新型雙線圈磁流變液減擺器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

劉 秀, 祝世興

(1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212132； 2.中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院， 天津 300300)

引言

磁流變液具有響應(yīng)速度快、剪切屈服強(qiáng)度大、性能穩(wěn)定、可控性好等特點(diǎn)。隨著磁流變液的發(fā)展，被廣泛的應(yīng)用到許多領(lǐng)域。許多行業(yè)開始進(jìn)行磁流變液的相關(guān)研究，尤其是在建筑的抗震、汽車的減震等方面，已經(jīng)取得了顯著成果[1]。

隨著磁流變液的日趨成熟，近年來，許多學(xué)者開始在航空領(lǐng)域開展磁流變液的相關(guān)研究，主要包括磁流變液減震器、磁流變液減擺器等，其本質(zhì)都是一種阻尼器。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者提出的一些典型磁流變液阻尼器其結(jié)構(gòu)主要有活塞式和旋轉(zhuǎn)式兩種[2-5]。

根據(jù)磁流變阻尼器良好的性能以及前起落架的擺振性能，本研究基于某型無人機(jī)對(duì)前起落架的要求，提出一種壓差流動(dòng)式新型雙線圈磁流變液減擺器[6-7]。

1 雙線圈磁流變液減擺器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該起落架采用雙輪式滑行裝置，沿機(jī)身縱軸方向向前收入機(jī)身，減擺器與起落架通過內(nèi)筒與外筒連接在一起，起落架與減擺器的具體連接關(guān)系，如圖1所示。

圖1 某型無人機(jī)前起落架減擺器安裝三維示意圖

已知該型無人機(jī)前起落架減擺器力臂為80 mm，前輪擺振0.5°，得到減擺器活塞移動(dòng)距離為0.7 m[7]，據(jù)此設(shè)計(jì)相應(yīng)的后續(xù)減擺器阻尼特性實(shí)驗(yàn)工況，如表1所示。

表1 減擺器阻尼特性實(shí)驗(yàn)工況

1.1減擺器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁流變液減擺器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求：

(1) 有閉合的磁路；

(2) 在結(jié)構(gòu)上有盡可能多的磁力線垂直區(qū)域；

(3) 在磁場(chǎng)失效的狀況下，仍然可以提供一定的阻尼力；

(4) 在滿足起落架的基本要求的前提下，重量最輕。

本研究設(shè)計(jì)的新型雙線圈磁流變液減擺器結(jié)構(gòu)原理圖，如圖2所示。

1.缸筒 2.導(dǎo)磁半環(huán) 3.內(nèi)筒 4.隔磁環(huán) 5.勵(lì)磁線圈 6.端蓋圖2 新型雙線圈磁流變液減擺器結(jié)構(gòu)原理圖

減擺器結(jié)構(gòu)主要有缸筒、端蓋、活塞桿、內(nèi)筒以及導(dǎo)磁半環(huán)、隔磁半環(huán)等部分組成，缸筒與隔磁環(huán)為非導(dǎo)磁性材料，其余均為導(dǎo)磁性材料。其中，端蓋又同時(shí)作為鐵芯，用來纏繞勵(lì)磁線圈，將鐵芯與端蓋做為一體，既方便纏線圈，又可以有效減輕減擺器重量；導(dǎo)磁環(huán)由2個(gè)導(dǎo)磁半環(huán)組成，方便安裝固定；該結(jié)構(gòu)的阻尼通道由三部分組成，內(nèi)筒與缸筒隔磁環(huán)之間，內(nèi)筒與導(dǎo)磁環(huán)之間，內(nèi)筒與隔磁環(huán)之間，阻尼通道明顯加長(zhǎng)，可以有效增加減擺器的初始阻尼力；隔磁環(huán)與內(nèi)筒之間的阻尼間隙，也提供了相應(yīng)的阻尼力；內(nèi)筒與導(dǎo)磁環(huán)之間的相對(duì)面積增大，增加了垂直磁感線穿過區(qū)域的面積。同時(shí)缸筒設(shè)計(jì)出的隔磁凸臺(tái)，不僅在裝配時(shí)起到定位作用，還在勵(lì)磁線圈通電時(shí)，提供了足夠的退磁區(qū)域，避免因磁液一直保持磁化狀態(tài)，而造成阻尼孔堵塞。

減擺器工作時(shí)，活塞左右移動(dòng)，擠壓液體快速?gòu)淖枘峥淄ㄟ^，從而產(chǎn)生阻尼力。

1.2 磁路設(shè)計(jì)

磁路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于阻尼通道的布置，要保證在勵(lì)磁線圈通電時(shí)，能夠產(chǎn)生足夠大的可調(diào)阻尼力，需要盡可能使磁力線垂直穿過阻尼通道。本減擺器采用多段式阻尼通道，用以增加阻尼通道長(zhǎng)度，磁力線走向如圖3所示。

圖3 減擺器磁路走向示意圖

1.3 減擺器阻尼力計(jì)算

減擺器的阻尼力主要由黏滯力、庫(kù)侖力以及局部阻尼力三部分組成。黏滯力主要是由磁流變液本身的黏性提供的；庫(kù)侖力只是磁流變液由于線圈通電后，被磁化所產(chǎn)生的，故此部分屬于阻尼力中的可調(diào)部分；局部阻尼力是由于阻尼通道截面積改變引起的，本研究所涉及的減擺器阻尼通道由三部分組成，各部分阻尼通道的間隙各不相同，故而增加了局部阻尼力，提高了減擺器的初始阻尼力。故本減擺器阻尼力可以表示為[7]:

F=Fη+Fτ+Fξ

(1)

式中，F(xiàn)η—— 黏滯力

Fτ—— 庫(kù)侖力

Fξ—— 局部阻尼力

式(1)中，影響減擺器可控可調(diào)的主要是庫(kù)侖力，要想提高阻尼力的可控性，就是增大庫(kù)侖力。經(jīng)過分析計(jì)算，庫(kù)侖力可以表示為[7]：

(2)

式中，c—— 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

Lp—— 阻尼通道的有效長(zhǎng)度

t—— 阻尼通道間隙

τy—— 磁流變液剪切力

Ap—— 減擺器活塞有效面積

1.4 磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化

選用MRF-132DG的磁流變液，該磁流變液在剪切屈服強(qiáng)度達(dá)到極限之后，其磁感應(yīng)強(qiáng)度不會(huì)再隨電流的變化而變化。根據(jù)資料顯示，MRF-132DG磁流變液其最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.7 T，此時(shí)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H為200 A/mm[7]。圖4為磁流變液的B-H曲線。該圖為后續(xù)磁路優(yōu)化提供分析依據(jù)。

圖4 MRF-132磁流變液性能[7]

采用MaxWell對(duì)減擺器磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，主要分析減擺器磁路走向以及減擺器磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，并用田口優(yōu)化算法對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析優(yōu)化[8-10]。

通過分析式(2)，可以得到影響減擺器輸出阻尼力的主要因素主要有阻尼通道長(zhǎng)度、阻尼通道間隙、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及活塞的有效面積。參照減擺器結(jié)構(gòu)原理圖圖3所示，得到影響減擺器輸出阻尼力的參數(shù)，如表2所示。

表2 影響減擺器輸出阻尼力的參數(shù)

表2中參數(shù)的具體含義，如圖5所示。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，發(fā)現(xiàn)阻尼通道的間隙一般在0.55～2 mm之間，大多在1 mm左右，可以確定阻尼通道的間隙取值；研究某型無人機(jī)起落架的相關(guān)尺寸，理論分析可得到內(nèi)筒厚度；分析無人機(jī)的實(shí)際工作過程以及退磁區(qū)域的作用，可以獲得退磁區(qū)域的取值；通過磁流變液的磁化相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得到電流匝數(shù)的取值，如表3所示。

圖5 影響減擺器輸出阻尼力的參數(shù)

表3 影響參數(shù)的具體取值范圍

根據(jù)需要優(yōu)化的4個(gè)因素的4個(gè)取值，設(shè)計(jì)減擺器的具體尺寸結(jié)構(gòu)，并使用Maxwell對(duì)相應(yīng)減擺器進(jìn)行仿真。

利用田口法分析仿真結(jié)果，得到減擺器阻尼力影響因素的優(yōu)化結(jié)果，如表4所示。

表4 減擺器影響參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果

1.5 減擺器磁場(chǎng)分析

利用表4中的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)減擺器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。并利用MaxWell軟件對(duì)減擺器進(jìn)行磁場(chǎng)仿真。圖6為仿真得到的減擺器的磁力線走向，圖7為減擺器磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。

通過分析仿真結(jié)果，可以得到，減擺器磁力線走向基本復(fù)合設(shè)計(jì)預(yù)想，磁化區(qū)域的磁力線走向基本垂直阻尼通道，并且阻尼通道的磁場(chǎng)強(qiáng)度適宜，所以，此減擺器磁路設(shè)計(jì)合理。

2 阻尼特性試驗(yàn)

選取疲勞試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行阻尼特性試驗(yàn)，驗(yàn)證減擺器在低頻工作狀態(tài)下的阻尼性能。減擺器的實(shí)物圖，如圖8所示。圖9為減擺器裝夾在疲勞試驗(yàn)機(jī)上的示意圖，實(shí)驗(yàn)時(shí)按圖所示，對(duì)減擺器進(jìn)行裝夾，改變疲勞試驗(yàn)機(jī)輸出的振幅頻率，測(cè)量不同工況下減擺器的阻尼力。

圖6 減擺器磁力線走向

圖7 減擺器磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖8 減擺器實(shí)物圖

圖9 疲勞試驗(yàn)機(jī)

根據(jù)疲勞試驗(yàn)機(jī)的具體條件以及無人機(jī)的實(shí)際擺振特點(diǎn)，設(shè)計(jì)阻尼特性實(shí)驗(yàn)的具體工況，如表5所示。

表5 具體實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 減擺器位移-載荷圖

分析圖10a，可以看出磁流變減擺器的輸出阻尼力隨著電流增加而增加，但增加量卻隨電流增加而減小，分析其原因是磁流變液的磁場(chǎng)強(qiáng)度在達(dá)到最大值之前，雖然是不斷增加的，但是增量是非線性的；并且由圖4可以看出，磁流變液的剪切屈服強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度并不是線性關(guān)系，其增量隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加逐漸減小。實(shí)驗(yàn)時(shí)電流超過1.2 A后，減擺器輸出阻尼力不再增加，說明1.2 A 時(shí)磁路中磁場(chǎng)達(dá)到飽和，因此減擺器工作時(shí)，電流最好控制在1.2 A之內(nèi)，這樣可以適當(dāng)減弱線圈生熱。由圖7可知得到最先達(dá)到飽和的是導(dǎo)磁環(huán)與隔磁環(huán)接觸部位，后續(xù)設(shè)計(jì)可以考慮優(yōu)化一下該區(qū)域尺寸。

分析圖10b，對(duì)比圖10a可以看出，相同電流、不同振幅頻率，減擺器輸出阻尼力不同。因此，該減擺器可以實(shí)現(xiàn)阻尼力可調(diào)這一設(shè)計(jì)思想。

對(duì)比分析圖10c和圖10d可知,相同振幅、不同頻率的工作狀態(tài)，隨著頻率的增加，減擺器的輸出阻尼力也在增加，但是增幅不明顯，分析其原因，頻率增加，磁流變液不斷高速通過阻尼通道，磁液與阻尼通道的摩擦力提供了減擺器輸出阻尼力的增加量。但是，隨著頻率的增加，減擺器的位移載荷圖變形逐漸增加，分析其原因是，隨著頻率增加，溶解在磁流變液中的空氣析出，空氣的存在影響了減擺器的阻尼特性，后續(xù)可以優(yōu)化一下減擺器的安裝過程。

總之，通過分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出該減擺器實(shí)初步現(xiàn)了減擺器阻尼可調(diào)。

3 結(jié)論

(1) 通過分析設(shè)計(jì)過程中的仿真以及阻尼特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出該減擺器磁路與結(jié)構(gòu)是基本合理的，基本實(shí)現(xiàn)了阻尼力可調(diào)；

(2) 通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)減擺器通過電流之后的阻尼力逐漸增大，且當(dāng)電流增加到1.2 A后，減擺器阻尼力可實(shí)現(xiàn)1倍左右的增量；

(3) 分析減擺器的結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)磁路穿過活塞，故磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布可以隨著活塞位置的改變而改變，保證阻尼通道中有足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度，增加減擺器效率；

(4) 減擺器線圈置于結(jié)構(gòu)兩端可以方便減擺器散熱，減弱熱量對(duì)磁流變液性能的影響。