磁流變液減振技術(shù)現(xiàn)狀及方法研究*

袁 杰，陳 磊

(海裝重慶局，重慶 400030)

1 引 言

長(zhǎng)期以來(lái)，我們對(duì)設(shè)備隔離器的研制過多著眼于常規(guī)隔振技術(shù)，研制的隔振元件大多動(dòng)態(tài)特性固定，與設(shè)備組合成系統(tǒng)，不能隨外載荷的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，無(wú)法對(duì)設(shè)備振動(dòng)進(jìn)行分段控制，對(duì)周期激勵(lì)的隔離效果較差，當(dāng)激勵(lì)頻率在系統(tǒng)固有頻率附近時(shí)，必然引起振動(dòng)系統(tǒng)較大的振動(dòng)響應(yīng)。特別是面對(duì)大型設(shè)備重載低頻振動(dòng)問題，在保證穩(wěn)定性時(shí)常常犧牲隔振性能，難以軟硬兼得，故急需一種隔振和穩(wěn)定性兼優(yōu)的振動(dòng)控制技術(shù)，目前快速發(fā)展的磁流變技術(shù)[1]是解決這一問題的有效途徑之一。

目前世界各國(guó)艦船采取了各種各樣的減振降噪措施，實(shí)質(zhì)都是在設(shè)備與船體之間安裝一固定特性的彈性支撐進(jìn)行振動(dòng)隔離，這種方式有效隔離了設(shè)備與船體間的較高頻段的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)傳遞，但實(shí)際上，船上設(shè)備振動(dòng)頻率很寬，一些設(shè)備的轉(zhuǎn)速越來(lái)越低，且很多屬于周期性激勵(lì)，常規(guī)隔振系統(tǒng)固有頻率不可能做到無(wú)限低，那樣會(huì)犧牲系統(tǒng)的穩(wěn)定性，帶來(lái)安全問題，特別是大型設(shè)備。同時(shí)，設(shè)備與船體間的隔振器還應(yīng)該起到保護(hù)設(shè)備的作用，船處在獨(dú)特的環(huán)境中，可能遭遇到各種各樣強(qiáng)烈的沖擊，隔振器應(yīng)能夠吸收沖擊能量使設(shè)備免于損壞。針對(duì)上述問題，迫切需要研制一種新型的隔振系統(tǒng)，其在隔振的同時(shí)具有較高的穩(wěn)定性，能夠滿足船上設(shè)備隔振、減振和緩沖的要求，該系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)高頻段進(jìn)行隔振，設(shè)備啟動(dòng)關(guān)機(jī)等可能發(fā)生共振的低頻段進(jìn)行減振，在遭遇沖擊的時(shí)候進(jìn)行緩沖，這意味著這種減隔振系統(tǒng)剛度和阻尼可控，能夠根據(jù)具體工況輸出適宜的剛度和阻尼。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外現(xiàn)狀

磁流變液是1948年由美國(guó)學(xué)者Jacob Rabinow首先提出[2-3]，目前是智能材料研究領(lǐng)域中較為活躍的一種，其憑借自身的可控特性，成為世界各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)，國(guó)外目前研究較多的國(guó)家主要有美國(guó)、德國(guó)、日本、白俄羅斯和韓國(guó)等，其中美國(guó)處于技術(shù)領(lǐng)先水平，特別在工程應(yīng)用發(fā)面。

美國(guó)的lord公司在研制磁流變液及相關(guān)產(chǎn)品方面一直為世界所矚目，其磁流變液年產(chǎn)量達(dá)到數(shù)百噸，并且自行或與其他公司合作開發(fā)了大量磁流變減隔振器件，由其制造的減隔振器、離合器等器件的數(shù)量超過10萬(wàn)件，預(yù)計(jì)今后每年都會(huì)以成倍的速度遞增。該公司產(chǎn)品已在Cadillac系列轎車磁流變懸架控制系統(tǒng)、磁流變風(fēng)扇離合器、火神系列火炮、土木工程、飛行器、直升機(jī)、微機(jī)械、智能拋光技術(shù)等民用和軍用領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

美國(guó)Virginia大學(xué)利用磁流變液研制了磁流變橡膠復(fù)合隔振器，具有隔振參數(shù)可調(diào)的特性，在寬頻范圍內(nèi)具有優(yōu)良的隔振效果和抗沖擊性能。其研制的火炮磁流變抗后坐裝置，起到良好的抗后坐效果。

美國(guó)學(xué)者已經(jīng)系統(tǒng)研究了磁流變器件在建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用，建立了磁流變隔振的非線性模型，并提出基于加速度反饋的Clipped-Optimal控制策略，并針對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁流變控制的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明磁流變半主動(dòng)控制效果比被動(dòng)控制效果好得多，且控制效果總是穩(wěn)定的。Aldemir仿真分析了磁流變隔振在簡(jiǎn)諧載荷、脈沖載荷、人工地震動(dòng)及實(shí)際地震動(dòng)的作用下對(duì)單自由度結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制效果，結(jié)果表明在這些載荷的激勵(lì)下，磁流變隔振器對(duì)此結(jié)構(gòu)的控制效果非常好，優(yōu)于傳統(tǒng)隔振系統(tǒng)。

美國(guó)Marathe、Pronota研究了磁流變技術(shù)對(duì)飛行器機(jī)翼的振動(dòng)控制問題，利用磁流變器件有效解決了直升機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片由于飛行狀態(tài)和氣候變化而產(chǎn)生的振動(dòng)問題。

日本SanwaTekki公司將磁流變技術(shù)用于建筑結(jié)構(gòu)減震，并于2001年在日本東京國(guó)家新興科技博物館使用了磁流變器件用于地震反應(yīng)控制，并在以后的幾年里在多幢大樓安裝了類似磁流變器件，取得良好的抗震效果。

美國(guó)軍方長(zhǎng)期資助磁流變技術(shù)的研究工作，具體內(nèi)容嚴(yán)格保密，不為外界所知。目前美國(guó)AMAB公司正在為美國(guó)海軍核潛艇研究水下武器發(fā)射系統(tǒng)磁流變液隔振器，其剛度特性在1ms之內(nèi)可提高達(dá)60%左右，對(duì)外部沖擊載荷有著良好的沖擊隔振效果，當(dāng)外部控制系統(tǒng)失效時(shí)，可以看作被動(dòng)保護(hù)裝置，有望應(yīng)用于“海狼”號(hào)核潛艇武器系統(tǒng)，用于提高發(fā)射系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

重慶材料研究院是國(guó)內(nèi)少數(shù)研制磁流變液的機(jī)構(gòu)之一，其研制的磁流變液主要技術(shù)指標(biāo)已接近國(guó)外產(chǎn)品水平，并提供給國(guó)內(nèi)數(shù)十家機(jī)構(gòu)進(jìn)行器件的研究開發(fā)。同時(shí)該所也涉足磁流變器件的開發(fā)，研制的橋梁拉索抗風(fēng)振阻尼器已成功用于重慶外環(huán)觀音巖大橋，效果良好。

哈爾濱工程大學(xué)利用磁流變隔振器與傳統(tǒng)鋼絲繩復(fù)合隔振方式[4]對(duì)船舶減振基座進(jìn)行試驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明該減振基座系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)有較好的控制效果，特別在激振載荷幅值較大、頻率較低時(shí)控制作用顯著，力的傳遞率在低頻激振條件下接近于1，在高頻條件下僅為0.02，隔振效率較高。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了磁流變阻尼器在建筑物上的抗震研究，并提出了可調(diào)滯回模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變電流可調(diào)滯回模型的優(yōu)越性，當(dāng)輸入簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率低于0.5 Hz、位移幅值大于8 mm時(shí)，限位性能較明顯。

清華大學(xué)研究了磁流變復(fù)合隔振器各種理論控制模型，實(shí)驗(yàn)表明其采用的半主動(dòng)控制策略對(duì)隔振效果有一定的改善作用。

重慶大學(xué)、西安交大等單位在國(guó)家自然科學(xué)基金支持下研制出了水下裝置磁流變智能隔振器，效果良好。除隔振器外，他們開發(fā)的磁流變減振器，已通過200萬(wàn)振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)和用于某些特種車輛的路試獲理想的減振效果，并已發(fā)表多篇研究論文和獲數(shù)項(xiàng)發(fā)明專利。

2.3 國(guó)內(nèi)外情況對(duì)比

近20年美國(guó)在磁流變液和器件技術(shù)方面的授權(quán)專利約260余項(xiàng)，其中有關(guān)磁流變液制備技術(shù)專利約60余項(xiàng)，磁流變器件技術(shù)方面專利約200余項(xiàng)，涉及材料的懸浮相、添加劑和載液、性能評(píng)價(jià)等技術(shù)和器件的設(shè)計(jì)、傳感和控制等技術(shù)，具有很強(qiáng)的應(yīng)用針對(duì)性。中國(guó)目前相關(guān)授權(quán)發(fā)明專利僅數(shù)十項(xiàng)。在基礎(chǔ)研究方面，國(guó)內(nèi)磁流變流變機(jī)理、制作、裝置開發(fā)、動(dòng)力建模和控制策略方面取得了一定的進(jìn)展，應(yīng)該說和國(guó)外差距不大，但在實(shí)際應(yīng)用方面差距較大。對(duì)于磁流變隔振器來(lái)說，美國(guó)已經(jīng)有磁流變隔振器產(chǎn)品基本實(shí)現(xiàn)商品化，國(guó)內(nèi)由于對(duì)磁流變隔振實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的理解還有欠缺，同時(shí)由于磁流變隔振技術(shù)涉及到材料、機(jī)械、力學(xué)、計(jì)算機(jī)及電子等較寬的學(xué)科專業(yè)，各專業(yè)研究人員聯(lián)系不夠緊密，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)目前磁流變隔振還處于基礎(chǔ)研究階段，未能在應(yīng)用方面取得重大突破。但目前國(guó)內(nèi)參與磁流變相關(guān)技術(shù)研發(fā)的企業(yè)已經(jīng)在不斷增多，有希望在未來(lái)取得重大突破。

這種隔振和穩(wěn)定性能兼優(yōu)的技術(shù)在西歐國(guó)家已獲突破，其研發(fā)的系列低頻、大位移、大承載的減隔振器系統(tǒng)目前對(duì)中國(guó)禁售。

3 磁流變復(fù)合減隔振器應(yīng)用技術(shù)研究探討

磁流變液是一種主要由載液、高磁導(dǎo)低磁滯的磁性顆粒和添加劑構(gòu)成的新型智能分散體材料，它在外加磁場(chǎng)作用下能夠在一毫秒內(nèi)由流動(dòng)性能良好的牛頓流體轉(zhuǎn)變成具有一定屈服強(qiáng)度的賓漢姆體，表觀粘度可以增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這種變化是連續(xù)、可逆和易于控制的。用磁流變液制作的磁流變智能隔振器件，通過部分功能成分的加入和恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)受控設(shè)備的振動(dòng)狀態(tài)，能夠按照一定的控制規(guī)則迅速自動(dòng)調(diào)整隔振器參數(shù)，改變彈性支撐的“軟硬”程度和阻尼大小，對(duì)設(shè)備實(shí)行振動(dòng)跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)良好的減振降噪效果。

3.1 研究?jī)?nèi)容

研究應(yīng)用于大型設(shè)備的寬頻高穩(wěn)定性磁流變智能減隔振系統(tǒng)，包括減隔振專用磁流變液制備技術(shù)和磁流變智能復(fù)合減隔振元器件設(shè)計(jì)制造及控制技術(shù)，提高穩(wěn)定性，以求進(jìn)一步降低重要設(shè)備的振動(dòng)噪聲傳遞。主要包括以下幾個(gè)方面。

(1) 減隔振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：針對(duì)設(shè)備振動(dòng)特點(diǎn)、對(duì)沖擊碰撞的穩(wěn)定性要求，結(jié)合常規(guī)彈性材料的性能，根據(jù)全程分段控制及緩沖控制理論，設(shè)計(jì)減隔振器結(jié)構(gòu)，確定慣性阻尼通道結(jié)構(gòu)尺寸、控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布梯度。

(2) 彈性磁流變液與常規(guī)彈性元件的匹配組合模型：研究彈性磁流變液彈性模量、磁致剪切應(yīng)力與常規(guī)彈性元件剛度在并聯(lián)、串聯(lián)及串并聯(lián)時(shí)的匹配模型，分析動(dòng)態(tài)下常規(guī)彈性元件剛度、磁流變液彈性模量、流變性能對(duì)磁流變復(fù)合減隔振器輸出特性的影響，為各元件參數(shù)確定提供指導(dǎo)。

(3) 減隔振器制造：研究彈性磁流變液與常規(guī)彈性元件材料的化學(xué)相容性，選擇性能穩(wěn)定的金屬材料、橡膠材料作為彈性元件；模擬磁流變液在磁場(chǎng)作用下高速流動(dòng)時(shí)對(duì)器件阻尼慣性通道的沖刷與磨損，提高通道表面抗磨性能和導(dǎo)磁特性；制作高效節(jié)能的可調(diào)磁場(chǎng)發(fā)生器。

(4) 磁流變復(fù)合減隔振器的控制策略和輸出特性：大型設(shè)備磁流變減隔振系統(tǒng)中，存在由激振頻率、激振力和能量傳遞率決定的不同隔振狀態(tài)間相互耦合問題，單一的模糊、最優(yōu)控制方式難以兼顧不同振動(dòng)狀態(tài)下的振動(dòng)隔離，必須分析設(shè)備激勵(lì)特性，研究磁流變隔振器磁路各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)磁化特性與專用驅(qū)動(dòng)電流源最優(yōu)匹配方法，建立磁路和電源參數(shù)匹配模型，提高減隔振器響應(yīng)特性，并通過理論分析得出減隔振器的輸出特性。

(5) 磁流變復(fù)合減隔振器可靠性：研究磁流變液耐久性、常規(guī)彈性元件耐振性與器件耐振性的關(guān)系，改善磁流變液耐溫、耐蝕抗磨性能，選擇耐振性能優(yōu)良的常規(guī)彈性元件，提高磁流變復(fù)合減隔振器的耐振性能。提高磁流變液分散性能，結(jié)合在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)專門機(jī)構(gòu)，解決減隔振器在長(zhǎng)期靜置條件下輸出特性的恢復(fù)性問題。

3.2 技術(shù)方法研究

3.2.1磁流變材料制備

(1) 懸浮相[6]：采用成熟的熱解法和化學(xué)共沉積法工藝，利用大功率噴霧粉體材料制備設(shè)備制備大顆粒單質(zhì)Fe粉，利用電磁攪拌式恒溫反應(yīng)器、高壓釜反應(yīng)器、高速離心分離機(jī)等設(shè)備制備超細(xì)Fe3O4粉體，并用自制設(shè)備對(duì)粉體表面進(jìn)行滲氮和鍍鎳處理。采用HH-15振動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)測(cè)試粉體的比飽和磁化強(qiáng)度(δs)、矯頑力(Hc)，利用激光粒徑測(cè)定儀、激光粒度分析儀測(cè)試粉體粒度分布，利用JCXA-733型電子探針、掃描電鏡、等設(shè)備分析粉體表面顯微結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性能。

(2) 添加劑與懸浮介質(zhì)：根據(jù)膠體及表面物理化學(xué)原理，利用Zeta電位電泳躺度分析儀Nano ZS90等儀器研究分析表面活性劑、偶聯(lián)劑及觸變劑與懸浮相、懸浮介質(zhì)的親和性能，對(duì)懸浮相、懸浮介質(zhì)進(jìn)行兩親性和結(jié)構(gòu)化處理。

(3) 分散體工藝：采用高速機(jī)械分散球磨方法及基液置換方法制備磁流變材料分散體。采用有機(jī)硼、磷化物在線表面強(qiáng)化方法強(qiáng)化顆粒表面耐磨性能，加入有機(jī)潤(rùn)滑劑改善磁流變材料的潤(rùn)滑性能。用四球摩擦試驗(yàn)機(jī)、液壓油抗磨損試驗(yàn)機(jī)等研究磁場(chǎng)下磁流變液潤(rùn)滑性能。

(4) 彈性微球復(fù)合：采用反相懸浮聚合原理，選擇適宜的單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑、分散劑制備彈性微球，通過分析液壓油彈性微球混合介質(zhì)的彈性模量來(lái)考核彈性微球彈性特性，采用液壓油抗磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試微球抗磨性能，以此為指導(dǎo)確定彈性微球與磁流變液復(fù)合工藝中的分散的方式、時(shí)間和強(qiáng)度。通過測(cè)試磁流變液彈性微球混合介質(zhì)的耐溫性能、部分介質(zhì)彈性模量來(lái)考核彈性微球的耐溫性能和分散性能，測(cè)試混合介質(zhì)混合前后的粘度增加值來(lái)考核彈性微球的流動(dòng)性能。測(cè)試含不同數(shù)量、直徑彈性微球磁流變液的彈性模量來(lái)考核的之間關(guān)系。

3.2.2磁流變復(fù)合隔振器應(yīng)用技術(shù)

(1) 減隔振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)磁流變液的屈服特性、阻尼特性，設(shè)計(jì)減隔振器為雙彈性容器形式，容器間為阻尼慣性通道，彈性容器作用類似于彈簧。通過外加磁場(chǎng)可控制磁流變液在兩容器之間的屈服特性和流動(dòng)阻尼特性，從而實(shí)時(shí)改變減隔振器阻尼和剛度。彈性容器的使用避免了液體密封的泄漏問題。對(duì)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析，選定各控制段頻率范圍，分析最優(yōu)控制下的剛度、阻尼組合，確定減隔振器基本結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)設(shè)備抗沖擊要求，分析各沖擊下的最優(yōu)剛度、阻尼組合，確定阻尼慣性通道內(nèi)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布。

(2) 彈性磁流變液與常規(guī)彈性元件的匹配組合模型：測(cè)試不同彈性模量、磁致剪切應(yīng)力的磁流變液與具有不同剛度的常規(guī)彈性元件在并聯(lián)、串聯(lián)及串并聯(lián)時(shí)的系統(tǒng)剛度、阻尼，并建立相應(yīng)關(guān)系模型。測(cè)試不同組合形式、不同常規(guī)彈性元件剛度、不同磁流變液剛度、阻尼時(shí)的磁流變復(fù)合減隔振器動(dòng)態(tài)輸出特性，建立相應(yīng)關(guān)系模型。利用非牛頓流體力學(xué)原理，建立基于環(huán)狀流動(dòng)分析的流動(dòng)控制方程，采用新型磁流變液的艾林本構(gòu)關(guān)系和邊界條件，得出磁流變液流動(dòng)速度分布，利用流體力學(xué)連續(xù)性原理和數(shù)值方法得出磁流變隔振器的理論輸出。

(3) 磁流變復(fù)合減隔振器制造：研究磁流變材料與容器彈性元件材料的化學(xué)相容性，選擇性能穩(wěn)定的金屬?gòu)椈伞⒔饘俨y管作為彈性元件；針對(duì)磁流變液在磁場(chǎng)作用下高速流動(dòng)對(duì)器件控制通道的沖刷與磨損的特征采用靜電熱噴涂方法提高通道表面抗磨性能，噴涂后對(duì)通道進(jìn)行真空熱處理，以提高控制通道導(dǎo)磁特性。利用勵(lì)磁線圈的正向和反向電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體的磁場(chǎng)疊加原理[7]，設(shè)計(jì)制作磁場(chǎng)發(fā)生器，能夠有效降低減隔振器控制系統(tǒng)的能耗。

(4) 磁流變復(fù)合減隔振器控制策略與輸出特性：分析設(shè)備激勵(lì)特性，借助不依賴于精確模型的多狀態(tài)控制方法，針對(duì)各狀態(tài)下振動(dòng)控制目標(biāo)，分別采取比例控制、模糊控制和保持控制策略。利用磁路軟磁材料的磁化特性、磁流變液的磁化特性和磁場(chǎng)中有限元方法，建立磁流變減隔振器磁路模型。利用減隔振器檢測(cè)設(shè)備的激勵(lì)條件、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好的加速度傳感器辨識(shí)隔振器的運(yùn)行工況和響應(yīng)特性。

3.2.3磁流變復(fù)合隔振器件可靠性

添加有機(jī)鉬類潤(rùn)滑劑、顆粒表面改性改善磁流變液耐溫、耐蝕抗磨性能。利用添加劑技術(shù)、分散技術(shù)提高磁流變液分散性能。在磁流變減隔振器中設(shè)計(jì)永磁機(jī)構(gòu)改善磁流變材料的分散性能，從而改善磁流變隔振器的可控輸出特性[8]。在磁流變減隔振器中

設(shè)計(jì)擾動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)械擾動(dòng)作用改善磁流變材料二次懸浮性能，進(jìn)一步提高磁流變減震系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

磁流變液隔振技術(shù)在軍事領(lǐng)域和民用設(shè)備上都有非常好的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)在磁流變液減振器方面雖有一定的進(jìn)展，但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家尚有一定差距，所研制的磁流變液減振器還處于試驗(yàn)階段，遠(yuǎn)未達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用的程度，尤其是在武器裝備減振降噪的工程化應(yīng)用方面還需進(jìn)一步研究。

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