基于MR阻尼器的單自由度系統減振特性分析

溫華兵，范紫巖，昝 浩

(江蘇科技大學振動噪聲研究所，江蘇鎮江212003)

在船舶與海洋工程領域，經常需要對受擾動的海井平臺和重要設備進行減振保護.以往的減振研究主要集中于被動控制減振，這方面國內學者在文獻［1］中研究了用柔性阻尼層對導管架海洋平臺結構進行隔振;文獻［2-3］中分別基于調諧質量阻尼系統設計了其擴展型減振系統和調液柱型系統研究了其對海洋平臺的振動控制［1-3］，但這些減振措施比較被動且給平臺增加了額外負載.文獻［4-5］在海洋平臺減振研究綜述中指出耗能減振和基礎隔振技術已相對成熟，對融合了主動和被動控制優點的半主動控制具有廣闊的應用前景應重點研究.半主動減振控制的磁流變阻尼器具有低壓供電耗能少且對工作環境無特殊要求和適用溫度范圍寬等優點.

近十年磁流變阻尼器在振動工程領域漸漸為國內外眾多研究者所重視.1948年，Rabinow首次提出磁流變液(magneto-rheological fluid)的概念，該新型智能液體是將具有高磁導率和低磁滯性微米級的軟磁性顆粒，分散于礦物油和硅油等非磁性物質中形成的懸浮液.通常磁流變液呈現出流動性良好的低粘度牛頓流體特性，當外加磁場作用時該流體在極短時間內粘度隨著磁場強度增強而增加兩個數量級以上，變成一種流動性低且粘度高的半固體的物質.這種變化是均勻連續可逆.因此，磁流變阻尼器被廣泛用于半主動的減振控制［6-9］.

磁流變阻尼器在實際工程中的應用也是比較普遍的，文獻［6-7］中將磁流變阻尼器應用于高速機車懸架系統的實驗建模和橫向半主動減振控制研究;文獻［8］中基于磁流變阻尼器研究其對斜拉橋拉索系統的減振控制策略等;文獻［9］中研究了火炮后座緩沖系統采用磁流變阻尼器減振的特性及控制方法.在船舶與海洋工程領域，文獻［10］中對受地震作用的海洋獨樁平臺基于磁流變阻尼器設計了隔震裝置并取得良好的抗震效果;文獻［11］中采用半主動控制策略，研究了該阻尼器對某海洋平臺管架結構的減振效果;文獻［12］中基于磁流變阻尼器建立了隔振結構模型也在導管架式海洋平臺減振控制上取得了良好的效果.

對磁流變阻尼器的控制策略及其減振特性研究，文獻［13］中基于一種模糊半主動控制策略，實驗研究了磁流變阻尼器對某6層鋼架結構的減振控制并取得良好的效果;文獻［14］中基于RD-8040阻尼器建立了一種自由梁阻尼減振系統，實驗研究了其減振頻率范圍等.

對磁流變阻尼器的參數識別和建模研究，最早提出的是Bingham模型，但只能有效的擬合位移與力的關系;后來Wen基于其研究基礎上提出了Bouc-Wen力學模型，完善了前者不能有效擬合的速度與力的關系［15-16］.實驗參考了文獻［17］中基于PCL的船舶結構參數化建模及振動噪聲評估.

基于對磁流變阻尼器實驗來研究其減振特性的模型較多，但是對研究在系統共振頻率附近減振特性的單自由度系統模型還甚少.對磁流變阻尼器用于共振頻率附近的減振效果尚不很清楚，因此文中針對實際工程設計了單自由度彈簧阻尼減振系統，采用實驗方法研究了其在多工況下的振動特性.

1 實驗系統

1.1 樣流變阻尼器的工作原理

實驗研究采用的磁流變阻尼器是美國Lord公司的RD-8040型阻尼器.其結構主要有密封與導向件、磁流變液、勵磁線圈、缸筒、活塞和氮氣蓄壓器等(圖1).

圖1 RD-8040型磁流變阻尼器實物Fig.1 MR -damper of RD -8040

磁流變阻尼器在外部壓力下進行活塞運動，磁流變液通過節流口產生流動.勵磁線圈繞在節流口周圍，在外部電流作用下產生磁場.變化的磁場使磁流變液在15 ms內由常態下的牛頓流體特性變成一種蘭固體特性物質，因此不同粘滯阻尼特性的樣流變液作用于活塞而產生變化的阻尼力.磁流變阻尼器缸筒底部的高壓氮氣蓄能器可以對活塞產生一個反作用平衡力，很好的保護了阻尼器，其基本技術參數如表1.

表1 阻尼器基本技術參數Table 1 Data of MR damper

1.2 磁流變阻尼減振實驗系統

實驗對象是基于某彈簧-阻尼的單自由度振動系統，數據采集系統為北京東方所的COINV測試儀，激振臺設備為ES-10-240/LT0505型電動振動實驗臺系統如圖2，其中RD-8040型阻尼器通過機械連接件安于上下板的中心位置，關于阻尼器全對稱布置了4枚剛度約為6 460 N/m的彈簧.彈簧-阻尼的上部約為40 kg的加筋板，下部通過支撐部件與激振臺面約束固定，其裝配圖如圖3所示.

圖2 磁流變阻尼減振實驗系統Fig.2 Vibration system based on MR damper

圖3 彈簧-阻尼減振模型的裝配Fig.3 Assembly of Spring - MR damper system

估算系統的固有頻率:

式中:k為彈簧剛度;m為加筋板質量，通過計算，fn約為4～5 Hz.

磁流變阻尼減振實驗系統的傳感器主要有加速度傳感器B＆K4506和壓力傳感器B＆K56366兩種.阻尼器RD-8040通過機械連接件與壓力傳感器固定，并將壓力傳感器通過螺絲約束于激振臺面;分別在阻尼器的上下2個板面上布置加速度傳感器，其中激振臺面再布置一個傳感器用于反饋激振臺加速度至其控制系統如圖4.

圖4 實驗系統的傳感器Fig.4 Sensors of the system

磁流變阻尼減振實驗分為2個部分，首先是實驗激勵頻率在接近系統固有頻率下的振動特性.在此選取激勵頻率為6 Hz，并分別比較了不同激振振幅(5，10，15mm)對系統振動的影響，其阻尼力Fc和加速度a分別與控制電流I的關系曲線如圖5中的a)～c)所示;然后是在5mm的激勵振幅下，分別比較了不同激勵頻率(6，9，12，15 Hz)對系統振動的影響，其阻尼力和加速度分別與控制電流的關系曲線如圖6中的d)～g)所示.

實驗中不斷改變磁流變阻尼器的控制電流(將0～1A分10組)重復實驗.各工況均測取的磁流變阻尼器兩端的振動加速度和阻尼力數據，并用Matlab編程進行數據處理.

圖5 不同工況的振動特性Fig.5 Vibration characteristic of different excitation cases

2 振動實驗數據處理

2.1 磁流變阻尼器的內部阻抗特性

實驗中為了保證控制器LORD-Wonder-box輸出的電流作用于磁流變阻尼器內部的電感線圈上能夠產生穩定的控制磁場，這對于改變磁流變液的流體特性非常關鍵，因此實驗中測量磁流變阻尼器的控制電壓U與電流I之間的關系如圖6.

從數值擬合曲線可知，阻尼器在耗能減振的同時仍然能保證穩定可靠的內部阻抗特性，這對于產生穩定的控制磁場非常重要.

圖6 阻尼器控制電壓和電流的關系Fig.6 Relation between voltage and current

2.2 不同工況下的系統加速度和阻尼力特性

本實驗是采用絕對運動的幅值傳遞率作為減振效果的評價指標.其定義基于胡海巖的機械振動基礎，數學表達式定義如下:

式中:Td為絕對運動幅值傳遞率，Ψd為絕對運動相角傳遞率，c為阻尼系數，ω為激勵角頻率.

實驗振動系統在不同工況下電流I的加速度a和阻尼力Fc特性曲線如圖5所示.其中圖5a)～c)是在相同激勵頻率即接近系統的固有頻率時，得出磁流變阻尼器在共振頻率附近也有較好的減振效果.對激勵幅值為5，10，15mm的工況，分析得到其幅值的傳遞率分別降低到88.5%，69.7%和62.7%，從結果不難發現該系統隨著激勵振幅的增加減振效果明顯，但由于阻尼器沖程的限制，在該頻率的減振效果未達到50%.

在研究了同頻率不同幅值的振動傳遞特性后，本實驗還在相同的激勵幅值下研究了不同頻率比對振動傳遞特性的影響.對激振頻率為6，9，12，15Hz的工況，分析得到絕對運動幅值的傳遞率分別降低到88.5%，37.7%，18.7%和5.6%，傳遞率能夠降低到50%以下，具有更好的減振效果如圖5d)～g)所示.

基于磁流變阻尼器的彈簧-阻尼單自由度減振系統，對系統共振頻率附近也有減振效果，且對大位移的減振效果明顯，但在低頻區激勵頻率的增大對減振效果的影響更顯著.

從圖5中可見，在激勵頻率小于12Hz和電流達到一定值時系統才具有隔振效果，該現象說明控制電流需要達到一定值才能產生相應的電磁場來改變磁流變阻尼器內部磁流變液的流變特性，從而產生系統減振所需的阻尼力.當激勵頻率較低時，磁流變液流動緩慢，系統隔振所需的阻尼力較小，因此需要提供的電流值相對較小;反之隨著激勵頻率的增加，電流值相應增加，是因為磁流變液流速加快后的阻尼力更大而需要提供的電流值更高.

3 磁流變阻尼器的阻尼力特性

對不同頻率和幅值的激勵工況，隨著控制電流的增加，磁流變阻尼器的阻尼力與控制電流的關系曲線都具有較好的光滑性如圖7，8.

對某一振幅下不同激勵頻率的工況研究發現，當頻率比不大于2時，阻尼力先是隨著電流的增大而增大達到某一值后漸漸趨于穩定.而當頻率比大于2時，阻尼力呈現穩定的增長趨勢.

對激勵頻率接近于系統固有頻率時，研究不同激勵振幅下的系統減振效果.其阻尼力隨著電流的增大而增大，在達到某一值后漸漸趨于穩定，且受控制電流的影響不大.

圖7 不同激勵頻率下的系統阻尼力特性Fig.7 Characteristics of damping force in different excitation frequencies

圖8 不同激勵振幅下的系統阻尼力特性Fig.8 Characteristics of damping force in different excitation amplitudes

4 結論

通過實驗研究了基于磁流變阻尼器的彈簧-阻尼單自由度系統的振動特性.主要是對不同激勵工況的實驗，研究系統的振動加速度及其阻尼力與控制電流的關系，分析磁流變阻尼器對該系統的減振控制效果.

1)低頻區內激勵振幅越大、激勵頻率越高其減振效果越好，并且激勵頻率的增大對減振效果的影響更顯著;

2)當激勵頻率接近系統固有頻率時，磁流變阻尼器也具有良好的減振控制效果，且對大位移的減振效果更明顯.由于實驗條件限制，未能進行中高頻區的減振特性實驗，可進一步提高實驗條件繼續完善實驗.

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