內(nèi)通道式磁流變阻尼器及其減振控制研究

郭朝陽，宗路航，陳現(xiàn)敏，黎劍鋒，薛 群，馮江華，龔興龍

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代力學(xué)系，中國科學(xué)院材料力學(xué)行為與設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230027;2.株洲電力機(jī)車研究所，株洲 412001)

磁流變阻尼器作為一種新型的半主動(dòng)減振裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，阻尼力可調(diào)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，近二十年來得到了巨大的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，車輛工程等領(lǐng)域［1－3］。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速鐵路在生產(chǎn)生活中起到的作用越來越大，對動(dòng)車組列車的需求量也日益增加，傳統(tǒng)的液壓減振器限制了動(dòng)車組速度的進(jìn)一步提高，利用磁流變阻尼器半主動(dòng)控制技術(shù)，可以極大地降低動(dòng)車在運(yùn)行過程中的振動(dòng)，提高動(dòng)車組的速度上限。

國內(nèi)外研制的磁流變阻尼器，多數(shù)是外通道的磁流變液阻尼器［4－8］。該種形式的阻尼器，磁流變效應(yīng)發(fā)生在電磁線圈與工作缸壁之間，阻尼力的大小受阻尼器間隙尺寸影響較大，要產(chǎn)生大的阻尼力，要求阻尼通道的間隙要盡量小，而過小的間隙又會(huì)增大初始阻尼力并且增加制造成本;增加活塞的有效長度可以增大阻尼力，由此也造成阻尼器的行程的縮短。內(nèi)華達(dá)大學(xué)CIML實(shí)驗(yàn)室［9］開發(fā)了一種磁流變阻尼器用于軍用高機(jī)動(dòng)多用途輪式車(HMMWV)，具有獨(dú)特的貫通的活塞設(shè)計(jì)，流體經(jīng)由活塞桿芯流動(dòng)，屬于內(nèi)通道的磁流變阻尼器，但其發(fā)生磁流變效應(yīng)區(qū)域的有效體積較小，產(chǎn)生的阻尼力較小。

為增大阻尼器中磁流變效應(yīng)的有效區(qū)域，我們設(shè)計(jì)了一種內(nèi)通道式的磁流變阻尼器［10］，該阻尼器的磁流變效應(yīng)發(fā)生在活塞內(nèi)部的兩層固定平板之間，允許大面積的磁流變液成鏈、產(chǎn)生較大阻尼力。在MTS上對該阻尼器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，得到阻尼器阻尼力在不同的電流下隨位移和速度的關(guān)系曲線，并測試了其響應(yīng)時(shí)間。為了驗(yàn)證該阻尼器的減振性能，搭建了兩自由度的彈簧質(zhì)量實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)，模擬動(dòng)車的振動(dòng)情況，利用天棚開關(guān)控制算法控制阻尼器輸出的阻尼力，減小正弦激勵(lì)對試驗(yàn)平臺的振動(dòng)幅度，并與被動(dòng)式的阻尼情況進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)表明:磁流變阻尼器在動(dòng)車的主要橫向振動(dòng)頻率1 Hz－2 Hz范圍內(nèi)有較好的減振效果。

1 磁流變阻尼器

1.1 磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)

為了克服外通道式磁流變阻尼器的弊端，研制了一種新型的內(nèi)通道式磁流變阻尼器，圖1為所設(shè)計(jì)的磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration of magnetorhoelogical(MR)damper

如圖1所示:磁流變阻尼器由工作缸體，活塞，電磁線圈，活塞桿，補(bǔ)償腔和連接部件等組成?；钊麑⒆枘崞鞲左w分為上下兩個(gè)工作腔，位于活塞內(nèi)部的磁流變液通道將上下兩個(gè)工作腔連通。在阻尼器活塞內(nèi)部，存在兩個(gè)圓板狀的空腔，下圓板空腔通過圓柱管道與下工作腔連通，上圓板空腔經(jīng)活塞內(nèi)部的圓柱管道并通過活塞上端4個(gè)放射狀的圓柱管道與上工作腔連通，兩個(gè)圓板空腔通過邊緣與其垂直的多個(gè)圓柱管道相互連通。活塞桿與活塞上部通過螺紋連接在一起。電磁線圈位于活塞的外部，并且通過固體膠密封，防止損傷線圈。活塞和工作缸壁之間存在間隙，保證活塞的正常運(yùn)動(dòng)，但應(yīng)避免間隙過大導(dǎo)致磁場的泄露。

當(dāng)活塞在工作缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁流變液通過線圈內(nèi)部的流場通道在高壓腔和低壓腔中反復(fù)流動(dòng)。如圖2所示為磁流變液在活塞內(nèi)部的流場示意圖，在壓縮過程中，磁流變液通過圓柱形的進(jìn)口通道到達(dá)下圓板空腔，磁流變液在下圓板空腔向四周發(fā)散流動(dòng)，到達(dá)上下圓板空腔的連接通道，通過連接通道進(jìn)入上圓板空腔，在上圓板空腔匯聚到中心點(diǎn)，然后流經(jīng)活塞內(nèi)的圓柱通道到達(dá)出口部分，最后通過4個(gè)放射狀圓柱出口通道到達(dá)另一個(gè)工作腔。磁感應(yīng)線在活塞和工作缸壁之間形成閉合回路，如圖2所示，在活塞內(nèi)部的兩個(gè)圓板空腔中，磁流變液的流向恰好與磁感應(yīng)線方向垂直，磁流變效應(yīng)主要發(fā)生在此區(qū)域，保證磁流變阻尼器產(chǎn)生可控的阻尼力。

圖2 活塞內(nèi)部磁流變液流場和磁感應(yīng)線分布示意圖Fig.2 Flow field of MR fluid and magnetic induction line in the piston

通過對活塞內(nèi)部圓柱流場通道的設(shè)計(jì)，能夠產(chǎn)生維持磁流變液阻尼器正常工作的粘性阻尼力，使磁流變液阻尼器保持失效安全性能。而對磁流變液的進(jìn)口和出口部分的不同設(shè)計(jì)，可以產(chǎn)生不同的壓縮和回復(fù)阻尼力，對于壓縮和恢復(fù)力不同的振動(dòng)情況也會(huì)有很好的減振效果。阻尼器采用單出桿形式，采用氮?dú)鈨?chǔ)能器補(bǔ)償活塞桿體積的變化。補(bǔ)償腔與工作缸體的連結(jié)有部分突出，在此形成插銷，可以限制活塞的行程，電磁線圈的導(dǎo)線通過補(bǔ)償腔管壁引出，導(dǎo)線在插銷下面有部分折疊，保證活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)線有足夠的長度，并且不影響活塞與工作缸壁之間的運(yùn)動(dòng)。活塞與缸體之間配合較好，活塞的運(yùn)動(dòng)沒有晃動(dòng)，十分穩(wěn)定。

1.2 磁流變阻尼器準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)分析

假設(shè)磁流變液體運(yùn)動(dòng)為穩(wěn)定的層流，磁流變液通過阻尼通道時(shí)認(rèn)為是不可壓縮的，阻尼器上下工作腔的壓差主要由3部分組成［9］:

(1)兩個(gè)平行平板之間磁流變效應(yīng)壓差

(2)兩個(gè)平行平板之間磁流變液粘性壓差

(3)圓柱形阻尼通道的粘性壓差

得到磁流變阻尼器總的壓降為:

其中，r1和r2為固定平板的內(nèi)徑和外徑，h為平板間的距離，τy為可控的磁流變液的屈服剪切應(yīng)力，μ為磁流變液體零場粘度，D，L為圓柱阻尼通道的直徑和長度，Q為通過阻尼通道的磁流變液的流量，

其中，u為活塞的速度，Ap為活塞的橫截面積，As為活塞桿的橫截面積。

則阻尼力可寫為:

其中Ff為摩擦阻尼力，p1、p2分別為上下工作腔的壓力，A1，A2分別為上下工作腔磁流變液與活塞的接觸面積，sign為符號函數(shù)，p2等于補(bǔ)償腔中氮?dú)獾膲簭?qiáng)。

假設(shè)儲(chǔ)能器中的氮?dú)鉃槔硐霘怏w，則:

其中，p0，V0為儲(chǔ)能器中氮?dú)獾某跏級簭?qiáng)和體積，γ為熱膨脹系數(shù)，x為活塞桿的位移。其中磁流變效應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生壓差的液體流向如圖3所示。

圖3 磁流變效應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生壓差示意圖Fig.3 Radial flow through the disk type MR valve

1.3 磁流變阻尼器的動(dòng)力學(xué)特性

磁流變阻尼器所用的磁流變液由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)提供，其零場粘度約為0.7Pa.s，飽和剪切屈服應(yīng)力約為30 kPa。加工的阻尼器在MTS809上進(jìn)行動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，對磁流變阻尼器進(jìn)行正弦位移激勵(lì)，得到不同振幅、頻率和電流下的阻尼力、位移及時(shí)間數(shù)值，其中阻尼器的速度值可由位移差分得到。

圖4分別為磁流變阻尼器在振幅分別為5 mm、10 mm，頻率為1 Hz、2 Hz的正弦位移激勵(lì)下，阻尼力與位移關(guān)系曲線和阻尼力與速度關(guān)系曲線，磁流變阻尼器表現(xiàn)良好的磁流變效應(yīng)，在不同的電流下產(chǎn)生可控的阻尼力。磁流變阻尼器的阻尼力主要有磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的阻尼力和磁流變液粘性產(chǎn)生的粘性阻尼力，其粘性阻尼力主要和活塞運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)，在圖4中表現(xiàn)為在0 A時(shí)，不同的激勵(lì)振幅和頻率下，阻尼器的初始阻尼力不同，最大值與活塞速度的最大值有關(guān)。磁流變阻尼器的粘性阻尼力也是磁流變阻尼器具備失效安全性的重要原因，使磁流變阻尼器在電磁線圈失效的情況下仍能保持一定的初始阻尼力，該內(nèi)通道式磁流變阻尼器更具備良好的失效安全性，其活塞內(nèi)部的流場通道可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)產(chǎn)生不同的初始阻尼力，保證磁流變阻尼器在突發(fā)情況下維持工作。從圖4可知，在不同的激勵(lì)情況下，磁流變阻尼器均能產(chǎn)生一定的初始阻尼力。隨著電流的增加，磁流變液發(fā)生磁流變效應(yīng)使磁流變阻尼器產(chǎn)生不同的阻尼力，并隨著電流的增加逐漸趨于飽和，例如在A=10 mm，f=2 Hz的正弦激勵(lì)下，阻尼器的阻尼力由0 A時(shí)的100 N增加到2.5 A 時(shí)的300 N。

由圖4可知，阻尼器的壓縮阻尼力比回復(fù)阻尼力的最大值約大20 N，一方面由于補(bǔ)償腔的存在，另一方面也由于阻尼器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，磁流變液通道的出口和進(jìn)口的不同設(shè)計(jì)，造成了回復(fù)力和壓縮力的非對稱性，對于一些非對稱的振動(dòng)情況有很好的減振效果。而補(bǔ)償腔的存在不僅能補(bǔ)償活塞桿體積的變化，也使實(shí)驗(yàn)曲線更加光滑、飽滿。

1.4 磁流變阻尼器的響應(yīng)時(shí)間

為了滿足實(shí)時(shí)控制的要求，磁流變阻尼器必須要有較短的響應(yīng)時(shí)間，磁流變阻尼器的響應(yīng)時(shí)間主要受磁流變液的性能，電磁線圈的特性，以及所用的電流源的影響［11］。磁流變液本身的響應(yīng)時(shí)間對磁流變阻尼器整體的響應(yīng)時(shí)間影響較小，影響磁流變阻尼器響應(yīng)時(shí)間的主要因素為磁流變阻尼器采用的電磁線圈和電流源，并且跟測試時(shí)的活塞速度和電流值變化范圍有關(guān)。針對設(shè)計(jì)加工好的磁流變阻尼器和電源控制系統(tǒng)(圖5)，測試其整體的響應(yīng)時(shí)間，以評估其對減振控制效果的影響。

測試磁流變阻尼器的響應(yīng)時(shí)間，即在突然改變電流的情況下測試磁流變阻尼器輸出阻尼力的時(shí)間變化情況，為了消除活塞速度對阻尼力變化的影響，測試時(shí)活塞的速度保持恒定，在MTS上對阻尼器采用位移三角波激勵(lì)。通過在拉伸或壓縮過程中改變電流值，得到磁流變阻尼器阻尼力改變的響應(yīng)時(shí)間變化。

圖5 三角波輸入和響應(yīng)時(shí)間變化Fig.5 Triangle input and response time

圖5(a)為在MTS上對磁流變阻尼器輸入的三角波激勵(lì)，振幅為10 mm，頻率為0.5 Hz。在測試開始時(shí)，電流源打開，保持電流為1A，在拉伸過程中，分別關(guān)閉電流源和打開電流源，使電流值發(fā)生突變，得到如圖5(b)所示的阻尼力隨時(shí)間的變化。圖5(c)，圖5(d)為圖5(b)的放大圖。在圖5(c)中，電流從1 A突降到0 A時(shí)，阻尼器的阻尼力從85 N變化到10 N，經(jīng)歷的時(shí)間約為12 ms;在圖5(d)中，電流從0 A突增到1 A，阻尼器的阻尼力從10 N變化到80 N，經(jīng)歷的時(shí)間約為14 ms。由文獻(xiàn)［11］可知，隨著測試電流的變化范圍增大，活塞的速度增大，磁流變阻尼器的響應(yīng)時(shí)間逐漸減小，而本研究中的實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)，振動(dòng)速度大于此時(shí)的活塞速度，因此在振動(dòng)控制過程中，磁流變阻尼器系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于此時(shí)測試的時(shí)間14 ms，故整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間不大于14 ms，能夠滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

2 實(shí)驗(yàn)平臺和控制系統(tǒng)

2.1 兩自由度的彈簧質(zhì)量實(shí)驗(yàn)平臺

該彈簧質(zhì)量實(shí)驗(yàn)平臺是兩自由度車輛系統(tǒng)簡化模型，主要由導(dǎo)桿、可沿導(dǎo)桿上下滑動(dòng)的車體和懸架質(zhì)量塊、一系、二系彈簧和底座組成，如圖6(a)，圖6(b)所示。上質(zhì)量塊和下質(zhì)量塊之間通過4根導(dǎo)桿相連，限制質(zhì)量塊做上下運(yùn)動(dòng)，4根導(dǎo)桿固定在底座上，下質(zhì)量塊和底座之間，下質(zhì)量塊和上質(zhì)量塊之間用彈簧連接。上質(zhì)量塊m1為100 kg，下質(zhì)量塊m2為80 kg，上部彈簧剛度 k1為 12.12 kN/m，下部彈簧剛度 k2為 24.24 kN/m。在上下質(zhì)量塊之間安裝磁流變阻尼器，通過激勵(lì)器對下質(zhì)量塊施加激勵(lì)力，通過上平臺的振動(dòng)評價(jià)磁流變阻尼器的減振效果。

2.2 天棚控制

天棚開關(guān)控制由于結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、能取得相應(yīng)的減振效果，廣泛應(yīng)用于懸架的半主動(dòng)控制研究中［12，13］。天棚開關(guān)控制的數(shù)學(xué)公式為:

圖6 兩自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)Fig.6 Double mass spring system

其中c(t)為磁流變阻尼器在控制過程中的阻尼系數(shù)，con為施加電流控制時(shí)磁流變阻尼器的阻尼系數(shù)，coff為不施加電流控制時(shí)磁流變阻尼器的阻尼系數(shù)。為上質(zhì)量塊的絕對速度為下質(zhì)量塊的絕對速度，1－為上下質(zhì)量塊之間的相對速度。根據(jù)天棚開關(guān)控制策略，磁流變阻尼器的狀態(tài)在高阻尼和低阻尼兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，即電流在零電流和最大電流之間變化。當(dāng)時(shí)，理論上要求阻尼系數(shù)為0，但由于磁流變阻尼器存在粘性阻尼力，因此在電流為0時(shí)，仍有低的阻尼存在。

2.3 測試控制系統(tǒng)

根據(jù)開關(guān)控制的原理，磁流變液阻尼器減振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的信號處理流程如圖7所示。

如圖7所示，控制系統(tǒng)的硬件部分包括信號調(diào)理模塊、積分器、控制器和程控電流源?？刂破鞑捎肨I公司高性能的TMS320F2812DSP處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件組成如圖8所示。

圖7 信號處理流程圖Fig.7 Data flow schematic

由于上下質(zhì)量塊的速度信號難以直接得到，因此用加速度傳感器采集上下質(zhì)量塊的加速度信號，通過積分得到速度信號。上質(zhì)量塊安放2個(gè)加速度傳感器，采集的兩路加速度信號一路經(jīng)過一次積分得到上質(zhì)量塊的速度信號，另一路經(jīng)過雙重積分得到上質(zhì)量塊的位移信號，用來評價(jià)阻尼器的減振效果，下質(zhì)量塊安放一個(gè)傳感器用于得到下質(zhì)量塊的速度信號。對這些信號進(jìn)行濾波，并由DSP控制卡采集這些信號，DSP處理器根據(jù)on－off控制原理計(jì)算需要的電流大小，通過控制程控電流源改變磁流變阻尼器中線圈電流的大小，從而改變阻尼器的阻尼力，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。根據(jù)以上分析，控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖9所示。

圖8 控制器構(gòu)成圖Fig.8 Devices of control system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了對比驗(yàn)證磁流變阻尼器的半主動(dòng)效果，首先對磁流變阻尼器不施加電流，得到上質(zhì)量塊在被動(dòng)形式下的位移值;然后通過半主動(dòng)控制，實(shí)時(shí)改變磁流變阻尼器的電流值，得到上質(zhì)量塊的位移值。激勵(lì)器對下質(zhì)量塊進(jìn)行單頻正弦激勵(lì)。測試了不同激勵(lì)頻率下實(shí)驗(yàn)平臺上質(zhì)量塊的減振效果。

圖9 磁流變液阻尼器開關(guān)控制流程圖Fig.9 Flow chart of on-off control for MR damper

實(shí)驗(yàn)中減振效果是以位移幅值減小的百分比來評定的，按以下公式計(jì)算得到:

式中A0為零電流輸入時(shí)上質(zhì)量塊的位移幅值，Aon－off為通過on－off半主動(dòng)控制后上質(zhì)量塊的位移幅值。

圖10為激勵(lì)器激勵(lì)力頻率在1.7Hz時(shí)上質(zhì)量塊的位移曲線。在無控制時(shí)，即對磁流變阻尼器不施加電流時(shí)，磁流變阻尼器相當(dāng)于被動(dòng)式減振器，此時(shí)上質(zhì)量塊最大的位移值為5.4 mm;當(dāng)施加半主動(dòng)控制時(shí)，上質(zhì)量塊的最大位移值為4.6 mm。相對于被動(dòng)控制，半主動(dòng)控制使上質(zhì)量塊的位移幅值減小了15%。

圖11為施加半主控控制的過程中，磁流變阻尼器電流值的變化，此時(shí)電流值在最大值和0 A之間相互轉(zhuǎn)換，也就是天棚阻尼控制控制阻尼器的阻尼力在最大值和最小值之間快速轉(zhuǎn)換。

圖10 激勵(lì)頻率1.7 Hz時(shí)上質(zhì)量塊在有控制和無控制時(shí)位移曲線Fig.10 Displacement of the up-mass on control and off control at the frequent of 1.7 Hz of the exciting force

圖11 施加控制時(shí)電流隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Current-time curve on control

圖12 不同頻率下的減振效果Fig.12 Damping effect at different frequent

圖12為在不同的激勵(lì)頻率下，磁流變阻尼器對上質(zhì)量塊位移的減振效果。由圖12可知，在動(dòng)車的主要橫向振動(dòng)頻率1 Hz～2 Hz范圍內(nèi)，磁流變阻尼器對實(shí)驗(yàn)平臺上質(zhì)量有較好的減振效果;在實(shí)驗(yàn)平臺的共振頻率1.6 Hz時(shí)，減振效果最好，達(dá)到22%，而總體頻率范圍內(nèi)減振效果達(dá)到15%。試驗(yàn)結(jié)果表明研制的磁流變阻尼器對動(dòng)車的車體的橫向振動(dòng)有明顯的減振效果，可以利用磁流變減振器進(jìn)行動(dòng)車組的減振。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)制作了一種新型的內(nèi)通道式磁流變阻尼器，其阻尼通道位于電磁線圈內(nèi)部，不僅能夠產(chǎn)生較大的阻尼力和可控的阻尼力范圍，還具備失效安全性。對設(shè)計(jì)的阻尼器進(jìn)行MTS拉伸實(shí)驗(yàn)，得到良好的位移阻尼力和速度阻尼力曲線，并測試了該阻尼器的響應(yīng)時(shí)間，小于14 ms，滿足實(shí)時(shí)控制的要求。為了驗(yàn)證磁流變阻尼器的對動(dòng)車橫向振動(dòng)的衰減作用，搭建了一個(gè)兩自由度的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，通過對磁流變阻尼器不施加控制和實(shí)施半主動(dòng)控制，比較了磁流變阻尼器對上質(zhì)量塊位移的減振效果，結(jié)果顯示，在動(dòng)車的主要橫向振動(dòng)頻率1 Hz～2 Hz范圍內(nèi)，磁流變阻尼器對實(shí)驗(yàn)平臺上質(zhì)量減振效果可達(dá)15%，表明了磁流變阻尼器的良好減振性能。

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