磁流變液阻尼器與彈性連接的結構性能分析*

閆榮格， 段夢華

(河北工業大學 電磁場與電器可靠性省部共建國家重點實驗室培育基地, 天津 300130)

磁流變液阻尼器與彈性連接的結構性能分析*

閆榮格， 段夢華

(河北工業大學 電磁場與電器可靠性省部共建國家重點實驗室培育基地, 天津 300130)

由于磁流變液阻尼器對高頻隔振效果不佳，現在磁流變液阻尼器多用于低頻減振領域。為了提高磁流變液阻尼器對高頻振動的隔振效率，提出了在磁流變液阻尼器的活塞桿底部加彈性連接的新結構，分析其隔振效率，并對其進行模態分析和力學性能分析。最后利用Simulink模型仿真驗證了磁流變液阻尼器新結構對電機隔振的有效性。

磁流變液阻尼器； 彈性連接； 隔振效率

0 引 言

磁流變液阻尼器具有響應速度快、動態調節范圍寬、功率損耗低、阻尼系數可調等優良性能，已廣泛應用于建筑、機械和汽車結構等領域。但是磁流變液阻尼器在振動時會出現過度硬化現象，使高頻傳遞率增大，故常規磁流變液阻尼器多用于較低頻域的振動控制[1]。本文提出了在磁流變液阻尼器的活塞桿底部加彈性連接的新結構，首先對常規磁流變液阻尼器的單層隔振系統和加彈性連接的磁流變液阻尼器的隔振系統進行了比較；并對新結構進行了模態分析和力學性能分析。最后根據電機的實際振動加速度波形，利用Simulink模型仿真得出彈性連接阻尼的隔振系統改善了電機的高頻隔振效果，使隔振效果更好。

1 與彈性連接的磁流變液阻尼器結構

當活塞在工作缸內做往復運動，磁流變液經阻尼通道時，通過控制勵磁線圈產生的磁場改變磁流變液的流動特性，從而達到對磁流變液阻尼器的阻尼力連續控制的目的。在磁流變液阻尼器的活塞桿底部連接一個彈性支撐，一方面可以增強活塞的穩定性和磁流變液阻尼器的剛度，當磁流變液阻尼器發生剪切位移時產生一個恢復力，當載荷消失后使活塞恢復到原來位置，同時可以提高磁流變液的高頻隔振效果。磁流變液阻尼器的結構圖如圖1所示。

圖1 磁流變液阻尼器結構圖

2 磁流變液阻尼器隔振系統模型

對于常規的磁流變液阻尼器，單層隔振系統可用圖2表示。該模型的優點是簡單而有效，但是為了達到較高的隔振效果，隔振器的剛度必須盡量小，這會影響機械系統的穩定性[2]。常規磁流變液阻尼器可用剛度k和阻尼系數c的力學模型表示，圖2中m為電機質量。當電機底座振動位移為x(t)時，傳遞至基礎的振動位移為y(t)。

圖2 單層隔振系統

首先列寫該系統的運動微分方程：

(1)

(2)

通過拉普拉斯變換可得到系統的頻率響應函數為

(3)

磁流變液阻尼器加彈性連接的力學模型可由圖3表示。

圖3 彈性連接阻尼隔振系統

圖3中kb為彈性連接的剛度，其運動微分方程為

(4)

消掉x1化簡為

(5)

頻率響應函數為

H(ω)=

(6)

3 磁流變液阻尼器新結構模態分析

模態分析是振動工程一門重要的技術，是研究結構動力特性的一種方法，分析結構的自然頻率和模態形狀。將磁流變液阻尼器結構進行有限元模態分析，圖5、圖6分別為常規磁流變液阻尼器和加彈性連接磁流變液阻尼器的前六階模態變形云圖，表1是磁流變液阻尼器一至四階模態固有頻率。由表1可以看出磁流變液阻尼器的第一、二階是阻尼器的整體變形，加彈性連接的磁流變液阻尼器第一、二階固有頻率比常規磁流變液阻尼器高很多，固有頻率越高表示結構的剛度越高，所以加彈性連接后可以增加磁流變液阻尼器的剛度。常規磁流變液阻尼器的第三、四階模態變形在活塞桿底部，加彈性連接后的第三、四階變形都發生在彈性連接處,所以加彈性連接后可以增加阻尼器的穩定性，優化彈性連接的參數可以改善阻尼器的性能。

圖4 絕對傳遞系數曲線圖

圖5 常規磁流變液阻尼器模態分析

圖6 加彈性連接磁流變液阻尼器模態分析

表1 磁流變液阻尼器一至六階模態固有頻率 Hz

4 磁流變液阻尼器新結構力學模型分析

磁流變液阻尼器的Bouc-Wen模型適合描述磁流變液阻尼器的輸出阻尼力[3]。圖7是磁流變液阻尼器的Bouc-Wen模型與彈性連接的示意圖。

圖7 磁流變液阻尼器Bouc-Wen模型與彈性連接

以位移為y處兩端受力平衡可得

狀態變量z滿足：

磁流變液阻尼器的阻尼力為

系數c、α與驅動電壓U的關系為

c=c0+c1U

α=α0+α1U

利用Simulink搭建磁流變液阻尼器與彈性連接模型，分析其力學性能，模型如圖8所示。

圖8 磁流變液阻尼器與彈性連接模型

當施加振幅、頻率、驅動電壓相同，彈性連接剛度分別為15000、30000、75000N/cm及無彈性連接時的信號時，磁流變液阻尼器的位移-阻尼力曲線、速度-阻尼力曲線，分別如圖9、圖10所示；當彈性連接剛度、驅動電壓、位移信號振幅相同，頻率分別為18、30、50Hz時的磁流變液阻尼器的位移-阻尼力曲線、速度-阻尼力曲線，分別如圖11、圖12所示。

圖9 振幅、頻率、驅動電壓相同,不同k1的MRD阻尼力-位移特性

圖10 振幅、頻率、驅動電壓相同,不同k1的MRD阻尼力-速度特性

圖11 彈性連接剛度、驅動電壓、位移信號振幅相同，不同頻率的MRD阻尼力-位移特性

磁流變液阻尼器的力學特性表現為非線性滯回特性[4]。由圖9可知，無彈性連接時，其位移滯回曲線近似為橢圓形。與彈性連接后，其位移滯回曲線傾斜一個角度，且隨著彈性連接剛度的增加滯回曲線變得飽滿，當剛度達到一定值后，該曲線接近無彈性連接時的曲線。彈性連接對阻尼器的最大出力影響不大，但滯回曲線面積會減小，即阻尼器的耗能下降，可以根據實際減振需求合理選取k1的值。由圖10可知，無彈性連接時，在低速區，阻尼力隨速度變化明顯，在高速區，阻尼力變化緩慢[5]。與彈性連接后，彈性連接的剛度越小，阻尼器的速度滯回曲線變化越平緩，且在低速區和高速區變化趨勢差別越小。

圖12 彈性連接剛度、驅動電壓、位移信號振幅相同，不同頻率的MRD阻尼力-速度特性

由圖11、圖12可知，在位移信號幅值、彈性連接剛度和驅動電壓一定時，阻尼器的最大出力會隨著位移信號頻率的增加遞增。這與不加彈性連接的變化規律一致[6-7]。對磁流變液阻尼器新結構的力學性能分析可以為磁流變液阻尼器的結構設計提供基礎和依據。

5 仿真驗證

圖13為輸入頻率為50、110Hz的永磁電機垂直方向電磁振動加速度，圖14為加速度的頻譜分析圖。由圖14可看出電機的振動是由許多不同頻率的波形組成的，并且在高頻處出現幅值較大的振動峰值。

圖13 振動加速度時域圖

圖14 振動加速度頻域圖

利用Simulink搭建兩個系統的模型，如圖15、圖16所示。將電機的振動信號作為擾動分別作用于兩個隔振系統時，傳遞至基礎的力如圖17所示。可看出當隔振系統參數一定時，彈性連接阻尼隔振系統對電機隔振效果更好。

圖15 單層隔振系統模型

圖16 彈性連接阻尼隔振系統

圖17 兩個隔振系統對電機隔振效果對比

6 結 語

本文提出了在磁流變液阻尼器的活塞桿底部加彈性連接的新結構。首先比較了單層隔振系統和彈性連接阻尼隔振系統的優缺點，得出彈性連接阻尼系統的隔振有效頻率范圍很寬，對高頻隔振效果好，可以增強系統可調性。利用有限元仿真對磁流變液阻尼器進行了模態分析，得出加彈性連接可以增強磁流變液阻尼器的剛度，利用Simulink模型仿真分析磁流變液阻尼器新結構的力學性能，為磁流變液阻尼器的性能預估提供依據，并為其工程應用和控制研究提供基礎和依據。最后以電機50、110Hz的電磁振動為輸入信號，通過仿真驗證磁流變液阻尼器與彈性連接的新結構對于電機的減振比常規的磁流變液阻尼器效果好。

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[期刊簡介]

《電機與控制應用》(原《中小型電機》)創刊于1959年，是經國家新聞出版總署批準注冊，由上海電器科學研究所(集團)有限公司主辦的具有專業權威的電工技術類科技期刊。

期刊定位于電機、控制和應用三大板塊，以中小型電機為基礎，拓展新型的高效節能和微特電機技術，以新能源技術和智能控制技術引領和提升傳統的電機制造技術為方向，以電機系統節能為目標開拓電機相關應用，全面報道國內外的最新技術、產品研發、檢測、標準及相關的行業信息。

本刊每月10日出版，國內外公開發行，郵發代號4-199。在半個多世紀的歲月中，該雜志為我國中小型電機行業的技術進步與發展做出了巨大的貢獻，在中國電機及其應用領域享有很高的影響。

依托集團公司雄厚的技術實力和廣泛的行業資源，《電機與控制應用》正朝著專業化品牌媒體的方向不斷開拓創新，在全國科技期刊界擁有廣泛的知名度，是“中國學術期刊綜合評價數據庫來源期刊”、“中國科學引文數據庫來源期刊”、“中國學術期刊(光盤版)全文收錄期刊”，得到了業內人士的普遍認可，備受廣大讀者的推崇和信賴，多次被評為中文核心期刊、中國科技核心期刊、全國優秀科技期刊。

Structural Performance Analysis of Magnetorheological Fluid Damper with Elastic Connection*

YANRongge,DUANMenghua

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

Due to the effect of magnetorheological fluid damper on the high frequency vibration isolation, now magnetorheological fluid damper was chiefly used in the field of low frequency vibration damping. In order to improve the vibration isolation efficiency of magnetorheological fluid damper for high frequency vibration, a new structure with elastic connection at the bottom of the piston rod was presented. Its vibration isolation efficiency was analyzed, then the modal analysis and mechanical property analysis of the magnetorheological fluid damper was carried out. Finally, Simulink model was used to verify the effectiveness of the new structure of magnetorheological fluid damper on the vibration isolation of the motor.

magnetorheological fluid damper； elastic connection； vibration isolation efficiency

國家自然科學基金項目(51177038)；河北省研究生創新資助項目(201543)

閆榮格(1969—)，女，博士研究生，教授，研究方向為電工理論與新技術。 段夢華(1989—)，女，碩士研究生，研究方向為電工理論與新技術。

TM 303

A

1673-6540(2017)02- 0058- 06

2016-07-18