反饋控制摩擦阻尼器的設計及分析*

劉學凱 趙 東 徐增海 劉海洋

（濟南大學機械工程學院，山東濟南 250022）

振動控制對于建筑防震、抗震，保護人身、財產安全有著重要作用。工作在環境復雜、惡劣情況下結構或設備，如海洋平臺、高速沖床、高塔建筑等，其外部激振規律具有一定隨機性，難以預測。這些環境中的振動控制需要一種能根據被控結構振動情況而改變輸出阻尼力的減振機構，以最大限度地消除振動，保護結構。

摩擦阻尼器是一種典型的耗能減振裝置。通過利用一定預緊力下的成對摩擦片的相對滑動作用而產生摩擦力，該力作用于被控結構，最終達到耗能減振、保護結構的目的［1－3］。但是，目前常見的摩擦阻尼器的缺點主要有:摩擦阻尼力可調性差;阻尼器的起滑力不易選擇;無論阻尼器是否工作，摩擦片所受正壓力始終存在，摩擦面容易發生粘結現象;不能有效利用振動信號實現反饋控制，耗能裝置不夠靈敏［4］。在振動工況復雜多變的環境下，要求阻尼器能夠利用被控結構振動信號反饋，使其阻尼力能夠根據結構的振動狀況進行自我調整，為被控結構提供可靠、足量的阻尼力［5－6］。因此，研究切實可行、具有根據被控結構振動信號調整阻尼力功能的摩擦耗能裝置非常必要［7－9］。

1 反饋控制摩擦阻尼器結構設計

為滿足以上減振需求，本文提出一種反饋控制摩擦阻尼器，該阻尼器具有阻尼力可調、結構簡單、減振效果好等優點。本文根據阻尼器摩擦耗能原理建立其數學模型，對其主要部件進行有限元仿真分析，并對其性能影響參數進行了相關研究分析。

1.1 反饋控制摩擦阻尼器工作原理

當外部振源作用到被控結構時，安裝于被控結構的反饋控制摩擦阻尼器起到摩擦耗能減振作用。被控結構受外部振源激振下，外殼體和作動柱塞相對于活塞體運動，活塞體內部油液－增壓氣室受作動柱塞施力作用使得氣體蓄能增壓，活塞體腔內的油液壓力隨之改變，通過活塞銷將其油液端面壓力傳遞至與之連接的摩擦板，最終實現摩擦阻尼力隨被控結構的振動位移而調整其減振耗能能力。反饋控制摩擦阻尼器的工作原理如圖1所示。

1.2 阻尼器結構設計

反饋控制摩擦阻尼器利用被控結構的振動位移信號調整輸出阻尼力，使其獲得適當、可調的阻尼力，其結構如圖2所示。反饋控制摩擦阻尼器是由外殼體、活塞體、作動柱塞、氣室殼體、氣室隔膜以及安裝座等結構組成。

阻尼器的主體為一個能夠承壓的方形空腔活塞體，其兩端由端蓋密封。活塞體下部設計一個增壓氣室。增壓氣室內氣體通過隔膜與活塞體內的油液隔開。活塞體側面有均布的活塞銷孔，內安裝活塞銷。活塞體和外殼體之間安裝有摩擦板。摩擦板外側面與外殼體內側面組成摩擦副。活塞銷端部安裝在摩擦板的孔內，可以將活塞體內油液壓力傳遞給摩擦板。在阻尼器活塞體的密封端蓋上安裝作動柱塞。作動柱塞通過外殼體驅動，可以壓入、彈出活塞體，從而改變活塞體內流體的空間體積。

為獲得多樣的減振耗能能力以滿足不同需求，可根據減振需求調整反饋控制摩擦阻尼器結構。該摩擦器所提供阻尼力的大小同活塞銷的數量、尺寸、增壓氣室初始狀態等因素有關。阻尼器可以選擇雙面、四面結構以實現摩擦耗能能力不同的減振效果。同時，增壓氣室的初始壓力也直接影響阻尼器的耗能效果。因此，反饋控制摩擦阻尼器可以根據不同減振要求調整結構參數，實現預期的減振效果。

1.3 活塞體設計

活塞體是阻尼器的重要結構體。阻尼器工作過程中，活塞體內部油液壓力在一定范圍內根據預期規律變化。活塞體是一個壁厚不均勻的空腔長方體。油液－增壓氣室施加在活塞體上的壓力造成活塞體某些部位出現應力集中甚至破壞。因此需要對活塞體的受力情況進行分析和研究。通過有限元仿真對其受力的極限狀態進行分析，并根據應力分布情況，比較危險點的最大等效應力和材料破壞強度，以保證活塞體的使用壽命和安全性。

使用Solidworks三維設計軟件進行三維建模，將模型保存為x_t格式導入Adina有限元分析軟件建立有限元模型。活塞體是軸對稱結構，因此選取1/4模型，在對稱面設置對稱約束進行分析。分析模型的網格采用四面體網格劃分，活塞體下端全約束。活塞體上端端蓋采用了螺栓連接并設計O型圈密封。對活塞體內表面施加均布載荷，研究作動柱塞直徑為0.01 m、0.02 m情況下，分別進行2 MPa、5 MPa和10 MPa的載荷加載分析，其等效應力分布情況如圖3所示:

活塞體分析結果如表1和圖3所示。分析結果顯示:（1）活塞銷同活塞體接觸位置存在一定的應力集中現象;（2）對于直徑為0.01 m和0.02 m的作動柱塞，內部油腔油液壓力從2 MPa到10 MPa的變化過程中，應力集中點的最大等效應力值遠小于所選材料的破壞強度;（3）作動柱塞安裝孔的增大使得活塞體的最大等效應力有所增加，但仍在安全范圍之內;（4）為使阻尼器獲得更為強勁的阻尼特性可以在一定范圍內增大作動柱塞直徑而不會危及活塞體安全。

表1 最大應力點應力值 MPa

1.4 作動柱塞設計

作動柱塞是反饋控制摩擦阻尼器的關鍵作用部件。作動柱塞是一個圓柱形長柱塞，在兩端分別設置一軸用彈性擋圈溝槽。溝槽尺寸依據彈性擋圈型號選擇，安裝軸用彈性擋圈是起到限位作用。根據O型圈安裝要求，設計作動柱塞兩端倒角為15°，結構如圖4所示。

作動柱塞同活塞體之間的相對運動會導致活塞體磨損。為延長活塞體使用壽命，在作動柱塞和活塞體之間設計安裝套。設計中考慮兩者之間的磨損、加工成本以及制造難易程度，選用作動柱塞作為易損件。作動柱塞安裝套需要較高的強度、耐磨性以及良好的尺寸穩定性，材料選擇QT500－7。作動柱塞選用成本較低、耐磨性較低的材料，選擇45鋼。

反饋控制摩擦阻尼器是在作動柱塞與活塞體的相對位移作用下，油液－增壓氣室的壓力作用于柱塞銷而實現阻尼力的調整變化。因此，內部油液的壓力可以反映摩擦阻尼力的變化規律。本文根據阻尼器的摩擦耗能原理研究作動柱塞參數，如壓入長度、截面半徑等對其耗能性能的影響。

為得到作動柱塞截面半徑對阻尼器性能的影響規律，選擇不同半徑的作動柱塞進行分析。阻尼器參數如下:增壓氣室初始壓力P0=2 MPa;作動柱塞半徑R2分別選擇 0.01、0.013、0.018、0.02 m;作動柱塞壓入長度變化范圍為0～0.1 m。不同作動柱塞的半徑、壓入長度對油液壓力影響規律如圖5所示。

通過作動柱塞壓入長度－油液壓力關系可知:氣體初始壓力P0=2 MPa時，油液壓力變化范圍為10～35 MPa;阻尼器內部油液隨作動柱塞壓入長度增力效果明顯;利用該增力效果使阻尼器根據被控結構振動信號提高耗能減振效果。

1.5 隔膜設計

隔膜同氣室殼體所構成的空間為增壓氣室。阻尼器耗能減振過程中，作動柱塞的位移變化使得氣體增壓，油液壓力隨之改變。隔膜的材料、形狀都會對其壽命和性能產生影響。氯丁橡膠工作溫度－17.7～93.3℃，廣泛應用于無腐蝕性的液體中，適宜于制造阻尼器油液－增壓氣室隔膜。

根據隔膜使用設計經驗，角度α一般選取35°～40°，厚度t、高度h以及隔膜直徑d則根據氣體初始壓力、工作最高壓力等因素綜合選定，結構如圖6所示。

2 阻尼器耗能性能研究

油液－增壓氣室增力作用是阻尼器實現被控結構振動信號調整其輸出阻尼力功能的關鍵。油液壓力直接反映阻尼力變化規律，該變化主要通過油液、增壓氣室的綜合作用實現。阻尼器減振作用過程中，油液－增壓氣室作用過程看作絕熱過程，忽略活塞體變形，油液為不可壓縮流體，液壓油在油腔中各種阻力忽略不計，忽略流體泄露、壓力損失。

為研究反饋控制摩擦阻尼器的靜態耗能性能及其耗能性能影響參數，根據增壓氣體狀態方程得到其關系式為

式中:n為氣體多變指數;P0為增壓氣室初始壓力，V0為增壓氣室初始體積。靜態過程中，氣體同隔膜另一側油液的壓力相同;p為某時刻增壓氣室的氣體壓力，V為某時刻增壓氣室的氣體體積，作動柱塞壓入長度為l。

結合阻尼器摩擦耗能原理，得到油液壓力pf關于作動柱塞參數和增壓氣室參數的關系為

活塞銷的截面面積為A3，作動柱塞截面半徑為R2;ΔV是作動柱塞作用長度l時氣體的等效壓縮體積。綜合庫倫力摩擦力模型，設阻尼器為耗能面數為z，每個耗能摩擦面設計活塞銷數為j。得出作動柱塞壓入長度l同摩擦阻尼力F的關系為

阻尼器的力－位移滯回曲線可用來衡量阻尼器耗能效果。力－位移滯回曲線的飽滿性越好，則表明其耗能效果越優良。根據式（3）可以繪制新型阻尼器的力－位移滯回曲線，如圖7所示。從圖中可以看出，傳統恒力摩擦阻尼器的力－位移滯回曲線近似于矩形，而反饋控制摩擦阻尼器的耗能能力在單向位移加載時隨振幅增大而增大，其輸出阻尼力可根據振動劇烈狀況調整，耗能效果提升明顯。

3 結語

本文設計了一種反饋控制摩擦阻尼器結構，并對主要作用部件活塞體進行了有限元仿真分析，驗證阻尼器的結構安全性和可靠性。根據新型阻尼器摩擦耗能原理建立了數學模型，研究結構參數對反饋控制摩擦阻尼器的摩擦耗能效果的影響規律。通過理論模型分析得到阻尼器的力－位移滯回曲線。理論和仿真分析證明該類阻尼器能夠根據被控結構振動位移信號調整阻尼力，具有良好的耗能減振性能。

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