基于可變剛度和阻尼的采煤機(jī)旋轉(zhuǎn)接頭研究

馬 凱

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)富康源煤業(yè)有限公司， 山西 鄉(xiāng)寧 042100）

引言

針對(duì)采煤機(jī)旋轉(zhuǎn)接頭的抗沖擊和振動(dòng)問題，提出了磁流變流體，該材料是一種智能材料，由于其響應(yīng)速度快、阻尼范圍寬、可逆性、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、汽車和機(jī)械工程中。磁流變流體的優(yōu)點(diǎn)引起了學(xué)者對(duì)基于磁流變的設(shè)備開發(fā)的極大興趣[1-3]。線性磁流變阻尼器已獲得普及，并證明了其增強(qiáng)懸架系統(tǒng)性能的潛力，但線性阻尼器的設(shè)計(jì)存在一定的局限性，例如安裝空間需求大以及無(wú)法適應(yīng)旋轉(zhuǎn)條件[4]。由于線性阻尼器的缺點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)阻尼器可被視為線性阻尼器的補(bǔ)充，特別是在需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用中，例如變速箱[5]。

剛度或阻尼的可控性是減振重點(diǎn)之一，因?yàn)樗鼘?duì)于隔離振動(dòng)非常有效。目前，已經(jīng)針對(duì)各種振動(dòng)控制對(duì)可變剛度概念進(jìn)行了廣泛研究。本文的目的是開發(fā)一種具有可變剛度和阻尼的旋轉(zhuǎn)撓性接頭，以減少扭轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞條件下的振動(dòng)和沖擊。通過對(duì)變剛度和阻尼系統(tǒng)原理的分析，介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁場(chǎng)設(shè)計(jì)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 磁流變撓性接頭的可變剛度和阻尼原理分析

一種新的單自由度可變剛度和阻尼系統(tǒng)模型如圖1 所示，具有兩個(gè)可控磁流變阻尼器（阻尼器1 和阻尼器2 對(duì)應(yīng)于C1和C2阻尼系數(shù)）和兩個(gè)彈簧（彈簧1 和彈簧2 對(duì)應(yīng)的剛度為Ks1和Ks2）。阻尼器2 和彈簧2 包括一個(gè)活格元Voigt 元件，Voigt 元件和彈簧1 是串聯(lián)的，兩個(gè)彈簧的剛度值是恒定的。但是，可控制的阻尼器2 可以改變網(wǎng)狀系統(tǒng)的有效剛度，系統(tǒng)的阻尼取決于獨(dú)立的磁流變阻尼器1。系統(tǒng)的等效模型，這里KS和CS分別是等效剛度和阻尼系數(shù)。

圖1 可變剛度和阻尼的機(jī)械配置

2 撓性接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 撓性接頭的設(shè)計(jì)

基于可變剛度和阻尼系統(tǒng)的原理，兩個(gè)磁流變阻尼器和兩組彈簧集成在柔性接頭上。如圖2 所示，內(nèi)缸體由外缸體和中間軸構(gòu)成磁流變阻尼器1 和磁流變阻尼器2，分別在兩側(cè)設(shè)置用于實(shí)現(xiàn)高旋轉(zhuǎn)剛度的輻條彈簧結(jié)構(gòu)輸入和輸出的Str.1 和Str.2，輸入軸Str.1 用螺釘固定在的外缸和圓形皮帶輪上。同時(shí)，Str.1的三個(gè)輪輻組件在中間軸上相對(duì)于圓形皮帶輪旋轉(zhuǎn)，并通過六個(gè)彈簧（Ks1）與之耦合。Str.1 和Str.2 的三個(gè)組件都通過鑰匙連接到中間軸，內(nèi)缸和輸出軸通過Str 的圓形組件直接連接。此外，這種非磁性材料需要提供足夠的摩擦力，以防止內(nèi)筒的兩個(gè)部分相對(duì)旋轉(zhuǎn)。中間軸上有兩個(gè)線圈，內(nèi)缸上有三個(gè)線圈。線圈的直流電產(chǎn)生可控的磁場(chǎng)，因此兩個(gè)阻尼力可分別由電流I1和I2產(chǎn)生的磁場(chǎng)傳遞。

圖2 撓性接頭的分解圖

在磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)中，材料的選擇與阻尼器的性能直接相關(guān)。作為磁流變阻尼器的主要導(dǎo)磁部件，中間軸和內(nèi)筒由高磁導(dǎo)率材料電熨斗制成，而軸承、輸入軸和輸出軸則由低磁導(dǎo)率材料制成。

2.2 可變阻尼的制定

系統(tǒng)的等效阻尼主要由磁流變阻尼器1 確定，磁流變阻尼器1 主要由外圓柱，內(nèi)圓柱和勵(lì)磁線圈組成。磁流變流體填充在內(nèi)缸和外缸之間，而剪切模式的有效區(qū)域發(fā)生在旋轉(zhuǎn)缸的徑向間隙中。剪切模式的性能高低依賴于有效面積的多個(gè)參數(shù)，例如磁場(chǎng)強(qiáng)度、間隙和工作速度等。由于通常間隙和有效面積是設(shè)計(jì)約束的一部分，因此在有效面積中操縱磁場(chǎng)強(qiáng)度是操作和控制磁流變阻尼器的唯一方法。為了改善磁流變阻尼器的性能，三重線圈用于優(yōu)化徑向間隙內(nèi)和周圍的有效面積以增強(qiáng)磁場(chǎng)。當(dāng)直流電流I1施加到勵(lì)磁線圈時(shí)，磁流變阻尼器通過改變可控電流來(lái)實(shí)現(xiàn)可變的阻尼能力。

采用ANSYS 軟件建立了簡(jiǎn)化的磁流變撓性接頭二維軸向?qū)ΨQ模型。接頭中磁流變接頭阻尼器的磁路圖，阻尼單元的詳細(xì)參數(shù)如表1 所示。

表1 阻尼單元的參數(shù) mm

施加到線圈上以產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的電流密度J 可以通過式（1）近似計(jì)算:

式中：N 為線圈的匝數(shù)；I 為施加的電流；S 為線圈的橫截面積。

如圖3 所示磁流變F 和低碳鋼的B-H 曲線。

圖3 材料的B-H 曲線

3 結(jié)果與討論

如圖 4 顯示了在 I1分別為 0 A、0.4 A、0.8 A、1.2 A、1.6 A，I2為2 A。此外，頻率變化的影響范圍分別為0.2 Hz、0.4 Hz。隨著控制電流的持續(xù)增加，轉(zhuǎn)矩和角度所包圍的面積增加，這表明阻尼力隨著控制電流從0.5 N·m 增大到18 N·m 而顯著增加，并且在相同的范圍內(nèi)由阻尼力執(zhí)行的功循環(huán)位移也增加。從0°～30°，盡管圍繞扭矩和角度的圓的面積增加，但曲線的斜率保持在同一水平。在旋轉(zhuǎn)過程中，系統(tǒng)的剛度不會(huì)隨著阻尼器1 的變化而變化。從30°～50°的旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)矩和角度曲線的斜率不再保持水平，而是呈非線性關(guān)系。這種現(xiàn)象可以解釋為彈簧的應(yīng)力超出比例極限，并且應(yīng)力與應(yīng)變之間存在非線性關(guān)系，但卸載后變形將完全消失。在實(shí)際使用中，最好適當(dāng)限制接頭的旋轉(zhuǎn)角度，使彈簧處于彈性階段。應(yīng)該注意的是，阻尼的動(dòng)態(tài)范圍約為30 倍。

圖4 可變阻尼特性

為了揭示阻尼力與負(fù)載頻率之間的關(guān)系，選擇負(fù)載頻率為 0.2 Hz、0.4 Hz，其中 I1=0 A 和 I2=1.6 A。如下頁(yè)圖5 所示的分析結(jié)果，可以清楚地看到，當(dāng)頻率為0.2 Hz、0.4 Hz 時(shí)，有效阻尼與負(fù)載頻率近似無(wú)關(guān)。

圖5 不同電流下的阻尼和頻率之間的關(guān)系

等效阻尼系數(shù)是阻尼器的重要因素，因?yàn)樗梢燥@示磁流變阻尼器的性能。圖5 提供了由等式（1）計(jì)算的理論結(jié)果與等效阻尼系數(shù)C1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較?？梢钥闯?，等效阻尼系數(shù)隨著電流I1的增加而顯著增加。當(dāng)施加的電流增加到1.6 A 時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果之間出現(xiàn)了差異。原因是理論結(jié)果沒有考慮大電流情況下溫度和磁飽和的影響。因此，可以看出，所提出的接頭具有將等效阻尼系數(shù)從0.83 kN·s/m 更改為 3.6 kN·s/m 的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種由兩個(gè)可控磁流變阻尼器和兩個(gè)彈簧組成的旋轉(zhuǎn)可變剛度和阻尼系統(tǒng)。分析得出系統(tǒng)的等效剛度和等效阻尼?；诳勺儎偠群妥枘嵩淼娜嵝越宇^設(shè)計(jì)，采用有限元方法計(jì)算了磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，阻尼器的等效剛度可以在5.15 Nm/rad～12.27 Nm/rad 之間變化，而等效阻尼系數(shù)可以從 0.83 kN·s/m 變?yōu)?3.6 kN·s/m。