抗冲击磁流变缓冲器原理及分析

2002年第23卷第1期华　北　工　学　院　学　报V ol.23　N o.1　2002 (总第81期)JOURNAL OF NORTH CHINA INSTITUTE OF TECHNOLOGY(Sum N o.81)

文章编号:1006-5431(2002)01-0004-04

抗冲击磁流变缓冲器原理及分析

高跃飞

(华北工学院机械电子工程系,山西太原030051)

摘　要:　目的　根据磁流变液体的粘度可在外加磁场的作用下变化的特性,探讨阻尼特性可控的抗冲击缓

冲器的原理及工程可应用性.方法　通过设计磁流变液体缓冲器结构、控制方法和理论分析,论述了磁流变

缓冲器的有关理论和技术.结果　磁流变缓冲器可获得良好的缓冲特性.结论　利用磁流变液体的表观粘

度随外加磁场可变的特性,可用主动控制的方法来控制缓冲器的抗冲击性能.

关键词:　磁流变液体;缓冲器;冲击

中图分类号:　T H113.1 文献标识码:A

在许多机械工程结构和系统中存在着冲击载荷,它们往往引起结构的振动、疲劳和破坏,一般多采用缓冲装置进行缓冲以减小这种冲击载荷的作用.传统的缓冲装置是根据典型的工况,以一定的结构技术设计缓冲器,预先制定了缓冲器的工作特性.由于实际工况的多变性和设计计算的误差,缓冲器的性能很难达到理想的工作性能.磁流变液体(Mag netorheo logical Fluids)在外加磁场的作用下能产生明显的磁流变效应,即液体的性质由液态向类固态转化.磁流变液体的粘度可调,具有连续、可逆、响应快、易于控制的特点,可与计算机控制结合,实现主动控制,在工程上具有良好的应用前景.磁流变液体是1948年由Rabino w发现的,与Winslow发现电流变液体处于同一时期.但是,除发现时所引起的轰动外,很长一段时间有关磁流变液体的研究较少.只是在最近,磁流变液体又引起了人们的重视.目前,磁流变液体已成功地应用于制动器、减振器和缓冲器等[1].磁流变液体的特性非常适用于主动控制,因而受到了各行各业的重视,将磁流变液体应用于机械系统的缓冲装置中,如汽车悬挂系统中的减振器、机械系统的缓冲器等.利用磁流变液体的流动阻尼可变和可控的特点,通过控制系统用主动控制的方法来控制缓冲装置中液体流动的阻尼,以适应外界载荷的变化,可获得良好的缓冲特性.作者根据磁流变液体的特点,介绍阻尼规律可控的缓冲器原理及有关的理论与技术.

1　原理与结构

常规缓冲器主要由空隙节流来产生阻尼,通过节流孔面积的变化调节阻尼.磁流变缓冲器利用磁流变液体粘度的变化迅速且可控的特性来实现其阻尼可控规律.这种缓冲器由缓冲装置、磁流变液体和控制系统组成.

1.1　结构原理

磁流变液体缓冲器的原理和结构形式如图1所示.该结构在外部设置一个带有芯杆(此芯杆上有线圈绕组)的旁路流液孔,液体流过时产生阻尼,并通过磁流变效应来调节阻尼力.工作时,活塞杆在缓冲器筒中往复运动,磁流变液体从旁路流液孔流过,相应地在流液孔处产生流动阻尼力.由控制单元调节施加在旁路流液孔中芯杆线圈上的电流,线圈在旁路流液孔的间隙内产生径向磁场.当活塞运动,挤压液体迫使其流动时,流过旁路流液孔的磁流变液体就会受到磁场的作用,由牛顿体变为粘塑体,使流体的流动阻力增加.由于粘塑体的屈服应力是磁场强度的函数,因此通过调整线圈中的电流强度来调整磁

收稿日期:2001-03-01

　基金项目:山西省自然科学基金资助项目

　作者简介:高跃飞(1960-),男,教授.从事专业:火炮.

场强度,就可以调整流体的流动阻力,即可调整缓冲器阻尼力.

Fig .2Schematic of the control sys tem

图2控制系统组成控制计算机

A/D

多路开关

调节电源

传感器放大电路D/

A 图1　磁流变缓冲器结构原理

Fig .1　Schem atic of the m agn etorheological fluids damper 1.2　控制系统

控制系统由传感器、控制单元和调节电源组成,控制系统的组成如图2所示.

当缓冲器工作时,计算机接受传感器的信号,通过判断、比较,然后发出指令控制电源的输出,改变缓冲器辅助流液孔处的磁场,进而控制阻尼力的变化规律.

2　阻尼力分析

2.1　液体流动阻尼力

对液体流动作如下假设: 液体不可压缩,忽略液体流经流液孔的收缩现象; 流动是一维定常流; 以地球为惯性参考系;!工作腔始终充满液体.

在上述假设的基础上,可用不可压缩定常流质量守恒方程(连续方程)和机械能守恒方程计算液体流动的阻力.对于图1中的结构,当活塞向外以速度v 运动时,液体的流动满足连续方程

A 0v =a f w 2

(1)

A 0= (D 2T -d 2T )/4 a f = (D 2f -d 2f )/4式中　A 0为活塞工作面积;D T 为缓冲器筒内径;d T 为活塞杆外径;a f 为流液孔的面积;D f 为流液孔管的内径;d f 为流液孔芯杆的外径;w 2为流液孔处液体的流速.

根据定常流的机械能守恒方程,有

z 1g +p 1/ +w 21/2=z 2g +p 2/ +w 22/2+H r 2

(2)由于工作时液流中心高度z 1与z 2相差较小,可认为相等,因而有

p 1/ +w 21/2=p 2/ +w 22/2+H r 2(3)

式中　p 1,w 1分别为缓冲器内工作腔压力和液体流速,由缓冲器工作的情形,有p 2=0,w 1=0;p 2为缓冲器内非工作腔压力;w 2为流液孔处液体的流速;H r 2为流液孔处液体流动的比能损失; 为液体的密度.

将比能损失写成比动能形式H r 2= 2w 22/2,且令k 2=1+ .式中, 2为液体的损失系数,与液体的粘

度、流体管道的几何尺寸、管壁的粗糙程度、流动状态等有关.于是,式(3)可写为

p 1= k 2w 22/2

(4)将式(1)代入,得

p 1=(p k 2/2)(A 0/a f )2v 2(5)因而有液压阻力

F FR =A 0p 1=( k 2/2)(A 30v 2/a 2f )(6)

2.2　磁流变效应产生的阻尼力

磁流变效应可用磁流变液体的剪切应力!表示.在磁场作用下的剪切应力!可以模拟为宾汉(Bing -ham )模型[1]!=∀# +!y (H )(7)5(总第81期)抗冲击磁流变缓冲器原理及分析(高跃飞)