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磁流变智能材料及其减振器的结构与特性

发布时间:2019-04-24 03:16:10 阅读: 来源:蔬菜清洗机厂家
  摘 要:详细介绍了磁流变液这种智能材料的组成、特性和流变机理。对基于这种智能材料的新型阻尼减振器的结构、原理和动态力学特性作了深入论述,展望了该新型磁性智能材料及其器件的良好应用前景。
  关键词:磁流变液;减振器;力学特性


Magnetorheological Fluids and Structure and Characteristics
of MR Damper

XIONG Chao, ZHENG Jian, ZHANG Jin-qiu, ZHANG Li

The 1st Department, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China


  Abstract: In this paper, the compositions, characteristics and rheology mechanism of a new kind of smart material magnetorheological fluids (MRF) were introduced firstly. Based on this intelligent material, a type damper was designed, and its structure, principle and mechanics characteristics were studied. Application foreground of MR fluids and its devices was prospected.
  Key words: magnetorheological fluids; damper; mechanics characteristic


1 引言
  磁流变液(Magnetorheological Fluids,简称MRF)属可控流体,是当前智能材料研究的一个重要分支[1]。在无外磁场作用时,其具有良好的流动性,而在强磁场作用下,磁流变液可在毫秒级时间内连续、可逆地转变为具有高粘度、低流动性的Bingham体,其表观粘度可增大两个数量级以上,呈现类似固体的力学性质。正是它的这种特性连续、可逆、迅速和易于控制的特点,使得磁流变液装置能够成为电气控制与机械系统间简单、安静而且响应迅速的中间装置[2]。近年来,对磁流变液及其应用器件的研究引起了国内外学者和工业界的广泛兴趣,美、日、英、法、德等发达国家均投入了巨大的财力和物力开展这方面的研究[3]。目前,磁流变液已经开始应用于减振器、主动驱动器、制动器、研磨(抛光)工艺、阀门和密封等众多应用领域中,被认为是未来最具前途的智能材料之一。本文将对这种智能材料的组成、特性和流变机理作一详细介绍。并对基于这种智能材料制作的新型阻尼减振器的结构、原理和动态力学特性作了深入研究。

2 磁流变液的组成、特性及机理
2.1 磁流变液的组成
  磁流变液通常由以下三种成分组成:(1)具有高磁导率、低矫顽力的微小磁性微粒,如铁钴合金、铁镍合金、羰基铁等软磁材料。由Jolly和Ginder等人[4]建立的磁流变液理论剪切屈服强度的计算公式可知,磁流变液的极限剪切屈服强度与磁性颗粒的饱和磁化强度的平方成正比。(2)母液,又称溶媒,是磁性微粒悬浮的载体。为了保证磁流变液具有稳定的理化特性,母液应具有低粘度、高沸点、低凝固点、较高密度和极高“击穿磁场”等特性。目前,较为常用的母液是硅油。另外,一些高沸点的合成油、水以及优质煤油等也可作为磁流变液的母液;(3)表面活性剂,其主要作用是包覆磁性微粒并阻止其相互聚集而产生凝聚,减少或消除沉降。
2.2 磁流变液的特性及流变机理
  磁流变液由人工方法合成,集固体属性和流体流动性于一体,其流变特性,如粘度、塑性、弹性等会随外加磁场的改变而迅速变化。实验表明,在没有磁场作用时,粒子悬浮在母液中,在空间随机分布,如图1a所示,磁流变液符合牛顿流体的本构关系,具有较低的粘度。而施加磁场后,磁性微粒克服热运动作用而沿磁场方向结成链状结构,如图1b所示。一条极化链中各相邻粒子间的吸引力随外加磁场强度的增强而增大。当磁场增至临界值时,磁偶极子的相互作用超过热运动,则磁性微粒热运动受缚,此时磁流变液呈现固体特性。这一固-液两相转变的过程是可逆的,能够通过改变磁场而平稳、快速地完成,一般转换时间都为毫秒级。磁流变液的这种特性被称为磁流变效应(MRE)。

  处于外磁场中的磁流变液表现出具有一定屈服应力的类似于固体的本构关系。其剪切屈服应力可用Bingham模型表示:
  
式中是磁流变液的剪切屈服应力;是磁流变液的屈服强度,随磁感应强度的增大而增大,B为磁感应强度;是流体的剪切应变速率;是流体的动力粘度。

3 磁流变减振器的结构和工作原理
  磁流变减振器是以磁流变体这种新型的智能材料作为减振器的工作液,并在减振器的活塞轴上缠绕电磁线圈,线圈产生的磁场作用于磁流变液,通过控制电磁线圈电流的大小来调整磁场强度进而改变磁流变液的粘度,实现阻尼可调的目的。根据磁流变液在减振器中的受力状态和流动形式的不同,磁流变减振器可分为流动模式(Flow Mode)、剪切模式(Shear Mode)、压缩模式(Squeeze Mode)以及这三种基本模式的任意组合。
  流动模式的磁流变减振器简化结构如图2a所示,它是将磁流变液置于两固定的平行板间,靠阀两端的压力差来驱动磁流变液;剪切式磁流变减振器的简化结构如图2b所示,磁极间有相对运动(移动或转动),这种运动使磁流变液处于剪切状态,靠流体间的摩擦作用带动流体运动,通过改变磁场可连续改变其剪切屈服应力大小;挤压模式磁流变减振器的简化结构如图2c所示,磁极在与磁场几乎平行的方向上移动,磁流变液处于交替拉伸、压缩状态,并发生剪切。虽然磁极的位移量较小(几毫米以下), 但是产生的阻力却很大,由于一个磁极要作与磁场平行的运动,所以该类减振器结构较为复杂。它只能用于微小运动、大阻尼力的场合。

  剪切阀式磁流变减振器工作于剪切和流动的组合模式,兼有剪切模式和流动模式的优点,具有结构简单、磁路设计较方便、出力大等优良特性,应用前景更为广阔。其工作原理如图3所示,减振器内腔充满了磁流变液,活塞在工作缸内作往复直线运动,活塞与缸体发生相对运动,挤压磁流变液迫使其流过缸体与活塞间的间隙时,在磁场作用下,磁流变液的磁流变效应表现为具有一定屈服应力的类似于固体的本构关系,从而使摩擦阻力增大。根据剪切阀式磁流变减振器的结构,利用平板计算模型,可得阻尼力的计算公式为[5]:
  


为活塞与缸体的相对流速;D为缸体内径;d为活塞轴直径,L为活塞的长度;h为活塞与缸体间隙;为临界屈服应力;是磁流变液的动力粘度。由(2)式可以看出剪切阀式磁流变减振器提供的阻尼力的第一项相当于普通流体减振器的粘滞阻尼力,不具有可调性;第二项与磁流变液的屈服应力有关,具有库仑摩擦阻尼力特性,是磁流变减振器的可调阻尼力,反映了磁流变减振器特殊的电控特性。另外,(2)式也表明了磁流变减振器的阻尼力与相对流速u(t)之间存在线性关系。

4 磁流变减振器实验研究
  图4为我们自行研制的磁流变减振器的实物照片,为对其性能进行深入研究,我们采用中科院力学所的MTS 810材料屈服实验机,对其进行了台架实验。其几何参数如下:活塞直径D=56mm,活塞杆直径d=28mm,间隙宽h=2mm,绕组总匝数N=921,线圈绕线总长度l=114.276m。灌入动力粘度为0.85Pa·s的磁流变液,得到的实验曲线如图5~7所示。

  图5为减振器的阻尼力随电流的变化曲线。由图可看出,剪切阀式磁流变减振器的阻尼力随电流的增大明显增大,这也是磁流变优良特性的最直观体现。但这种增长趋势并非线性,随电流的进一步增大,阻尼力的增长幅度有所下降。可由图中虚线所示指数关系拟合。
  图6为减振器的阻尼力与位移的关系曲线,振动频率为0.25Hz,振幅为20mm,图中曲线由内到外对应减振器的电流分别为0,0.5,1,1.5,2,2.5,3A。由图可以看出,减振器的滞回曲线非常饱满,有较强的耗能减振特性,最大电流下减振器的最大阻尼力与最小电流下减振器的最小阻尼力之比定义为阻尼力的可调系数。由图知减振器的阻尼力可调系数随电流变化连续可调,阻尼力可调系数可达3左右。

  图7为减振器的阻尼力与相对流速的关系曲线,其振动频率为1Hz,电流分别为0、1、2、3A。由图可以看出,阻尼力随速度增大而增大,在速度正负区呈分段线性关系。这与(2)式是一致的。

5 结束语
  磁流变液由于其独特的磁流变效应,良好的流变性能,成为世界材料科学领域的研究热点,被认为是最具发展潜力的智能材料。磁流变液的特性使得其在汽车、机械、航空、建筑、医疗等领域具有十分广泛的应用前景。磁流变阻尼器作为典型的磁流变器件,近年来引起了国内外学者的兴趣,作为结构半主动控制装置,可用于风振、地震、环境激励振动下的减振控制中。本文对磁流变液及阻尼减振器的特性进行深入研究,为工程开发和应用磁流变流体提供了依据和基础。


参考文献


[1] Ashour O, Rogers C A. [J]. Intelligent Material Systems and Structure, 1996, 7:123-130.
[2] 汪建晓, 孟光. [J]. 航空学报, 2002 23(1): 6-12.
[3] 司鹄, 彭向和. [J]. 材料科学与工程, 2002, 20(1): 61-63.
[4] Ginder J M, Davis L C. [J]. Applied Physics Letters, 1994, vol.65: 3410-3418.
[5] 隋莉莉, 王刚. [J]. 吉林建筑工程学院学报, 2002, 19(1): 1-5.

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