電渦流阻尼器沖擊制動性能仿真與試驗研究

沈艷萍，劉 寧，王楠楠

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

在高速列車、航天裝備和武器發射等工程領域常面臨高速大慣量機械裝備高效可靠制動需求，傳統制動裝置采用液壓阻尼工作原理，存在阻尼系統低、摩擦磨損大、工作介質易泄露、環境適應性差及維護保養困難等缺點。電渦流阻尼器利用導體在恒定磁場中運動或在交變磁場中產生的電渦流效應進行工作,根據應用場合的不同形成了各種形式的電渦流阻尼裝置。電渦流阻尼裝置具有非接觸、無需流體介質的特點，能夠有效克服液壓裝置的弊端，在旋轉機械、建筑及橋梁等領域的振動控制方面得到了廣泛應用。Sodano[1]詳細地介紹了多種阻尼器，對磁制動、旋轉機械渦流阻尼以及動態系統渦流的近年研究進行回顧，提出了渦流阻尼機制未來應用在太空和汽車減震與制動系統的可能性。Bae等[2]對永磁體置于導電管內時的渦流阻尼特性進行了分析和試驗研究，驗證了提出的模型可以準確預測穩態阻尼力及低激勵頻率下的阻尼力。Ebrahimi[3]設計開發了直線永磁執行器，可應用于汽車懸架系統。宋偉寧等[4]以上海中心大廈為對象，對電渦流阻尼器在建筑上應用的可行性、安全性和效益性進行了分析。汪志昊等[5]提出了一種適用于吊桿減振的永磁式電渦流調諧質量阻尼器方案，實物樣機的工況測試表明研制的調諧質量阻尼器能勝任實際工程應用。陳政清等[6-7]在傳統的磁介質阻尼器基礎上進行了改進，研發了永磁式磁介質調諧質量阻尼器，能更好地滿足橋梁減振的需要。陳政清等[8-10]還提出了板式磁介質阻尼器，其優勢在于阻尼器的質量輕，結構更為簡單，制動比容易控制和調節，在跨度大的人行橋、拱橋等橋梁的剛性吊桿振動控制上已經得到了廣泛的應用。李子軒等[11]研究了沖擊載荷下永磁式電渦流阻尼器的去磁效應，并進行多目標優化。

總體而言，國內外將電渦流阻尼器用于沖擊制動領域的研究較少，對沖擊載荷下電渦流阻尼器動力特性認識不清，特別是缺乏相關試驗研究，制約其在高速重載制動領域的推廣應用。本文針對圓筒型直線式電渦流阻尼器沖擊制動性能進行研究，建立了電渦流阻尼器電磁有限元模型，研究阻尼器不同磁路設計方案制動性能，并進行試驗驗證。

1 電渦流阻尼器理論模型

(1)

(2)

運用磁偶極矩法，取單個載流環進行分析，代入畢奧薩伐爾定律，并沿圓柱形永磁體縱向進行磁通密度的積分，得到空間內任意(r,z)點的徑向和軸向的磁通密度公式

(3)

(4)

其中：τm和Rm為圓柱形永磁體的厚度和半徑；圓柱形永磁體的上下表面位置為z'=±τm/2；等效電流I=Mτm。K(k)和E(k)分別為第一類和第二類完全橢圓積分

(5)

(6)

k2=4Rmr[(Rm+r)2+(z-z')2]-1

(7)

永磁組在阻尼筒內運動，導體筒切割磁感線產生電渦流阻尼力

(8)

(9)

其中：δ為導體筒厚度；rin和rout為導體筒內外半徑；負號代表阻尼力方向與永磁體運動速度方向相反。

2 圓筒型電渦流阻尼器磁路設計

2.1 磁路設計方案

圓筒型直線式電渦流阻尼器結構主要由阻尼筒和磁組兩部分組成，如圖1所示。阻尼筒內產生感應渦流，形成阻尼力，選用電導率較高的材料，在導電筒外部可套裝導磁筒，起到屏蔽磁場作用；磁組包括永磁體、磁靴、阻尼桿等，對受沖擊載荷進行緩沖制動，是阻尼器運動部分(動子)。阻尼筒與磁組之間保持合適的工作氣隙，使磁路磁阻較小，同時避免高速沖擊作用下磁組與阻尼筒發生碰撞。

圖1 電渦流阻尼器結構示意圖

表1 電渦流阻尼器結構設計參數

磁路設計方案對電渦流阻尼器阻尼特性和阻尼效率具有重要影響。根據圓筒型直線式電渦流阻尼器的工作構型，提出4種磁路設計方案，如圖2所示。方案1、2的磁體排列方式為同極相對；方案3、4的磁體排列方式為磁極同向；方案1、3有導磁外筒；方案2、4無導磁外筒。

圖2 磁路設計方案示意圖

2.2 磁路分析

永磁電機中磁力線穿過定轉子鐵芯和氣隙，在磁阻較大的氣隙中磁降也較大，氣隙磁密的分布對電機特性產生重要影響。在圓筒型電渦流阻尼器中，同樣可以通過分析氣隙磁密大小判斷電渦流阻尼器磁路設計方案優劣。

采用電磁場仿真軟件Ansoft Maxwell計算阻尼器靜態磁場氣隙磁密。圖3為4種磁路設計方案的磁力線與磁密場分布云圖，各方案氣隙磁密曲線如圖4所示。由圖3、圖4可知，方案1、2的氣隙磁密峰值出現在磁靴端面對應位置，在磁靴端面之間氣隙磁密有所降低，而在永磁體厚度中心位置出現氣隙磁密谷值。而方案3、4僅在阻尼器兩端存在氣隙磁密分布，阻尼器內部氣隙磁密接近于0。這是因為方案1、2的同極相對永磁體排列方式使每塊磁靴都能夠誘導磁力線穿過氣隙到達導電內筒，而方案3、4的磁極同向排列方式對磁力線無誘導偏轉作用，磁力線只在阻尼器兩端形成磁回路，如圖3所示。由表2的方案1、3與方案2、4數據對比可看出導磁外筒對磁路影響，方案1、3的氣隙磁密峰值分別高于方案2、4，這是由于導磁外筒構建了磁通路，能將大部分磁力線封閉在阻尼筒內。

圖3 磁力線與磁密場圖

表2 各方案氣隙磁密值

對比分析可得，在4種磁路設計方案中，方案1最為理想，其氣隙磁密峰值1.31T和氣隙磁密均值0.63T都高于其他方案。根據電磁感應原理，導體與磁場發生相對運動，導體切割磁力線產生電渦流，方案1的高磁密值保證阻尼器具有較高的阻尼效率。因此，本研究選擇方案1作為阻尼器試驗裝置方案。

2.3 動力學仿真

采用Ansoft Maxwell軟件建立電渦流阻尼器動力學仿真模型，控制試驗系統中空氣壓縮機加氣壓力為0.8 MPa，此時由氣動沖擊錘傳遞給阻尼桿端部的最大沖擊力載荷為23.75 kN，曲線如圖5所示，通過動力學模型計算阻尼器對滑塊-阻尼桿緩沖制動性能。

圖5 沖擊力曲線

圖6為動子速度隨位移變化曲線，在沖擊力作用下，4種磁路方案的動子速度均迅速增加至第一峰值，在隨后的制動階段，4種方案的制動性能出現明顯區別。方案1動子速度在阻尼力作用下迅速下降，制動距離為161 mm；方案2在沖擊力作用下繼續增大，動子運動100 mm后，速度緩慢下降，在阻尼器極限制動位移290 mm處，速度仍有7.24 m/s,動子將與端蓋產生碰撞，制動性能較差；方案3、4動子一直加速到極限位置處，達到14.24 m/s、15.55 m/s，無制動效果。因此，動力學仿真結果證明了方案1阻尼性能最好。

圖6 動子速度-位移曲線

圖7為4種方案的動子速度到達第一個峰值時的渦流分布圖。方案1、2導電內筒的渦流密度主要集中在磁靴對應的位置，且正負交替分布，最大渦流密度為1.16×108A/m2；方案3、4導電內筒的渦流密度只出現在阻尼器端部位置，方案1、3的渦流密度明顯高于方案2、4。同時，在導電筒厚度上4種方案的渦流密度分布規律表明，越靠近導電筒內層，渦流密度值越大，證明了渦流集膚效應的存在。

圖7 渦流分布圖

3 電渦流阻尼器沖擊響應試驗

3.1 試驗系統設計

為了驗證圓筒形電渦流阻尼器的沖擊響應性能，搭建了圖8所示的氣動沖擊試驗系統。系統主要由空氣壓縮機、氣動沖擊錘、電渦流阻尼器、滑軌、質量滑塊、力傳感器、激光位移傳感器、電荷放大器及數據采集系統等組成。電渦流阻尼器的阻尼筒與機架固連，阻尼桿與質量滑塊連接，氣動沖擊錘高速沖擊質量滑塊，對電渦流阻尼器產生沖擊激勵，數據采集系統測得阻尼器阻尼桿受力與位移信號，對數據進行處理即可得阻尼器動力性能。

圖8 電渦流阻尼器沖擊響應試驗系統

3.2 試驗驗證

基于方案1磁路結構進行電渦流阻尼器沖擊制動試驗。控制加氣壓力為0.8 MPa，電渦流阻尼器動子所受沖擊力可經由壓力傳感器Kistler 9513B和電荷放大器Kistler 5018A測得，而OptoNCDT 1402-600激光位移傳感器用于測量動子位移。圖9為動子位移、速度仿真結果與試驗值對比情況，可以看出二者吻合較好，驗證了電渦流阻尼器動力學模型的正確性，說明本文設計的磁路方案具有較高的阻尼效率，能夠用于沖擊載荷的緩沖制動，為圓筒型電渦流阻尼器在沖擊工程領域的應用提供了參考依據。

圖9 動子位移、速度仿真與試驗結果曲線

4 結論

1) 比較4種電渦流阻尼器磁路設計方案的靜態磁力線和磁密分布規律，結果表明，永磁體同極相對排列、具有導磁外筒的設計方案能誘導磁力線偏轉構成多個磁回路且閉合磁回路在阻尼筒內部，因此磁能利用率最高。

2) 在最大沖擊力為23.75 kN的試驗沖擊載荷下，對4種電渦流阻尼器設計方案的制動性能和渦流分布進行仿真計算，結果同樣表明，同極相對排列、具有導磁外筒該方案的制動性能最好，并且得到了試驗結果的有力驗證。該方案在仿真下的制動距離為161 mm，最大渦流密度為1.16×108A/m2，導體內部存在渦流集膚效應，該因素對阻尼器工作性能的影響還需作進一步研究。

3) 本文圓筒型電渦流阻尼器設計方案具有良好的沖擊制動性能，能夠克服傳統液壓式阻尼器的介質易泄露等弊端，在列車制動、武器發射等沖擊制動領域具有廣闊的應用前景。