 2.北京工業職業技術學院,北京 100042)

基于二階浮力原理，著重研究了磁性液體阻尼減振器不同殼體內壁、不同端蓋錐角對減振器減振性能的影響。通過試驗分析得知粗糙內壁的殼體減振性能優于光滑內壁的殼體；在一定范圍內，端蓋錐角大的減振器減振性能比端蓋錐角小的減振器減振性能好。

磁性液體；殼體；端蓋錐角；減振性能

在理想狀態下，長期載人空間站在軌期間處于失重狀態，有很多因素引起振動，而且在失重狀態與真空環境的雙重影響下，振動會對空間站的運行產生嚴重影響。在特殊的工作環境中，對減振設備也提出了更高的要求。首先空間站的減振器要求結構簡單、體積小、質量輕且可靠性高。其次，因為航天器中較長物體(如太陽能帆板、衛星天線等)的局部振動具有頻率低、位移小、加速度小的特征，所以要求減振器對慣性力非常敏感。

普通減振器結構復雜，很難滿足空間環境的特殊要求，而基于磁性液體二階浮力原理的磁性液體阻尼減振器在很大程度上滿足了空間環境的特殊要求。磁性液體是一種由包覆有表面活性劑的納米鐵磁性或亞鐵磁性顆粒分散于液態載液中形成的穩定的膠態懸浮液。在磁性液體研究早期，美國NASA宇航局最先開始了對磁性液體阻尼減振的研究，隨后磁性液體阻尼器和調諧磁性液體阻尼器等多種阻尼器成為科研人員的研究熱點[1]。

1 磁性液體阻尼減振器的結構及其工作原理

磁性液體是一種新型的功能材料，它既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性，在磁場的作用下，呈現出普通液體所沒有的特性。一方面，磁微粒子在基載液中不停地做布朗運動，即使在重力、磁力、離心力同時作用下也不會發生固液分離；另一方面磁性液體具有超順磁性，在外加磁場下，會出現相應的磁特性、黏滯性、流變性和雙折射性等獨特的性能。基于磁性液體二階浮力原理的磁性液體阻尼減振器既不需要外加磁場或任何激勵、減振性能穩定，并且壽命長、無泄漏[2]。磁性液體二階浮力原理是指磁性液體可以將浸在其中的比重比磁性液體大的永久磁鐵懸浮起來。利用磁性液體的雙重特性以及永久磁鐵在磁性液體中自懸浮的性質，通過永久磁鐵在磁性液體中做往復運動需要吸能而達到消能減振的效果，設計了磁性液體阻尼減振實驗臺，減振器的減振原理如圖1所示，對磁性液體阻尼減振器減振性能進行研究[3]。

圖1 磁性液體阻尼減振原理Fig.1 The theory of magnetic fluid damper

磁性液體阻尼減振器由非磁性外殼、圓柱形永久磁鐵和磁性液體組成。當永久磁鐵浸沒于磁性液體中時，在垂直方向上，永磁體受到自身重力Fg的作用而向下運動，同時還受到磁性液體對它產生的方向向上的浮力Ff和阻力Fr作用；當永磁體接近殼體時，由于殼體為非磁性的，永磁體下方的磁力線被壓縮，在永磁體下方產生比上方更大的磁場強度梯度，從而在永磁體上下表面產生一個向上的磁壓力Fm與重力平衡，使永磁體懸浮在磁性液體中。在整個運動過程中，力的平衡方程為：

F=Fg-Fm-Ff-Fr

式中:F為永磁體運動過程中所受的合力。當永磁體達到自懸浮時，Fr=0，永磁體只受到Fg,Ff和Fm的作用，此時力的平衡方程為：

Fg=Ff+Fm

理想狀態下，空間站在軌期間處于失重狀態，則力的平衡方程為：

Ff+Fm=0

根據這種自懸浮的原理，永磁體便能穩定的懸浮在磁性液體中。當減振器受到外界的沖擊時，永磁體會偏離平衡位置向殼體的一側移動，壓縮磁力線，從而產生一個指向平衡位置方向的磁壓力，使永磁體往復運動，直至穩定在平衡位置。這樣永磁體在運動過程中帶動磁性液體運動做功而吸收能量，最終達到消能減振的效果[4]。

2 磁性液體阻尼減振實驗

2.1 磁性液體選擇

由于氟碳化合物基磁性液體具有良好的穩定性，耐酸堿性和抗輻射性。本試驗選用購買的黏度為232 mPa·s 的氟碳化合物基磁性液體[5]。

2.2 永久磁鐵的選擇

由于銣鐵硼(NdFeB)屬第三代稀土永磁材料，是當代磁性最強、性能最好的永磁材料。在磁性液體阻尼減振器中使用燒結釹鐵硼永久磁鐵[6]。經過特殊處理的永久磁鐵，其最高工作溫度可達200℃。而且前期的科研人員在太空的射線收集試驗中也是使用了銣鐵硼，證明銣鐵硼能夠應用于宇宙空間環境中的宇航設備上[7]。

由于試驗是利用永久磁鐵在N-S兩極所吸附的磁性液體與減振器的上下兩個面的壓力來產生速度梯度，進而產生摩擦力，消耗能量。圓柱形永久磁鐵吸附磁性液體時，圓周面和上下兩個面的磁性液體也比較飽滿，由此在試驗過程中產生的壓力大，使得磁性液體的速度梯度大，減振效果更加明顯。由此根據減振器的大小選擇兩個銣鐵硼φ30 mm×10 mm的永久磁鐵疊加試驗。

2.3 磁性液體阻尼減振器的設計

2.3.1 黏性液體管內流動沿程損失與局部損失理論推導

根據流體力學中黏性流體管內流動的總流Bernoulli方程：

hw=∑hf+∑hj

即黏性流體在管道中流動時，產生的能量損失可分為hf和hj兩類，其中hf為單位重力流體的沿程損失，hj為單位重力流體的局部損失。

而l為流程長度或管道長度；d為管道內徑；λ為沿程損失系數，無量綱。

并且ζ為局部損失系數，無量綱。

2 320

反算出Δ，得出工業管道的當量粗糙度。之所以是當量粗糙度，是因為實際管道的粗糙凸出程度是不均勻的，將反算出的均勻的粗糙度代替一個不均勻的粗糙度，不是實際的粗糙度[8]。

2.3.2 減振器結構設計

本試驗采用不導磁的ABS材料加工的減振器外殼進行減振試驗。為了得到更好的減振效果，將減振器外殼的端蓋的內表面加工為錐形，如圖2所示。以粗糙度測量儀測量端蓋內表面Ra值分布在[3.84 μm,46.72 μm]范圍內。當永久磁鐵偏離中心時，端蓋的錐形內表面會作用于磁性液體一個回復力，不同端蓋錐角時磁性液體的受力狀態如圖3所示。端蓋錐角作用于磁性液體的回復力可以保證在失重環境下永久磁鐵始終處于減振器的中心位置。

圖2 磁性液體阻尼減振器結構簡圖Fig.2 The structure of magnetic fluid damper

圖3 磁性液體在不同端蓋錐角下受力狀態Fig.3 The forced state of magnetic fluid in different cone angle

為了驗證不同端蓋錐度對減振性能的影響，端蓋采用不同角度，分別為175°、170°。

本設計選用內壁為規則圓柱面為磁性液體的殼體，沒有彎管、孔板、漸放管和漸縮管結構，因此先不考慮磁性液體殼體內的局部損失。根據黏性液體管內流動沿程損失與局部損失的理論推導，hf∝λ∝Δ，前人在試驗中均選擇光滑的金屬或者非金屬作為阻尼減振器的磁性液體的殼體，本設計中選擇殼體內表面極其粗糙的由3D打印成型的ABS殼體作為磁性液體阻尼減振器的外殼，與光滑內壁的外殼試驗對比減振性能，殼體內壁均為φ60 mm×25 mm。

2.4 振動系統的力學模型

對于黃銅板，以黃銅板的集中質量代替分布質量來建模；針對參數化模型不能直接反映阻尼器逆向動態特性、非參數化建模需大量試驗數據問題[9]，結合兩者則黃銅板與阻尼減振器兩個質量塊的振動微分方程為：

假設其解的形式為：

xj(t)=Xjeiωt,j=1,2

則

X1=

引入以下符號：

μ=m2/m1

X1/δst=

X2/δst=

如果阻尼為零(即c2=ζ=0)，則共振發生在系統的兩個無阻尼共振頻率處，共振將導致X1=∞，因此當c2=0和c2=∞時，X1的峰值為無窮大，所以在兩個極限之間必定存在某個阻尼值使X1的峰值最小。將ζ=0和ζ=∞兩種臨界情況代入式

X1/δst=

并令兩者相等，可以確定這兩點：

ga=ωa/ω，gb=ωb/ω，分別代入式X1/δst=

即：

基于試驗要求振動頻率低、振幅小的特點，振動裝置選用黃銅板。該實驗采用自由振動實驗，以初始位移作為激勵條件，以消振時間長短作為反映阻尼器性能的指標。采用其一端固定， 另一端自由端安裝磁性

液體阻尼減振器。為了得到不同頻率的振動，選取不同長度的銅板進行試驗，銅板的寬度和厚度分別為50 mm 和5 mm。銅板長度為0.5 m～2.0 m，銅板懸臂梁頻率范圍為0.75 Hz～5.80 Hz的振動，懸臂梁提供振幅范圍10 mm～20 mm。

3 實驗結果及分析

3.1 試驗結果

試驗裝置采用壓電式加速度傳感器(內部集成了信號放大器)，數據采集系統、分析處理軟件DASP和計算機組成。實物連接如圖3所示，試驗數據分別如表1和表2所示。其中圖4中所示有兩個傳感器信號，銅板下端的傳感器位于銅板振幅最大處，實驗中采集的數據來源于銅板下端的傳感器信號。

圖4 振動分析試驗裝置Fig.4 The device of analysis on vibration

銅板長度/m0.51.01.52.0銅板自由端初始偏移量/mm1020102010201020端蓋錐度/(°)10°5°10°5°10°5°10°5°10°5°10°5°10°5°10°5°消振時間/s3.026.139.0813.735.258.4512.0418.577.579.2314.8919.648.9410.6116.8221.27

表2 磁性液體阻尼減振粗糙內壁殼體試驗研究

3.2 試驗分析

試驗中首先考慮磁性液體阻尼減振器的內表面粗糙度相對于較光滑內表面減振器的減振性能。黏性流體在管道中流動時，產生的能量損失可分為hf和hj兩類，即hw=∑hf+∑hj。從試驗數據得知，在相同銅板長度、相同銅板自由端初始偏移量、相同的端蓋錐度的試驗中，粗糙內表面的減振器的消振時間明顯較光滑內表面的消振時間短。

試驗中，采用同樣的振動激勵時，不同長度的黃銅板在減振中表現的消振時間不同。由于

不同長度的黃銅板與減振器的質量比不一致，減振器的固有頻率ωa和主質量的固有頻率ωn比不一致，所表現的減振性能也不一致。

試驗中采用長度相同的黃銅板和相同的振動激勵時，不同端蓋錐角的減振器的減振時間也不一致。試驗中采用的減振器的端蓋錐角分別是5°和10°，在本試驗范圍內，采用10°的端蓋錐角比采用5°的端蓋錐角減振時間短。根據圖3所示，不同端蓋錐角對磁性液體的回彈力不同。在相同的振動狀態下，在一定范圍內，端蓋錐角越大，端蓋對磁性液體沿水平方向的分力，也即能夠使磁性液體回彈的力越大。

4 結 論

(1) 利用二階浮力原理設計的磁性液體阻尼減振器，選用不同殼體，其內表面粗糙度不同，對減振時間有明顯的影響；

(3) 磁性液體阻尼減振器的端蓋錐度對減振性能也有一定的影響，在一定范圍內，端蓋錐度較大的減振器比端蓋角度較小的減振器減振性能好。

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Tests for magnetic fluid dampers

ZHU Shanshan1,2, LI Decai1, CUI Hongchao1

(1.School of Mechanical, Electronic and Control Engineering Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.Beijing Vocational Technical College, Beijing 100042,China)

Here,the effects of different inner surfaces and cone angles of a magnetic fluid damper on its vibration reduction performances were studied with tests based on the theory of second-order buoyancy. The test analysis results showed that the vibration reduction performance of a shell with rough inner surface is better than that of a shell with smooth inner surface; the vibration reduction performance of the damper with a larger cone angle is better than that with a smaller one in a certain range.

magnetic fluid; shell; cone angle; vibration reduction performances

2015-05-08 修改稿收到日期：2015-10-11

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.19.031

作 者 朱姍姍 女，博士生,講師