磁流變液隔振器技術(shù)及其應(yīng)用與展望

鄧飛云，卜鋒斌

●（1．海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 201913；2．海軍駐704所軍事代表室，上海 200031）

磁流變液隔振器技術(shù)及其應(yīng)用與展望

鄧飛云1，卜鋒斌2

●（1．海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 201913；2．海軍駐704所軍事代表室，上海 200031）

敘述了磁流變液技術(shù)的形成與發(fā)展，以及基于磁流變液彈性體隔振器現(xiàn)狀及其特點(diǎn)，并對(duì)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

磁流變液；隔振器；隔振系統(tǒng)

0 引言

磁流變彈性體（Magneto Rheological Elastomer, MRE）是磁流變材料的一個(gè)新分支。它是由高分子聚合物（如橡膠等）和鐵磁性顆粒組成，混合有鐵磁性顆粒的聚合物在外加磁場(chǎng)作用下固化，利用磁致效應(yīng)（即鐵磁性顆粒在磁場(chǎng)方向形成鏈或柱狀聚集結(jié)構(gòu)）使顆粒在基體中形成有序結(jié)構(gòu)。由于其響應(yīng)快（ms量級(jí)）、可逆性好（撤去磁場(chǎng)后，又恢復(fù)初始狀態(tài)），可通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)大小來控制材料的力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等性能連續(xù)變化，兼有磁流變材料和彈性體的優(yōu)點(diǎn)，又克服了磁流變液沉降、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，因而近年來成為磁流變材料研究的熱點(diǎn)[1-4]。

磁流變彈性體最早可追溯到Shiga等人在1995年利用硅樹脂和鐵粉混合制備出的具有磁控性能的材料，該材料當(dāng)時(shí)被稱為具有磁致粘彈性的凝膠[5-8]。隨后美國Lord公司的研究人員Carlson等人對(duì)磁流變彈性體的力學(xué)性能進(jìn)行了初步測(cè)試，Jolly使用硅橡膠作為基體制備出的磁流變彈性；Ford公司研究組成員Ginder等人對(duì)基體為天然橡膠的磁流變彈性體進(jìn)行了建模并對(duì)其粘彈性行為進(jìn)行了研究；其他的研究包括：法國的Bossis對(duì)電磁流變彈性體的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)進(jìn)行了初步的觀測(cè)；波蘭的Bednarek也對(duì)磁流變彈性體的磁致伸縮特性進(jìn)行了較系統(tǒng)分析；白俄羅斯的Demchuk等人分別以明膠、普通硅橡膠以及一種熱敏性硅橡膠作為基體材料制備出磁流交彈性體；瑞典的Lokander等人在制備時(shí)基體分別使用丁苯橡膠、丁腈橡膠與丙烯腈的不同組合以及天然橡膠，同時(shí)發(fā)現(xiàn)即使固化時(shí)不加磁場(chǎng)，選用形狀不規(guī)則較大的純鐵顆粒的磁流變彈性體的效應(yīng)也很明顯，在外加磁場(chǎng)為0.8T時(shí)剪切模量的相對(duì)增加量可達(dá)20%。奧地利的Dorfinann等人分別利用不變量理論及選用應(yīng)變能函數(shù)對(duì)磁流變彈性體在平板剪切及圓柱軸向剪切下的力學(xué)性能進(jìn)行了分析。Rice大學(xué)的Borcea等人應(yīng)用最小能量原理，分析了磁場(chǎng)對(duì)各向同性的磁流變彈性體的拉伸、壓縮性能的影響。日本的Tetsu Mitsumata使用乙烯基、聚乙烯醇、戊二醛等一系列化學(xué)物質(zhì)和工藝制備鋇鐵氧合物作為磁凝膠使用高磁場(chǎng)使其磁飽和，用超聲波激勵(lì)的波速來測(cè)試其模量。美國的Malcolm J.Wilson等人用6μm羰基鐵粉顆粒，聚亞安酯添加氧芴（一種烷烴）和磚橡膠添加硅油作為基體，給出了不同配比下材料的液體—膠體—固體轉(zhuǎn)換曲線等基體配用準(zhǔn)則。Anne-Marie Albanese使用以滑石粉補(bǔ)強(qiáng)的硅橡膠為基體的磁流變彈性體用于減振的開關(guān)控制研究。Y. SHEN用聚亞安酯和天然橡膠兩種基體制備磁流變彈性體，并建立了力學(xué)模型。鑒于此，Lokander還通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提出大體積比磁流變橡膠的抗氧化性下降顯著（CI和高溫），因?yàn)楸砻娴蔫F顆粒會(huì)加速橡膠的氧化，材料的表面覆蓋抗氧化的橡膠可顯著提高材料抗氧化性，從而能提高其化學(xué)和物理穩(wěn)定性。

1 基于磁流變彈性體的隔振器發(fā)展現(xiàn)狀

磁流變彈性體在磁場(chǎng)作用下能顯著改變其剪切模量，其應(yīng)用裝置具有無需密封、性能穩(wěn)定、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在需要進(jìn)行剛度控制的小振幅（小應(yīng)變）振動(dòng)系統(tǒng)中極具應(yīng)用前景。目前在國內(nèi)關(guān)于磁流變彈性體的研究尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還沒有商品化的產(chǎn)品應(yīng)用。磁流變彈性體的磁致效應(yīng)（剪切模量的變化幅度）還有待提高，有些性能的研究還未見涉及，如溫度穩(wěn)定性、老化特性等。制備磁致效應(yīng)強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的磁流變彈性體是材料科學(xué)界深入研究的方向，而開發(fā)磁流變彈性體的應(yīng)用則是工程科學(xué)技術(shù)人員努力的目標(biāo)。用磁流變彈性體可以制成各種減振支座、發(fā)動(dòng)機(jī)架、軸襯、懸架、沖擊吸振器和隔振器等裝置，其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括飛機(jī)起落架減振系統(tǒng)、直升機(jī)旋翼部件、武器反后坐系統(tǒng)、精密電子設(shè)備的振動(dòng)隔離、旋轉(zhuǎn)機(jī)械和發(fā)電設(shè)備的支座、制造自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制等。

磁流變彈性體在磁流變隔振器內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一般可近似等同于圖1所示的無限大平行平板間的幾種不同形式。根據(jù)磁流變彈性體的受力狀態(tài)不同，磁流變隔振器主要分為閥式、剪切式、和擠壓式。

圖1 磁流變隔振器基本工作類型

圖1 (a)為典型的閥式磁流變隔振器。這種隔振器的特點(diǎn)是通過迫使磁流變彈性體在一對(duì)固定極板間隙內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生阻尼力。典型的剪切式磁流變隔振器構(gòu)造原理圖如圖1(b)所示。這種裝置在工作過程中，上下極板以先對(duì)速度v平行運(yùn)動(dòng)。

剪切閥式磁流變隔振器內(nèi)的磁流變彈性體既像閥式磁流變隔振器內(nèi)的磁流變彈性體那樣受到擠壓而被迫通過兩極板，又像剪切式磁流變隔振器內(nèi)的磁流變彈性體那樣受到兩極板相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切作用。

磁流變彈性體裝置還可以設(shè)計(jì)成兩極板以相對(duì)速度v作接近或拉開運(yùn)動(dòng)形式的擠壓式MREVI。如圖1(c)所示。不過由于這種類型的隔振設(shè)備存在如下的一些缺點(diǎn)而受到一定的限制，如磁路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜和此類設(shè)備的工作原理決定了磁路間隙受場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)的限制而不可能太大等。因此，這種隔振器只適合于振幅不大的隔振對(duì)象。

Ford汽車公司己經(jīng)申請(qǐng)了一個(gè)基于磁流變彈性體的汽車懸架套筒的專利。該套筒用于車輪軸控制臂與汽車車身的連接。圖2是該套倚的簡(jiǎn)圖，彈性體內(nèi)徑為17mm，外徑為28mm，長(zhǎng)度為60mm。該套筒剮度的調(diào)節(jié)是基于汽車驅(qū)動(dòng)系的狀態(tài)，以降低懸架變形井改善乘坐舒適性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該套簡(jiǎn)在軸向和徑向都具有剛度、阻尼和力的可控特性，且能迅速對(duì)磁場(chǎng)做出響應(yīng)。在正弦激振、頻率為0.5Hz~20Hz、振幅蜂-峰值為0.06mm~10mm等實(shí)驗(yàn)條件下，剛度和阻尼隨控制電流增大而增加，且大致成線性關(guān)系；最大電流（5A）時(shí)剛度和阻尼比零電流時(shí)增加了25%。當(dāng)輸入階躍電流時(shí)，套筒建立穩(wěn)定輸出力的響應(yīng)時(shí)間為9.5ms。

圖2 磁流變彈性體的汽車懸架筒

Ginlder等人[4,5]利用磁流變彈性體的力學(xué)性能可由外加磁場(chǎng)控制的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出基于磁流變彈性體的可調(diào)振子（tunable vibration absorber），該振子的共振頻率可以通過改變磁場(chǎng)大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。該振子主要由基礎(chǔ)和質(zhì)量塊兩部分組成，在質(zhì)量塊兩側(cè)與基礎(chǔ)之間的縫隙中粘貼著兩片承受剪切作用的磁流變彈性體，用它作為可調(diào)剛度的彈簧元件。所用彈性體由羰基鐵粉和天然橡膠組成，體積分?jǐn)?shù)為0.27，在磁場(chǎng)下硫化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在400Hz~1000Hz范圍內(nèi)磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)出較強(qiáng)的可控性。在0.56T的磁場(chǎng)作用下，系統(tǒng)的剛度增大，使系統(tǒng)的共振頻率從零磁場(chǎng)時(shí)的500Hz上升為610Hz。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，共振頻率隨激振加速度增加降低，顯示出磁流變彈性體具有應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

磁流變彈性體的響應(yīng)頻率可達(dá)1000Hz以上，在吸收高速?zèng)_擊上比磁流變液更具優(yōu)勢(shì)。美國軍方正進(jìn)行將磁流變彈性體用于導(dǎo)彈攻擊核潛艇的抗沖擊研究。由于潛艇水下發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)，導(dǎo)彈艙會(huì)受到很大的沖擊載荷，為減少對(duì)潛艇的沖擊和延長(zhǎng)使用壽命，將磁流變彈性體制成發(fā)射艙內(nèi)襯，可降低沖擊載荷強(qiáng)度。

綜上所述，磁流變彈性體在磁場(chǎng)作用下能改變其剪切模量，其應(yīng)用裝置具有無需密封、性能穩(wěn)定、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在需要進(jìn)行剛度控制的小振幅振動(dòng)系統(tǒng)中極具應(yīng)用前景。但是基于磁流變彈性體的應(yīng)用很有限，尚未達(dá)到工業(yè)化和商業(yè)化的要求。這是由于目前國際上研制的磁流變彈性體存在磁致效應(yīng)和機(jī)械性能上的矛盾，磁流變彈性體存在磁致效應(yīng)不高的問題，同樣限制了磁流變彈性體的實(shí)際應(yīng)用。制備磁致效應(yīng)強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的磁流變彈性體是材料科學(xué)界深入研究的方向，而開發(fā)磁流變彈性體的應(yīng)用則是工程科學(xué)技術(shù)人員努力的目標(biāo)。

2 結(jié)束語

磁流變隔振器是一種新型智能出力元件，其在減振工程方面已經(jīng)有一定應(yīng)用，但在船舶減振方面尚沒有相應(yīng)研究。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制涉及力學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)理論和信號(hào)處理等多門學(xué)科內(nèi)容，是振動(dòng)控制領(lǐng)域一項(xiàng)高新技術(shù)和前沿性課題。研究和探索適用于艦船動(dòng)力裝置及設(shè)備的隔振的新技術(shù)、新方法，對(duì)于提高艦船減振控制水平，特別是提高艦船的隱蔽性、生命力和戰(zhàn)斗力具有重要的理論意義，而目前應(yīng)用在艦船上的常規(guī)隔振設(shè)備因其剛度定常，已經(jīng)不能滿足艦船設(shè)備減振降噪的要求。針對(duì)這些新問題，單純地依靠結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度或常規(guī)的隔振元件來降低船上設(shè)各自生的振動(dòng)干擾是不合適的。鑒于此，尋求新的合理、經(jīng)濟(jì)而有效的船舶結(jié)構(gòu)隔振元件以及成熟有效的控制方法已成為科技人員研究的新課題。

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Application and Development of Magneto-rheological Vibration Isolator Technology

DENG Fei-yun1, BU Feng-bin2
(1. Representative Section Stationed at Shanghai Jiangnan Shipyard (group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China; 2. Representative Section Stationed at No. 704 Research Institute, Shanghai 200031, China)

The performance in the aspects of vibration and noise controlling are investigated when the vibration isolator is applied in the vibration isolation system.

magneto-rheological material; vibration isolator; vibration isolator system

TB13

A

鄧飛云（1979-），男，工程師。研究方向：艦船機(jī)電設(shè)備工作。