線圈外置式磁流變液減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)仿真

龍江，趙峰

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院， 四川德陽(yáng) 618300)

0 前言

在飛機(jī)的組成部分中，起落架性能的優(yōu)劣直接影響飛機(jī)飛行時(shí)的安全性與舒適性，因此在起落架上安裝減震裝置，目的是最大程度吸收動(dòng)能，從而保證飛機(jī)的安全并且給乘客提供舒適的出行體驗(yàn)。現(xiàn)代飛機(jī)的起落架主要使用輪胎和減震器來(lái)實(shí)現(xiàn)減震的目的，其中在著陸撞擊時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)能只有一小部分會(huì)被輪胎吸收，剩余部分將由減震器吸收并消散掉。因此,減震器的設(shè)計(jì)優(yōu)化一直是現(xiàn)代民用航空飛行中的關(guān)鍵問(wèn)題,也被認(rèn)為是進(jìn)一步提高民用航空飛行可靠性和飛行壽命的必然需求。目前，飛機(jī)上使用的減震器一般為油氣式減震器。它利用變截面的油針或橫截面積可變的阻尼孔，通過(guò)改變油液流經(jīng)阻尼孔的橫截面積來(lái)達(dá)到改變阻尼力的效果。但是，這種被動(dòng)調(diào)節(jié)式的減震器一般是按照經(jīng)驗(yàn)方法或結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，其阻尼力的調(diào)節(jié)范圍有限。在飛機(jī)起落架撞擊地面時(shí)，減震器只能按照所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)利用活塞桿的伸縮來(lái)被動(dòng)地產(chǎn)生阻尼力，從而實(shí)現(xiàn)減震的目的。因此，它不能夠根據(jù)路面的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，也無(wú)法在不同的工作狀況下獲得不同的阻尼力。針對(duì)這一問(wèn)題，許多學(xué)者對(duì)減震器的半主動(dòng)控制展開(kāi)研究。經(jīng)過(guò)不懈的研究，在20世紀(jì)40年代，一種新型材料磁流變液被RAINBOW教授帶入人們的視野中。

磁流變液的性質(zhì)可以根據(jù)外加磁場(chǎng)的改變而改變。在沒(méi)有外加磁場(chǎng)施加時(shí)，它表現(xiàn)為流動(dòng)性強(qiáng)的流體，當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，它的黏度會(huì)發(fā)生改變，在5 ms的時(shí)間內(nèi)能夠增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，呈現(xiàn)出類似固體的性質(zhì)。這種材料在橋梁、汽車(chē)等領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛使用。將磁流變液應(yīng)用于飛機(jī)減震器能夠很好地解決減震器只能被動(dòng)調(diào)節(jié)阻尼力的缺陷，磁流變液減震器能夠通過(guò)改變電流大小來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而改變阻尼力的大小，同時(shí)可以根據(jù)路面實(shí)時(shí)狀況以輸入信號(hào)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)減震器的半主動(dòng)控制。至今，已有很多學(xué)者針對(duì)磁流變液減震器進(jìn)行了相關(guān)研究。2000年，美國(guó)YANG設(shè)計(jì)了一款能夠承受200 kN阻尼力的磁流變液減震器，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)該減震器的減震性能進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試。之后，GORDANINEJAD和BREESE在前人研究的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了雙活塞式的磁流變液阻尼器。李生壽通過(guò)磁場(chǎng)仿真討論了在線圈內(nèi)置的情況下單線圈與雙線圈的磁場(chǎng)區(qū)別。祝世興和白玉探討了應(yīng)用磁流變液對(duì)起落架減震器動(dòng)態(tài)性能的控制研究。都昌兵等設(shè)計(jì)了雙通道的磁流變液減震器，通過(guò)增加阻尼通道長(zhǎng)度對(duì)磁場(chǎng)分布進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。倪衛(wèi)國(guó)在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)線圈內(nèi)置式的磁流變液減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納和總結(jié)。徐曉美和富春提出了單線圈外置式磁流變液減震器，分析電流對(duì)其磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。

磁流變液減震器的線圈布置方式分為內(nèi)置和外置兩種。在以往的諸多研究中，大多數(shù)人都認(rèn)為將線圈置于工作缸內(nèi)可以使漏磁達(dá)到最小，并且線圈通電產(chǎn)生的磁力線能夠直接在阻尼間隙與活塞頭之間形成閉合曲線，使磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大。但是隨著研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)線圈內(nèi)置會(huì)導(dǎo)致線圈在工作過(guò)程中發(fā)熱從而影響磁流變液的黏度，進(jìn)而影響減震器的減震性能。由于線圈內(nèi)置，線圈的安裝拆卸存在很大難度。因此，提出線圈外置式磁流變液減震器是解決當(dāng)前問(wèn)題的必要措施。

本文作者在前人研究的基礎(chǔ)上，研究外置線圈的布置方式，將單線圈、雙線圈外置的情況進(jìn)行仿真分析，得出線圈外置時(shí)單、雙線圈的間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流的變化規(guī)律。確定線圈的布置方式，并研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 磁流變液減震器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外置式磁流變液減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。減震器由線圈、導(dǎo)磁材料、活塞桿、活塞、導(dǎo)流活塞、浮動(dòng)活塞、氣室、缸體、密封圈組成。線圈布置于缸體外側(cè)，將線圈與活塞固定連接，使得線圈能夠與活塞同步運(yùn)動(dòng)，線圈采用螺栓固定在缸體上。若直接將線圈繞于缸體上，由于線圈是不導(dǎo)磁材料，產(chǎn)生的磁力線會(huì)平行于阻尼通道，因此需要使用導(dǎo)磁材料在線圈外圍建立磁砈機(jī)構(gòu)，使線圈產(chǎn)生的磁力線能垂直通過(guò)阻尼通道。在減震器尾部建立氣室，能夠使活塞桿的運(yùn)動(dòng)更加靈敏，當(dāng)磁流變液失效時(shí)，能夠作為一般減震器進(jìn)行工作。當(dāng)線圈通電時(shí)，線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線經(jīng)過(guò)磁砈，穿過(guò)缸體、間隙以及活塞，最終流回導(dǎo)磁砈，形成一個(gè)閉合的回路。

圖1 減震器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

首先確定缸體內(nèi)徑，采用以下公式計(jì)算：

(1)

其中：為缸體直徑；為減震器最大工作載荷；為減震器缸體允許承受的最大壓力；為活塞桿直徑。在此算例中，取為3 600 N，為500 MPa，為30 mm，代入公式得為60 mm。然后,確定缸體的壁厚，用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

其中：為壁厚;為許用壓力;為內(nèi)徑，[]為缸體的許用正應(yīng)力。在此算例中，取為235 MPa，為60 mm，[]為600 N/mm，代入公式可得≥1.5 mm。如果壁厚過(guò)小，則不滿足磁路要求，達(dá)不到導(dǎo)磁的目的，同時(shí)強(qiáng)度也會(huì)不滿足要求，因此取=2 mm。通過(guò)閱讀相關(guān)資料可以得到，磁流變液減震器的間隙應(yīng)在1～3 mm內(nèi)取值。當(dāng)間隙過(guò)大時(shí)，磁流變液流動(dòng)性會(huì)變強(qiáng)，通過(guò)阻尼通道的難度降低，從而降低阻尼性能；當(dāng)間隙過(guò)小時(shí)，又會(huì)使生產(chǎn)加工變得困難。綜合考慮以上因素，間隙取2 mm。

1.2 磁路設(shè)計(jì)

磁流變液有剪切式、流動(dòng)式和擠壓式3種工作模式。采用間隙式磁流變液減震器，為增加磁感應(yīng)強(qiáng)度，文中采用剪切與擠壓混合模式，使磁力線最大程度垂直通過(guò)間隙通道。磁路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 磁路簡(jiǎn)圖

如圖2所示，為線圈的寬，為8 mm；為線圈的高，為10 mm；為外導(dǎo)磁材料的高度，為15 mm；為缸體壁厚；為缸體與活塞之間的間隙；為活塞高度的1/2。

磁流變液減震器的磁路設(shè)計(jì)應(yīng)該要使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在垂直方向?qū)Υ帕髯冃?yīng)的影響最大，使磁力線更多地垂直穿過(guò)間隙，這樣才能夠產(chǎn)生更大的阻尼力。即應(yīng)該滿足以下關(guān)系式：

(3)

(4)

(5)

(6)

磁流變液減震器的磁路結(jié)構(gòu)中主要應(yīng)用的是垂直方向的磁力線，因此要使垂直方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，平行方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度最小。同時(shí)，如果將線圈直接繞在缸體上，會(huì)因?yàn)榫€圈材料的不導(dǎo)磁性使得產(chǎn)生的磁力線平行于間隙，造成磁感應(yīng)強(qiáng)度最小。因此，為使線圈產(chǎn)生的電流能夠穿過(guò)缸體進(jìn)入減震器，需要在線圈的周?chē)┘訉?dǎo)磁材料用于引導(dǎo)磁力線。若將線圈全部繞滿缸體，又會(huì)造成材料的浪費(fèi)，因此需要將線圈與活塞桿連接，使線圈與活塞同步運(yùn)動(dòng)，能夠在活塞運(yùn)動(dòng)的任意位置均產(chǎn)生磁場(chǎng)。

2 仿真分析

2.1 材料選擇

線圈選擇不導(dǎo)磁材料，磁導(dǎo)率設(shè)置為1。活塞選擇DT4電工純鐵，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 電工純鐵的電磁性能

磁流變液選擇MRF-122EG，其磁飽和強(qiáng)度為1.5 T。圖3所示為磁流變液、45鋼、電工純鐵DT4的-曲線。

圖3 材料的B-H曲線

在線圈內(nèi)置時(shí)，缸體材料需使用不導(dǎo)磁材料，避免磁力線向外流出。但是在線圈外置時(shí)，需要使用導(dǎo)磁缸體使磁力線形成閉合回路。邊界施加為磁力線平行。電流負(fù)載選擇電流密度加載方式。圖4所示為仿真模型。

圖4 仿真模型

建立仿真模型后，分別選擇磁導(dǎo)率為1、40、70、2 000 H/m的材料進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5(a)可以看出:當(dāng)缸體材料為不導(dǎo)磁材料時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁力線會(huì)不經(jīng)過(guò)缸體在外圍導(dǎo)磁材料形成閉合回路，因此缸體需要選擇導(dǎo)磁材料。從圖5(b)(c)(d)可以看出:當(dāng)磁導(dǎo)率增加時(shí)，通過(guò)間隙處的磁力線增加，磁場(chǎng)增強(qiáng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，但是當(dāng)磁導(dǎo)率增加到2 000 H/m時(shí)，磁力線由缸體流回形成閉合回路，因此缸體的磁導(dǎo)率不宜過(guò)高。綜上所述，最終選擇磁導(dǎo)率為70 H/m的缸體材料。

圖5 不同缸體材料的磁力線

2.2 單雙線圈仿真對(duì)比

基于線圈內(nèi)置式的研究，當(dāng)線圈纏繞在缸體上時(shí)，應(yīng)針對(duì)單線圈和雙線圈的布置方式進(jìn)行對(duì)比。采用3種布局方式，分別是2種單線圈和1種雙線圈。和分別代表線圈兩端距離活塞頂端的距離,代表雙線圈之間的距離，代表線圈的槽寬。單線圈1中==12 mm、=16 mm。單線圈2中=8 mm、==16 mm。雙線圈中，==8 mm、=8 mm、=8 mm。在3種結(jié)構(gòu)模型中，所輸入的電流密度相等，材料屬性一致，單元類型相同，將它導(dǎo)入APDL中，得到如圖6所示的3個(gè)仿真模型。

圖6 3種線圈布局仿真模型

對(duì)3種模型進(jìn)行仿真分析，改變電流大小以得到不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度，得到如圖7所示的散點(diǎn)圖。

圖7 單雙線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流的變化關(guān)系

從圖7可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著電流的增加而不斷增強(qiáng)。在單線圈2中，當(dāng)電流達(dá)到1 A時(shí)，達(dá)到磁流變液的磁飽和強(qiáng)度1.2 T，而在另外2種結(jié)構(gòu)模型下，均可以在電流小于1 A的時(shí)候便達(dá)到磁飽和強(qiáng)度。在電流略小的情況下，單線圈1與雙線圈模型間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度相差不大，但是隨著電流增加，單線圈1在施加相等電流時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度比雙線圈更大，因此根據(jù)圖像可以得出，在線圈外置時(shí)，不宜采用雙線圈模型，應(yīng)該采用槽寬更大的單線圈模型。

2.3 間隙寬度的影響

在線圈內(nèi)置時(shí)，間隙寬度會(huì)影響阻尼通道的寬度，從而影響磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。因此，為探究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于線圈外置時(shí)磁流變液減震器間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，在電流設(shè)置為0.6 A的條件下，通過(guò)改變間隙寬度，得到間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，如圖8所示。可以看出：間隙長(zhǎng)度由1.0 mm增長(zhǎng)到2.1 mm時(shí)，隨著間隙的不斷變大，間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷減弱，這一變化規(guī)律可為減震器的設(shè)計(jì)提供參考。

圖8 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨間隙的變化關(guān)系

3 結(jié)論

本文作者以外置式磁流變液減震器為研究對(duì)象，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)它進(jìn)行電磁仿真分析，得到以下結(jié)論：

(1)在線圈內(nèi)置式的磁流變液減震器中，缸筒材料需要選擇不導(dǎo)磁材料使磁力線不流出缸體，但是在線圈外置時(shí)缸筒需選擇導(dǎo)磁材料，并且導(dǎo)磁率不宜過(guò)大，才能夠讓磁力線穿過(guò)缸筒形成閉合曲線；

(2)間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著電流的增加而逐漸增大，但是受材料磁飽和強(qiáng)度的影響，不能無(wú)限增加；

(3)線圈外置式磁流變液減震器中不宜使用雙線圈布置方式，但是單線圈的槽寬過(guò)小時(shí)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度不能滿足要求，因此線圈外置式磁流變液減震器要使用槽寬盡可能大的單線圈模型；

(4)隨著間隙的不斷增加，間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷減小。