分體式磁流變減振器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

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摘要：磁流變減振器是一種可實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)控制的理想減振器，具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)范圍寬、阻尼力連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)載荷變化引起的零部件、元器件和結(jié)構(gòu)損傷。針對現(xiàn)有磁流變減振器存在的問題，結(jié)合輪式車輛減振對拉壓阻尼力成比例控制的需求，設(shè)計(jì)了磁流變液單向流動(dòng)的分體式大阻尼力磁流變減振器，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)、單輪臺(tái)架測試。通過試驗(yàn)證明該分體式磁流變減振器能夠有效提高磁場利用率、強(qiáng)化散熱功能,同時(shí)拉壓阻尼力成比例控制，阻尼力動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)滿足輪式車輛減振控制的要求；

關(guān)鍵詞：輪式車輛；分體式；單向流動(dòng)；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(qiáng)磁場作用下能在瞬間（毫秒級(jí)）從自由流動(dòng)的液體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w，呈現(xiàn)可控的屈服強(qiáng)度，而且這種變化是可逆的。由磁流變減振器構(gòu)成的磁流變減振系統(tǒng)具有阻尼力大,能耗低,溫度適應(yīng)性強(qiáng),調(diào)節(jié)范圍寬,響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，是理想的半主動(dòng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種分體式磁流變液減振器。

本項(xiàng)目基于磁流變液智能傳感材料的高可靠性減振器的應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化（項(xiàng)目編號(hào)2019JZZY020215）已被評(píng)為山東省重大科技項(xiàng)目，該項(xiàng)目應(yīng)用西安交通大學(xué)承擔(dān)的“十一五”軍品配套研制項(xiàng)目“裝甲車輛行動(dòng)裝置電磁流變智能減振器研制”成果，在煙臺(tái)航空液壓控制有限責(zé)任公司生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)磁流變減振器的設(shè)計(jì)與加工。

1分體式磁流變減振器設(shè)計(jì)原理

圖1 液壓原理圖

該減振器的工作原理如下：當(dāng)活塞桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，單向閥2.2關(guān)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(jìn)入補(bǔ)償腔3內(nèi)。當(dāng)活塞桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，單向閥2.1關(guān)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(yīng)，產(chǎn)生阻尼力，最后經(jīng)由單向閥2.2進(jìn)入無桿腔。因有桿腔與無桿腔存在的體積差，補(bǔ)償腔3中的一部分磁流變液在氮?dú)鈮毫ψ饔孟峦ㄟ^單向閥2.2也進(jìn)入無桿腔，完成一個(gè)工作循環(huán)。通過改變通入線圈5的電流改變磁場強(qiáng)度，從而獲得可控的阻尼力。

2 分體式磁流變減振器設(shè)計(jì)與優(yōu)點(diǎn)

分體式磁流變減振器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)、出油口恒定不變，實(shí)現(xiàn)磁流變液能始終單向循環(huán)，可有效防止其沉降；同時(shí)在缸體底部設(shè)計(jì)防沉降反沖洗結(jié)構(gòu)——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(bǔ)償，缸體采用雙筒式結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒為工作缸，外筒為補(bǔ)償腔，采用充氣取代浮動(dòng)活塞來補(bǔ)償活塞桿位移導(dǎo)致的體積變化，而充氣壓力通過示功測試進(jìn)行確定。

該分體式磁流變減振器設(shè)計(jì)具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

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(dāng)磁流變液注入減振器中長時(shí)間不運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)凝聚和沉降現(xiàn)象，使工作介質(zhì)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)缸體進(jìn)出油口不變，加上缸體底部設(shè)計(jì)的防沉降反沖洗結(jié)構(gòu)——沖刷盤，可以快速的將磁流變液中的磁性顆?？焖俚臎_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?，F(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(dǎo)致壓力相同時(shí)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(jié)構(gòu)上解決兩個(gè)方向?qū)敵隽Φ囊?，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(huì)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為外置分體串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，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(shí)使密封條件得到改善；

4）解決液體補(bǔ)償及補(bǔ)償速度慢問題。設(shè)置在磁流變減振器外圍的補(bǔ)償腔腔體，采用充氣取代浮動(dòng)活塞來補(bǔ)償活塞桿位移導(dǎo)致的體積變化，既可解決磁流變液減振器的液體補(bǔ)償又能加快液體的補(bǔ)償速度，這對汽車磁流變液減振器的工程化具有重要價(jià)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(jié)構(gòu)，外置的線圈產(chǎn)生的磁力線平行于線圈的軸線，當(dāng)磁流變液在平行盤之間徑向流動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)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(dá)到最高，即當(dāng)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(jié)構(gòu)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(tái)架拉壓試驗(yàn)

試驗(yàn)在MTS-808拉壓試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)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(jī)構(gòu)產(chǎn)生振幅一定的正弦運(yùn)動(dòng),推動(dòng)磁流變減振器缸筒產(chǎn)生相同的運(yùn)動(dòng)。對磁流變減振器進(jìn)行拉壓試驗(yàn)，通過力、位移傳感器輸出監(jiān)測、記錄、顯示試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)振幅與頻率一定時(shí)，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(shí)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(yàn)，測試了D、E級(jí)路面激勵(lì)下磁流變減振器的性能。

圖3  D、E級(jí)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(jí)、E級(jí)路面條件下，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制電流，磁流變減振器相對于被動(dòng)液壓阻尼器，簧上質(zhì)量垂直振動(dòng)加速度均方根值降低約40%；磁流變減振器安全可靠，當(dāng)電流為零時(shí)，也能充當(dāng)具備一定性能的被動(dòng)阻尼器保證車輛繼續(xù)運(yùn)行。

5 結(jié)論

1)對磁流變減振器進(jìn)行了示功特性試驗(yàn)，通過施加不同勵(lì)磁電流，減振器隨勵(lì)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(yàn)測試數(shù)據(jù)基本吻合，說明本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)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(dǎo)意義。本文的后續(xù)工作還應(yīng)對磁流變液減振器的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行深入的研究，對于磁流變液減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步的優(yōu)化，使磁流變性能達(dá)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)成外置串聯(lián)結(jié)構(gòu)，散熱條件好，便于維修。

3)提出的補(bǔ)償腔充氣的體積補(bǔ)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(bǔ)償緩慢的問題，為解決浮動(dòng)活塞磨損問題提供了新的思路。

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作者：臧錫杰，王華安，楊連峰，辛靜 單位：煙臺(tái)航空液壓控制有限責(zé)任公司，煙臺(tái) 264000