冲击缓冲用磁流变阻尼器的磁场响应特性研究
文献综述
1 引言
振动和冲击作为运动的主要形式，在航空航天、军工、交通运输、机械制造和工程建筑领域都不同程度的存在着亟待解决的冲击问题，它们往往引起结构的振动、疲劳和破坏，因此研究振动与冲击，以及解决好冲击缓冲问题至关重要。
磁流变阻尼器采用磁流变液作为工作介质，结构简单、响应迅速、能耗低、动态范围大、阻尼力可控。是一种智能型的冲击缓冲装置。由于冲击缓冲系统要求缓冲装置响应快速，因此磁流变阻尼器的磁场响应特性决定了其是否能胜任冲击缓冲装置对于快速性的要求。磁流变阻尼器的响应快速性主要由以下几方面决定：（1）电磁回路对控制电压的响应；（2）磁场的建立时间；（3）剪切屈服应力对磁场的响应。本课题拟对磁流变阻尼器的磁场响应特性进行实验研究，通过对阻尼通道磁感应强度阶跃响应信号的测试，评价其响应特性和响应快速性。
- 磁流变液的研究与应用
磁流变液(Magnetorheological Fluid，简称NIRF)最初由美国国家标准局的Rabionw J于1948年发现[1]。它主要由高磁导率、低磁滞性的微小铁磁性颗粒、非导磁性载液及稳定剂组成，是一种非胶体性的材料[2][3]。常规的软磁性颗粒有铁钻合金、铁镍合金、纯铁粉和拨基铁粉等，磁性颗粒直径通常为0.1~100um，典型值为3~Sum，实际应用中最常使用的是纯铁粉和拨基铁粉，是工业化产品、产量大、价格较便宜。磁性颗粒的主要性能指标有高饱和磁化强度、高磁导率、低磁矫顽力以及体积小内聚力小[4][5]。在零磁场下，磁流变液是一种低粘度的牛顿流体，磁性颗粒自由排列。在外加磁场的作用下，流体中的铁磁颗粒会发生极化效应，形成偶极子，偶极子克服热运动作用沿磁场万向结成链状，链状结构中相邻粒子间的吸引力随磁场的增强而增强。当液体受到剪切作用时，流变体产生屈服强度，且屈服应力随磁场强度的增强而增加[6]。当去掉外加磁场后，流体又从粘塑性状态迅速恢复到原来的牛顿流体状态，其响应时间仅为毫秒级。这种现象称为磁流变效应(Magnetorheological Effect，简称MRE)。磁流变效应具有以下特征：（1）连续性；（2）可逆性；（3）可控性；（4）快速性；（5）低能耗[7]。因此在许多工程领域磁流变液有着很广阔的应用前景。美国人Ginde:对磁流变液在磁场作用下剪切屈服应力的变化进行了研究分析；加州人学Liu等人对磁流变液的相变作了进一步研究；并将相变分为三个阶段；宁波衫工有限公司经过长时间的研究开发，在市场上推出了性能优良的磁流变液[8][9]。人量的研究结果显示:外加磁场强度对磁流变效应具有一决足性的作用，同时磁性颗粒的直径和体积分数也会对其产生影响[10][11]。由十磁流变液优良的动力学特性，受到了越来越广泛的关注。
- 磁流变阻尼器研究现状
磁流变阻尼器是以磁流变液体为工作介质制成的阻尼器，目前，在汽车领域、机械设备减振领域、军用设备领域和建筑工程等领域受到广泛的关注，展现出良好的应用前景。美国马里兰大学设计的磁流变阻尼器，代表着国际先进的设计水平。该阻尼器通过气体补偿结构，解决了其单出筒结构所带来的气压不平衡问题，采用的流动工作模式，实现了可在较宽范围内调节阻尼力的功能[12]。在汽车领域，美国Lord公司开发出了乍用磁流变阻尼器及控制器，并同Delphi公司联合开发了轿车悬架控制系统，在控制系统的控制下，磁流变阻尼器的输出力平稳可调[13]，因而可以有效降低路面波动对汽车的冲击和振动。国内重庆大学与重庆仪表材料研究所合作，在模糊控制策略和小波频域控制策略下有效的提高了汽车的平顺性[14][15]。上海交通大学研究了在汽车减振上应用的磁流变阻尼器的阻尼力数学模型，并提出了设计阻尼器时的参数选曲原则[16]。在机械设备减振领域，Lord公司[17]针对小位移大出力的应用场合，开发了挤压工作模式的磁流变阻尼器，并在阻尼器外面安装弹簧，制成可调阻尼的发动机基座，为发动机振动隔离提供了新方法。在军用设备领域，美国马里兰大学的Norman Werely等人设计了基于磁流变阻尼器的直升机座椅系统，经过大觉的试验表明，传递到座椅上的垂直振动减小了76%[18]。南京理工大学王灵教授将磁流变阻尼器应用于火炮反后坐装置中，设计了长行程磁流变阻尼器和缓冲系统的软硬件平台，并利用密爆发生器模拟火炮发射时产生的冲击载荷。分析了阻尼器控制过程中的延时问题，提出了补偿控制算法、设计了适合高冲击载荷环境下的控制策略:包括On-Off. PID、自适应控制和滑模控制等，通过台架试验进行验证，取得了良好的试验效果[19]。 在建筑工程领域，香港理工大学的倪一清等[19]将磁流变阻尼器用于桥梁斜拉索的横向减振中,而后他们又利用永磁材料研发了一种参数可调型的磁流变阻尼器，并将其应用于洪山大桥[20]的风雨振控制中，取得了不错的减振效果。
- 磁流变阻尼器的磁场响应特性研究展望
磁流变阻尼器因为具有阻尼力可调、响应快速，输出阻力大等优点，冲击缓冲用磁流变阻尼器在抗冲击减振领域具有良好的应用前景，相比于传统冲击缓冲装置，其输出阻尼力可调可控，可以实现半主动控制，是一种智能型的冲击缓冲装置。由于冲击缓冲系统要求缓冲装置响应快速，因此磁流变阻尼器的磁场响应特性决定了其是否能胜任冲击缓冲装置对于快速性的要求。磁流变阻尼器的响应快速性主要由以下几方面决定：（1）电磁回路对控制电压的响应；（2）磁场的建立时间；（3）剪切屈服应力对磁场的响应[11]。其中电磁回路对控制电压的响应以及磁场的建立可统一作为磁场响应特性研究，是冲击缓冲用磁流变阻尼器响应特性的重要组成部分。本课题拟对磁流变阻尼器的磁场响应特性进行实验研究，通过对阻尼通道磁感应强度阶跃响应信号的测试，包括上升阶跃响应、下降阶跃响应，不同幅值的阶跃响应，以及连续阶跃响应从而综合评价其响应特性和响应快速性。
参考文献
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