磁流变阻尼器件研究综述

磁流变阻尼器件研究综述
磁流变阻尼器件的总论 (1)
1 磁流变材料与磁流变阻尼器的潜在工程应用................................. 错误！未定义书签。

1 磁流变效应的解释 (1)
2 影响磁流变体的流变学特性的因素 (1)
磁流变阻尼器件的工作模式 (2)
3磁流变阻尼器件及其工程应用 (2)
3.1汽车座椅悬架磁流变阻尼器 (3)
3.2建筑结构中使用的磁流变阻尼器 (4)
3.3微型磁流变阻尼器 (4)
3.4直升飞机旋转叶片磁流变阻尼器 (5)
3.5其它磁流变阻尼器磁流变阻尼器 (6)
4 我国致力于开发各种磁流变器件的领域 (7)
2 磁流变技术与磁流变阻尼器件 (7)
Lord公司开发的挤压模式汽车座椅悬架阻尼器 (7)
1 磁流变效应的解释
当磁流变体处于外加磁场中,其粘滞系数明显增加,其主要原因是结构元的变化。

在经典理论中,用磁偶极矩和磁性微粒成链作为结构元来解释磁流变效应,Shulman和Kordonskii对磁流变效应作了解释[2]:悬浮相是按一定角度定向排列互不影响的粒子剪切流动,当受到外加磁场作用时,悬浮液粘滞性的增加是由于附加能量被结构元的载流分子介质所消耗,机械能消耗的程度(磁流变体粘性的增加)是由磁流变体的微结构(微粒伸长和定向排列的程度)、外加磁场强度和剪切率大小等因素所决定。

[2]ShulmanZP,etal.Physicalpropertiesanddynamicsofmag-netorheologicalsuspensions[J].Int.J .MultiphaseFlow,1986,12(6):935～955.
2 影响磁流变体的流变学特性的因素
磁流变体的流变学特性与诸多因素有关,主要是下列几方面:
(1)磁流变体的剪应力与饱和磁化强度的关系Carlson等[3]利用偶极子相互作用模型来描述磁流变体的特性,与Ginder[4]采用有限元方法研究结果是一致的:最大剪应力与饱和磁化强度的平方成正比。

(2)磁流变体的屈服应力与磁化率的关系Rosenwig等[5]将磁流变体看作一种非对称弹性和磁性应力状态的连续体,研究了屈服应力与体积分数之间的关系,在悬浮相体积分数一定的情况下,随着磁化率的增加,屈服应力会增大。

(3)温度对磁流变体的影响复旦大学的潘胜等[6]建立了一个实验装置,测试了温度对由羟基铁配制的磁流变体静态屈服应力的影响,研究结果表明,静态屈服应力在不同温度(室
温～+150°C)变化非常小。

(4)磁流变体的剪切应力与悬浮相尺寸的关系Lemaire[7]对磁流变体的屈服应力与悬浮相微粒尺寸的关系进行了研究,悬浮相微粒直径对屈服应力的影响取决于耦合系数的大小,研究也发现,一定尺寸的单分散比多分散系试样具有更佳的磁流变体效应,这种效果来自无流动条件下的布朗运动引起的结构起伏,该运动使单链中两端临近微粒之间距离大于多分散系的平均距离,而链结构对流体流动的阻力恰恰来自于这种加大的间隙。

(5)磁流变体在剪切流作用下的结构变化Cutillas的研究表明,在剪应力作用下磁场中的磁流变体由六方密排向层状结构转变,发生该结构的转变的临界应变为0.15。

(6)添加剂对磁流变体性能的影响添加剂增大了磁流变体的粘度,有助于克服磁性微粒的沉降,用不同载体液配制磁流变体必须考虑添加剂的不同比例,采用预处理的磁性微粒来配制磁流变体已使分散相的不稳定性有所改善,添加剂的比例应相应减少,或者采用对载体液的粘度不敏感的添加剂,使磁流变体的零场粘度下降。

磁流变阻尼器件的工作模式
适用于制作磁流变阻尼器件的磁流变体应具有下列特性:
在加磁场作用下有较高的屈服应力;在零场作用时具有较低的粘度;较宽的工作温度范围;长期的沉降稳定性和凝聚稳定性;较好的化学稳定性;响应时间短;与密封元件不发生化学作用。

磁流变体能制成各种各样的阻尼器件,其工作原理有下面三种形式,见图1。

1.压力驱动模式(PressuredrivenflowmodeorValvemode)是目前应用最多的工作模式。

其原理如图1a所示,磁流变体在压力作用下通过固定的磁极,磁流变体流动的方向与磁场方向垂直,可通过改变励磁线圈的电流控制磁流变阻尼器的阻尼力。

该系统可用于伺服控制阀、阻尼器和减振器等。

2.剪切模式(Directshearmode)如图1b所示,磁流变体在可移动磁极的作用下通过可控磁场,磁极移动方向与磁场方向相互垂直,这种系统可用于离合器、制动器、锁紧装置和阻尼器等磁流变器件。

3.挤压模式(Compressivesqueezefilmmode)如图1c所示,磁极移动方向与磁场方向相同,磁流变体在磁极压力的作用下向四周流动,磁场方向与磁流变体流动方向垂直。

磁极移动位移较小,磁流变体产生的阻尼力较大,可应用于小位移大阻尼的磁流变阻尼器等。

3磁流变阻尼器件及其工程应用
目前,磁流变技术已经取得了不少的研究成果,其中不少磁流变阻尼器已开始进入工程应用,主要应用于汽车、机械和建筑结构等领域。

美国已经有实用化的产品问世,其中德尔夫公司利用磁流变阻尼器开发的汽车悬架系统,实现了悬架系统阻尼可调,提高了汽车的安全性和平顺性。

该项目被评为1999年度世界100
大科技成果之一[8],该系统已于2000年装车试验。

3.1汽车座椅悬架磁流变阻尼器
图2为Lord公司开发的汽车座椅悬架阻尼器[8],该阻尼器为单筒式,采用压缩氮气作补偿,阻尼孔环形分布与电磁线圈绕制都在活塞上,通过活塞杆引出电源线,该阻尼器直径4.1cm,两连接孔中心距离为17.9cm,活塞行程为±2.9cm,阻尼器消耗磁流变体为70cm3,在活塞中发生流变的流变液为0.3cm3,在输入电流为1A时输入功率为5W。

该阻尼器使用5×106次无故障发生,磁流变阻尼器寿命的长短决定于密封设计、材料选择和磁流变体的化学稳定性。

实验获得的磁流变阻尼器特性曲线(图3)以及磁流变阻尼器用于汽车座椅悬架系统的控制效果曲线(图4),说明采用可控阻尼对汽车减振具有极好的效果。

3.2建筑结构中使用的磁流变阻尼器
建筑结构的振动是造成重大灾害的重要原因,对其振动进行控制是当今世界研究的重要课题,磁流变阻尼器是一种先进的执行器,为此Lord公司的研究人员开发了建筑结构抗振的阻尼器[9～11],见图3,其最大阻尼力为20t,可调阻尼系数为10,它将筒体作为磁路的一部分,外筒与活塞之间的间隙作为阻尼通道,为了增大阻尼力采用了三组活塞进行串联,电磁线圈绕制于活塞上,同时设计了专用的补偿装置,阻尼器行程为±8cm,内径为20.3cm,总长约为100cm,耗用磁流变体为5L。

与汽车座椅悬架阻尼器的使用环境不同,建筑结构振动控制阻尼器绝大多数时间是静止不动的, 这就意味着不能靠阻尼器活塞的运动来维持磁流变体稳定,流变体必须长时间保持沉降稳定和凝聚稳定,可采用零磁场粘度较大的磁流变体来阻止磁性微粒的沉降和凝聚,密封和磨损不是重点考虑的问题。

DykeSJ等[12]对磁流变阻尼器的应用进行了研究,通过模拟和实验室模型实验表明:采用加速度反馈控制策约,可以得到较为理想的控制效果,有关研究人员正致力于开发类似的磁流变阻尼器,为智能建筑结构提供新型的执行器。

3.3微型磁流变阻尼器
可用于实时控制和主动控制的磁流变阻尼器由Lord公司开发成功[9],见图4,该阻尼器的活塞为圆盘,电磁线圈绕制在外筒上,由于行程较小,可用有弹性的橡胶元件进行密封,不需要考虑动力密封和滑动密封。

由于阻尼器被全部密封因而可采用水基磁流变体,这样便解决了油基(碳氢化合物)磁流变体与橡胶的化学作用。

由于水基磁流变体有更多的稳定剂和表面活化剂可选择。

但是这种结构的阻尼器行程受到限制(该阻尼器的行程为±3mm)。

这种磁流变阻尼器可用于锁紧装置,在阻尼器的外面装上弹簧元件便可制成可调阻尼的发动机机座,为抑制发动机引起的机械设备振动提供了新的途径。

3.4直升飞机旋转叶片磁流变阻尼器
由于飞行状态的变化和气候的变化,直升飞机的旋转叶片容易引起振动,给飞机和乘驾人员造成了极大的威胁,传统的方法是在叶片的后翼和襟翼之间安装被动的液力阻尼器或安装弹性阻尼器来减小振动,但这种方法不能提供有效的阻尼来抑制叶片的振动。

美国宾夕法尼大学的研究人员将传统的液力阻尼器改为磁流变阻尼器[14],见图5。

研究人员采用开关控制和线性反馈控制方法对其振动进行了测试,结果表明:磁流变阻尼器比传统阻尼器更能有效地控制叶片振动,剪切模式的磁流变阻尼器比同样大小的弹性阻尼器能产生更大的阻尼,更能有效地抑制叶片共振。

另外美国马里兰大学的研究人员也对直升飞机旋转叶片用的磁流变阻尼器的特性进行了研究[15～18],对磁流变阻尼器在零场和磁场中进行了单一频率和两种复合频率的测试,建立了磁流变阻尼器的非线性粘弹-塑性模型,为磁流变阻尼器的应用奠定了相应的技术基础。

3.5其它磁流变阻尼器磁流变阻尼器
在汽车领域的应用主要集中在汽车悬架减振[19],这种减振器的行程较大,为此德国萨尔大学的研究人员[13]设计了一个长行程的磁流变阻尼器,见图6,并在减振器试验台上进行了测试。

同时他们设计了一种行程为100μm的阻尼器,并对其性能进行了测试。

研究表明:在长行程减振器中,剪切率达到一定的数值以后,磁流变体在阀中的压力损失与剪切率基本无关,活塞速度太大将影响磁流变效应。

4 我国致力于开发各种磁流变器件的领域
在我国已有不少研究人员致力于开发各种磁流变器件,主要应用在下列几个技术领域。

(1)汽车制造行业
利用磁流变体可以成功地开发许多新型的汽车零部件,如可控阻尼的悬架减振器,提高汽车的安全性和舒适性;汽车风扇调速离合器,使发动机处于更理想的工作状态;汽车离合器和汽车制动器,提高传动效率。

(2)液压控制行业
利用磁流变效应可开发各种流量控制阀和压力控制阀,这些液压元件没有相对运动的阀芯,制造成本低,无磨损,寿命长,易于控制,有较大的市场前景。

(3)机械制造行业
利用磁流变体在磁场作用下发生固化的特性,可对形状结构较为复杂的工件进行定位和夹紧,以便进行机械加工,这便可以开发磁流变夹具。

(4)机器人领域
利用磁流变体可以制造出作用力大、响应快、动作灵活、无磨损、易于控制的活动关节,这比传统的电-液控制关节更优越。

(5)建筑结构领域
由于地震和风震的影响,高层建筑和大型桥梁易产生振动,利用磁流变体可以制造阻尼可调的阻尼器,实现振动的半主动控制。

2 磁流变技术与磁流变阻尼器件
Lord公司开发的挤压模式汽车座椅悬架阻尼器
图2为Lord公司开发的挤压模式汽车座椅悬架阻尼器[2,9],该阻尼器为单筒式,采用压缩氮气作补偿,在活塞上分布有环形阻尼孔,电磁线圈绕制在活塞上,通过活塞杆引出电源线,该阻尼器直径为41mm,两连接孔中心距离为179mm,活塞行程为±29mm,阻尼器使用磁流变体7000mm3,在阻尼通道中发生流变效应的磁流变体为300mm3,在输入电流为1A时,输入功率为5W。

该阻尼器使用5×106次无故障发生。

磁流变阻尼器寿命的长短决定于密封设计、材料选择和磁流变体的化学稳定性。