分體式磁流變減振器設計與試驗

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摘要：磁流變減振器是一種可實現(xiàn)半主動控制的理想減振器，具有響應速度快、調(diào)節(jié)范圍寬、阻尼力連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點，可很好地提高裝備的可靠性、穩(wěn)定性、舒適性、平順性和安全性，減少因動載荷變化引起的零部件、元器件和結構損傷。針對現(xiàn)有磁流變減振器存在的問題，結合輪式車輛減振對拉壓阻尼力成比例控制的需求，設計了磁流變液單向流動的分體式大阻尼力磁流變減振器，并進行臺架試驗、單輪臺架測試。通過試驗證明該分體式磁流變減振器能夠有效提高磁場利用率、強化散熱功能,同時拉壓阻尼力成比例控制，阻尼力動態(tài)調(diào)節(jié)滿足輪式車輛減振控制的要求；

關鍵詞：輪式車輛；分體式；單向流動；磁流變減振器；

0 前言

磁流變液（Magnetorheological Fluids，MRF）是近年來發(fā)展迅速的一種智能材料，在強磁場作用下能在瞬間（毫秒級）從自由流動的液體轉變?yōu)榘牍腆w，呈現(xiàn)可控的屈服強度，而且這種變化是可逆的。由磁流變減振器構成的磁流變減振系統(tǒng)具有阻尼力大,能耗低,溫度適應性強,調(diào)節(jié)范圍寬,響應速度快等特點，是理想的半主動減振系統(tǒng)。針對現(xiàn)有的磁流變減振器還存在過熱、磁場利用效率不高、沉淀、結構復雜等缺陷，本文設計了一種分體式磁流變液減振器。

本項目基于磁流變液智能傳感材料的高可靠性減振器的應用研究和產(chǎn)業(yè)化（項目編號2019JZZY020215）已被評為山東省重大科技項目，該項目應用西安交通大學承擔的“十一五”軍品配套研制項目“裝甲車輛行動裝置電磁流變智能減振器研制”成果，在煙臺航空液壓控制有限責任公司生產(chǎn)能力的基礎上，實現(xiàn)磁流變減振器的設計與加工。

1分體式磁流變減振器設計原理

圖1 液壓原理圖

該減振器的工作原理如下：當活塞桿向下運動時，單向閥2.2關閉，單向閥2.1打開，無桿腔里的磁流變液經(jīng)單向閥2.1流入有桿腔，因有桿腔與無桿腔存在的體積差，多余的磁流變液通過管路a流入發(fā)生器環(huán)形通道4，在發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生阻尼力，最終進入補償腔3內(nèi)。當活塞桿向上運動時，單向閥2.1關閉，單向閥2.2打開，有桿腔內(nèi)的磁流變液經(jīng)由管路a流入發(fā)生器環(huán)形通道，在發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生磁流變效應，產(chǎn)生阻尼力，最后經(jīng)由單向閥2.2進入無桿腔。因有桿腔與無桿腔存在的體積差，補償腔3中的一部分磁流變液在氮氣壓力作用下通過單向閥2.2也進入無桿腔，完成一個工作循環(huán)。通過改變通入線圈5的電流改變磁場強度，從而獲得可控的阻尼力。

2 分體式磁流變減振器設計與優(yōu)點

分體式磁流變減振器設計包括缸體和阻尼發(fā)生器，兩者通過高壓油管連接。缸體內(nèi)部通過單向閥的組合設計實現(xiàn)進、出油口恒定不變，實現(xiàn)磁流變液能始終單向循環(huán)，可有效防止其沉降；同時在缸體底部設計防沉降反沖洗結構——沖刷盤，通過流體仿真確定其通孔的數(shù)量、位置及最佳沖洗弧度。為保證大行程磁流變減振器的體積補償，缸體采用雙筒式結構，內(nèi)筒為工作缸，外筒為補償腔，采用充氣取代浮動活塞來補償活塞桿位移導致的體積變化，而充氣壓力通過示功測試進行確定。

該分體式磁流變減振器設計具有以下突出優(yōu)點：

1）解決減振器沉淀問題。因磁流變液中的鐵磁顆粒粉末含量比較多，當磁流變液注入減振器中長時間不運行時會出現(xiàn)凝聚和沉降現(xiàn)象，使工作介質中磁性顆粒減少，從而影響磁流變液減振器的阻尼控制效果。通過磁流變液減振器中單向閥的閥系組合設計實現(xiàn)缸體進出油口不變，加上缸體底部設計的防沉降反沖洗結構——沖刷盤，可以快速的將磁流變液中的磁性顆粒快速的沖入磁流變液中，有效解決磁流變液沉降問題；

2）解決輸出拉、壓力的匹配問題。現(xiàn)有的單桿磁流變液減振器，因有桿腔跟無桿腔的面積差導致壓力相同時拉伸阻尼力小于壓縮阻尼力，對阻尼器的控制帶來難度。該磁流變減振器在拉伸過程中阻尼器活塞的受力面積大，在壓縮過程中的受力面積小，從結構上解決兩個方向對輸出力的要求，使控制難度和能耗降低。

3）解決了減振器的散熱問題。因傳統(tǒng)磁流變液減振器發(fā)生器置于缸筒內(nèi)部，發(fā)生器工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，使磁流變液減振器溫度較高，該阻尼發(fā)生裝置設計結構為外置分體串聯(lián)式結構，將發(fā)生器置于減振器外部，減小了減振器的徑向尺寸，散熱條件好，便于維修；引線可以從發(fā)生器筒壁引出，簡單可靠，同時使密封條件得到改善；

4）解決液體補償及補償速度慢問題。設置在磁流變減振器外圍的補償腔腔體，采用充氣取代浮動活塞來補償活塞桿位移導致的體積變化，既可解決磁流變液減振器的液體補償又能加快液體的補償速度，這對汽車磁流變液減振器的工程化具有重要價值。

5）提高磁場利用率。該磁流變減振器的發(fā)生器采用線圈外置的平行圓盤縫隙阻尼結構，外置的線圈產(chǎn)生的磁力線平行于線圈的軸線，當磁流變液在平行盤之間徑向流動時，運動方向與磁力線方向垂直，使得發(fā)生器對磁場的利用效率達到最高，即當線圈通相同電流的狀態(tài)下，使得阻尼器可以產(chǎn)生更多的阻尼力。另外采用平行圓盤縫隙結構可獲得較長的阻尼工作通道，可通過增加平行圓盤數(shù)量數(shù)量增加阻尼力。

3分體式磁流變減振器臺架拉壓試驗

試驗在MTS-808拉壓試驗機上完成，試驗的目的是研究磁流變減振器的阻尼特性,可用減振器的示功圖來確定。正弦機構產(chǎn)生振幅一定的正弦運動,推動磁流變減振器缸筒產(chǎn)生相同的運動。對磁流變減振器進行拉壓試驗，通過力、位移傳感器輸出監(jiān)測、記錄、顯示試驗數(shù)據(jù)和波形。

圖2 振幅50mm、頻率0.2Hz下磁流變減振器示功特性

試驗結果表明，當振幅與頻率一定時，阻尼力大小與電流大小成正比，隨著電流增大示功圖包圍的面積也隨之增大，表示磁流變減振器消耗的功也逐漸增大，示功圖較為圓滑、飽滿，表明實際減振效果良好。

4分體式磁流變減振器單輪懸架測試

分體式磁流變減振器完成了單輪懸架試驗，測試了D、E級路面激勵下磁流變減振器的性能。

圖3  D、E級路面磁流變減振器與傳統(tǒng)阻尼器性能對比

如圖3所示，在D級、E級路面條件下，通過實時調(diào)節(jié)控制電流，磁流變減振器相對于被動液壓阻尼器，簧上質量垂直振動加速度均方根值降低約40%；磁流變減振器安全可靠，當電流為零時，也能充當具備一定性能的被動阻尼器保證車輛繼續(xù)運行。

5 結論

1)對磁流變減振器進行了示功特性試驗，通過施加不同勵磁電流，減振器隨勵磁電流的變化可控性好、阻尼力調(diào)節(jié)范圍寬。理論值和試驗測試數(shù)據(jù)基本吻合，說明本設計的實驗建模分析和參數(shù)選擇是合理的，該方法是可行的，對后續(xù)的磁流變液減振器開發(fā)具有一定的指導意義。本文的后續(xù)工作還應對磁流變液減振器的動態(tài)性能進行深入的研究，對于磁流變液減振器的結構設計還需要進一步的優(yōu)化，使磁流變性能達到更優(yōu)，提高磁流變減振器的性能。

2）該分體式磁流變減振器結構上有效解決了磁場利用率低，輸出拉、壓力的匹配問題和沉淀問題。將發(fā)生器置于缸體的外部，加快散熱；阻尼發(fā)生裝置設計成外置串聯(lián)結構，散熱條件好，便于維修。

3)提出的補償腔充氣的體積補償方式，有效的解決了現(xiàn)有磁流變減振器由于磁流變液較稠補償緩慢的問題，為解決浮動活塞磨損問題提供了新的思路。

參考文獻

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作者：臧錫杰，王華安，楊連峰，辛靜 單位：煙臺航空液壓控制有限責任公司，煙臺 264000