磁流變液阻尼器與彈性連接的結(jié)構(gòu)性能分析*

閆榮格， 段夢(mèng)華

(河北工業(yè)大學(xué) 電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 天津 300130)

磁流變液阻尼器與彈性連接的結(jié)構(gòu)性能分析*

閆榮格， 段夢(mèng)華

(河北工業(yè)大學(xué) 電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 天津 300130)

由于磁流變液阻尼器對(duì)高頻隔振效果不佳，現(xiàn)在磁流變液阻尼器多用于低頻減振領(lǐng)域。為了提高磁流變液阻尼器對(duì)高頻振動(dòng)的隔振效率，提出了在磁流變液阻尼器的活塞桿底部加彈性連接的新結(jié)構(gòu)，分析其隔振效率，并對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和力學(xué)性能分析。最后利用Simulink模型仿真驗(yàn)證了磁流變液阻尼器新結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)隔振的有效性。

磁流變液阻尼器； 彈性連接； 隔振效率

0 引 言

磁流變液阻尼器具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍寬、功率損耗低、阻尼系數(shù)可調(diào)等優(yōu)良性能，已廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械和汽車(chē)結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。但是磁流變液阻尼器在振動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)度硬化現(xiàn)象，使高頻傳遞率增大，故常規(guī)磁流變液阻尼器多用于較低頻域的振動(dòng)控制[1]。本文提出了在磁流變液阻尼器的活塞桿底部加彈性連接的新結(jié)構(gòu)，首先對(duì)常規(guī)磁流變液阻尼器的單層隔振系統(tǒng)和加彈性連接的磁流變液阻尼器的隔振系統(tǒng)進(jìn)行了比較；并對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析和力學(xué)性能分析。最后根據(jù)電機(jī)的實(shí)際振動(dòng)加速度波形，利用Simulink模型仿真得出彈性連接阻尼的隔振系統(tǒng)改善了電機(jī)的高頻隔振效果，使隔振效果更好。

1 與彈性連接的磁流變液阻尼器結(jié)構(gòu)

當(dāng)活塞在工作缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，磁流變液經(jīng)阻尼通道時(shí)，通過(guò)控制勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)改變磁流變液的流動(dòng)特性，從而達(dá)到對(duì)磁流變液阻尼器的阻尼力連續(xù)控制的目的。在磁流變液阻尼器的活塞桿底部連接一個(gè)彈性支撐，一方面可以增強(qiáng)活塞的穩(wěn)定性和磁流變液阻尼器的剛度，當(dāng)磁流變液阻尼器發(fā)生剪切位移時(shí)產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)力，當(dāng)載荷消失后使活塞恢復(fù)到原來(lái)位置，同時(shí)可以提高磁流變液的高頻隔振效果。磁流變液阻尼器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 磁流變液阻尼器結(jié)構(gòu)圖

2 磁流變液阻尼器隔振系統(tǒng)模型

對(duì)于常規(guī)的磁流變液阻尼器，單層隔振系統(tǒng)可用圖2表示。該模型的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單而有效，但是為了達(dá)到較高的隔振效果，隔振器的剛度必須盡量小，這會(huì)影響機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。常規(guī)磁流變液阻尼器可用剛度k和阻尼系數(shù)c的力學(xué)模型表示，圖2中m為電機(jī)質(zhì)量。當(dāng)電機(jī)底座振動(dòng)位移為x(t)時(shí)，傳遞至基礎(chǔ)的振動(dòng)位移為y(t)。

圖2 單層隔振系統(tǒng)

首先列寫(xiě)該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程：

(1)

(2)

通過(guò)拉普拉斯變換可得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為

(3)

磁流變液阻尼器加彈性連接的力學(xué)模型可由圖3表示。

圖3 彈性連接阻尼隔振系統(tǒng)

圖3中kb為彈性連接的剛度，其運(yùn)動(dòng)微分方程為

(4)

消掉x1化簡(jiǎn)為

(5)

頻率響應(yīng)函數(shù)為

H(ω)=

(6)

3 磁流變液阻尼器新結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

模態(tài)分析是振動(dòng)工程一門(mén)重要的技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，分析結(jié)構(gòu)的自然頻率和模態(tài)形狀。將磁流變液阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，圖5、圖6分別為常規(guī)磁流變液阻尼器和加彈性連接磁流變液阻尼器的前六階模態(tài)變形云圖，表1是磁流變液阻尼器一至四階模態(tài)固有頻率。由表1可以看出磁流變液阻尼器的第一、二階是阻尼器的整體變形，加彈性連接的磁流變液阻尼器第一、二階固有頻率比常規(guī)磁流變液阻尼器高很多，固有頻率越高表示結(jié)構(gòu)的剛度越高，所以加彈性連接后可以增加磁流變液阻尼器的剛度。常規(guī)磁流變液阻尼器的第三、四階模態(tài)變形在活塞桿底部，加彈性連接后的第三、四階變形都發(fā)生在彈性連接處,所以加彈性連接后可以增加阻尼器的穩(wěn)定性，優(yōu)化彈性連接的參數(shù)可以改善阻尼器的性能。

圖4 絕對(duì)傳遞系數(shù)曲線圖

圖5 常規(guī)磁流變液阻尼器模態(tài)分析

圖6 加彈性連接磁流變液阻尼器模態(tài)分析

表1 磁流變液阻尼器一至六階模態(tài)固有頻率 Hz

4 磁流變液阻尼器新結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析

磁流變液阻尼器的Bouc-Wen模型適合描述磁流變液阻尼器的輸出阻尼力[3]。圖7是磁流變液阻尼器的Bouc-Wen模型與彈性連接的示意圖。

圖7 磁流變液阻尼器Bouc-Wen模型與彈性連接

以位移為y處兩端受力平衡可得

狀態(tài)變量z滿足：

磁流變液阻尼器的阻尼力為

系數(shù)c、α與驅(qū)動(dòng)電壓U的關(guān)系為

c=c0+c1U

α=α0+α1U

利用Simulink搭建磁流變液阻尼器與彈性連接模型，分析其力學(xué)性能，模型如圖8所示。

圖8 磁流變液阻尼器與彈性連接模型

當(dāng)施加振幅、頻率、驅(qū)動(dòng)電壓相同，彈性連接剛度分別為15000、30000、75000N/cm及無(wú)彈性連接時(shí)的信號(hào)時(shí)，磁流變液阻尼器的位移-阻尼力曲線、速度-阻尼力曲線，分別如圖9、圖10所示；當(dāng)彈性連接剛度、驅(qū)動(dòng)電壓、位移信號(hào)振幅相同，頻率分別為18、30、50Hz時(shí)的磁流變液阻尼器的位移-阻尼力曲線、速度-阻尼力曲線，分別如圖11、圖12所示。

圖9 振幅、頻率、驅(qū)動(dòng)電壓相同,不同k1的MRD阻尼力-位移特性

圖10 振幅、頻率、驅(qū)動(dòng)電壓相同,不同k1的MRD阻尼力-速度特性

圖11 彈性連接剛度、驅(qū)動(dòng)電壓、位移信號(hào)振幅相同，不同頻率的MRD阻尼力-位移特性

磁流變液阻尼器的力學(xué)特性表現(xiàn)為非線性滯回特性[4]。由圖9可知，無(wú)彈性連接時(shí)，其位移滯回曲線近似為橢圓形。與彈性連接后，其位移滯回曲線傾斜一個(gè)角度，且隨著彈性連接剛度的增加滯回曲線變得飽滿，當(dāng)剛度達(dá)到一定值后，該曲線接近無(wú)彈性連接時(shí)的曲線。彈性連接對(duì)阻尼器的最大出力影響不大，但滯回曲線面積會(huì)減小，即阻尼器的耗能下降，可以根據(jù)實(shí)際減振需求合理選取k1的值。由圖10可知，無(wú)彈性連接時(shí)，在低速區(qū)，阻尼力隨速度變化明顯，在高速區(qū)，阻尼力變化緩慢[5]。與彈性連接后，彈性連接的剛度越小，阻尼器的速度滯回曲線變化越平緩，且在低速區(qū)和高速區(qū)變化趨勢(shì)差別越小。

圖12 彈性連接剛度、驅(qū)動(dòng)電壓、位移信號(hào)振幅相同，不同頻率的MRD阻尼力-速度特性

由圖11、圖12可知，在位移信號(hào)幅值、彈性連接剛度和驅(qū)動(dòng)電壓一定時(shí)，阻尼器的最大出力會(huì)隨著位移信號(hào)頻率的增加遞增。這與不加彈性連接的變化規(guī)律一致[6-7]。對(duì)磁流變液阻尼器新結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析可以為磁流變液阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)和依據(jù)。

5 仿真驗(yàn)證

圖13為輸入頻率為50、110Hz的永磁電機(jī)垂直方向電磁振動(dòng)加速度，圖14為加速度的頻譜分析圖。由圖14可看出電機(jī)的振動(dòng)是由許多不同頻率的波形組成的，并且在高頻處出現(xiàn)幅值較大的振動(dòng)峰值。

圖13 振動(dòng)加速度時(shí)域圖

圖14 振動(dòng)加速度頻域圖

利用Simulink搭建兩個(gè)系統(tǒng)的模型，如圖15、圖16所示。將電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)作為擾動(dòng)分別作用于兩個(gè)隔振系統(tǒng)時(shí)，傳遞至基礎(chǔ)的力如圖17所示。可看出當(dāng)隔振系統(tǒng)參數(shù)一定時(shí)，彈性連接阻尼隔振系統(tǒng)對(duì)電機(jī)隔振效果更好。

圖15 單層隔振系統(tǒng)模型

圖16 彈性連接阻尼隔振系統(tǒng)

圖17 兩個(gè)隔振系統(tǒng)對(duì)電機(jī)隔振效果對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了在磁流變液阻尼器的活塞桿底部加彈性連接的新結(jié)構(gòu)。首先比較了單層隔振系統(tǒng)和彈性連接阻尼隔振系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出彈性連接阻尼系統(tǒng)的隔振有效頻率范圍很寬，對(duì)高頻隔振效果好，可以增強(qiáng)系統(tǒng)可調(diào)性。利用有限元仿真對(duì)磁流變液阻尼器進(jìn)行了模態(tài)分析，得出加彈性連接可以增強(qiáng)磁流變液阻尼器的剛度，利用Simulink模型仿真分析磁流變液阻尼器新結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，為磁流變液阻尼器的性能預(yù)估提供依據(jù)，并為其工程應(yīng)用和控制研究提供基礎(chǔ)和依據(jù)。最后以電機(jī)50、110Hz的電磁振動(dòng)為輸入信號(hào)，通過(guò)仿真驗(yàn)證磁流變液阻尼器與彈性連接的新結(jié)構(gòu)對(duì)于電機(jī)的減振比常規(guī)的磁流變液阻尼器效果好。

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[期刊簡(jiǎn)介]

《電機(jī)與控制應(yīng)用》(原《中小型電機(jī)》)創(chuàng)刊于1959年，是經(jīng)國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)注冊(cè)，由上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司主辦的具有專(zhuān)業(yè)權(quán)威的電工技術(shù)類(lèi)科技期刊。

期刊定位于電機(jī)、控制和應(yīng)用三大板塊，以中小型電機(jī)為基礎(chǔ)，拓展新型的高效節(jié)能和微特電機(jī)技術(shù)，以新能源技術(shù)和智能控制技術(shù)引領(lǐng)和提升傳統(tǒng)的電機(jī)制造技術(shù)為方向，以電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能為目標(biāo)開(kāi)拓電機(jī)相關(guān)應(yīng)用，全面報(bào)道國(guó)內(nèi)外的最新技術(shù)、產(chǎn)品研發(fā)、檢測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的行業(yè)信息。

本刊每月10日出版，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行，郵發(fā)代號(hào)4-199。在半個(gè)多世紀(jì)的歲月中，該雜志為我國(guó)中小型電機(jī)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，在中國(guó)電機(jī)及其應(yīng)用領(lǐng)域享有很高的影響。

依托集團(tuán)公司雄厚的技術(shù)實(shí)力和廣泛的行業(yè)資源，《電機(jī)與控制應(yīng)用》正朝著專(zhuān)業(yè)化品牌媒體的方向不斷開(kāi)拓創(chuàng)新，在全國(guó)科技期刊界擁有廣泛的知名度，是“中國(guó)學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源期刊”、“中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源期刊”、“中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤(pán)版)全文收錄期刊”，得到了業(yè)內(nèi)人士的普遍認(rèn)可，備受廣大讀者的推崇和信賴，多次被評(píng)為中文核心期刊、中國(guó)科技核心期刊、全國(guó)優(yōu)秀科技期刊。

Structural Performance Analysis of Magnetorheological Fluid Damper with Elastic Connection*

YANRongge,DUANMenghua

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

Due to the effect of magnetorheological fluid damper on the high frequency vibration isolation, now magnetorheological fluid damper was chiefly used in the field of low frequency vibration damping. In order to improve the vibration isolation efficiency of magnetorheological fluid damper for high frequency vibration, a new structure with elastic connection at the bottom of the piston rod was presented. Its vibration isolation efficiency was analyzed, then the modal analysis and mechanical property analysis of the magnetorheological fluid damper was carried out. Finally, Simulink model was used to verify the effectiveness of the new structure of magnetorheological fluid damper on the vibration isolation of the motor.

magnetorheological fluid damper； elastic connection； vibration isolation efficiency

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177038)；河北省研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目(201543)

閆榮格(1969—)，女，博士研究生，教授，研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù)。 段夢(mèng)華(1989—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù)。

TM 303

A

1673-6540(2017)02- 0058- 06

2016-07-18