粗軋電機磁流變懸置性能研究

蘇錦濤，段緒偉

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030)

0 前言

隨著重工業(yè)的發(fā)展，大功率、低轉(zhuǎn)速粗軋電機在軋機設(shè)備上應(yīng)用越來廣泛，伴隨著大功率的電機噪聲、振動問題一直是重型機械冶金領(lǐng)域的難題。粗軋電機懸置作為動力源的隔振系統(tǒng)，對降低振動和噪聲起著至關(guān)重要的作用。為了控制電機的低轉(zhuǎn)速波動往往需要對隔振系統(tǒng)進行設(shè)計，對于控制低轉(zhuǎn)速的波動，懸置系統(tǒng)的大阻尼特性具有顯著作用，而對于電機高頻不平衡力所引起的振動激勵，則建議懸置系統(tǒng)具有小阻尼特性，因此，設(shè)計電機懸置系統(tǒng)隔振原件十分必要。本文提出解耦膜式磁流變懸置系統(tǒng)，對懸置結(jié)構(gòu)、狀態(tài)方程、性能參數(shù)、參數(shù)模型仿真進行了相關(guān)研究。[1-7]

1 基本結(jié)構(gòu)

磁流變懸置的阻尼特性具有可變性，阻尼與外界磁場的磁通量具有相關(guān)性，通過改變外界磁場的磁通量改變液體的流量，從而影響懸置結(jié)構(gòu)的阻尼特性。在外部磁場激勵作用時懸置內(nèi)部的液體由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)、固態(tài)耦合狀態(tài)，呈現(xiàn)可控的屈服強度[8]。

考慮到懸置系統(tǒng)的磁流變特性，設(shè)計了阻尼可調(diào)的磁流變懸置[9,10]。本文設(shè)計的磁流變懸置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該磁流變懸置主要由橡膠主簧、液室、磁芯、線圈、液體通道、橡膠底膜、傳感器、解耦膜等結(jié)構(gòu)組成。

電機低頻激勵時，懸置的上液室體積容量產(chǎn)生變化，磁流變液體流經(jīng)可變阻尼通道，根據(jù)懸置主動端的振動情況改變電流大小，從而實現(xiàn)磁通量的改變。調(diào)節(jié)液體通道的的流阻，可調(diào)節(jié)懸置的阻尼特性。電機高頻高頻激振時，液體流經(jīng)阻尼通道增大了液體能量損失[11]，從而控制高頻振動特性。

圖1 磁流變懸置結(jié)構(gòu)、解耦膜結(jié)構(gòu)示意圖

2 基本模型

2.1 參數(shù)模型

懸置的參數(shù)模型如圖2所示。

圖2 懸置參數(shù)模型

圖2中Kr構(gòu)成了彈簧系統(tǒng)的剛度參數(shù)，K、B兩個參數(shù)構(gòu)成主要彈簧的剛度、阻尼系統(tǒng)。參數(shù)C是懸置模型的體積剛度，參數(shù)A為可變面積，工作模式及原理是通過調(diào)節(jié)阻尼通道的孔徑控制液體的流量。解耦膜的流量變化量、節(jié)流盤液體的流量變化量分別控制上液室和下液室的面積大小，從而控制流量，改變作用力。懸置模型中的控制量包括輸入激勵X(t)和懸置傳遞力F(t)。

2.2 鍵合圖結(jié)構(gòu)

鍵合圖結(jié)構(gòu)是在1950年由Paynter H教授提出，后由Karnopp D.C和Rosenberg R.C等根據(jù)統(tǒng)計能量的理論得出的一種能量化、模塊化的一種復(fù)雜學(xué)科的動態(tài)分析方法，由于該方法直觀，流程化因此在磁流變懸置的設(shè)計上得到了廣泛的應(yīng)用[12]。該理論根據(jù)能量守恒，將機械能、電能、熱能、電磁能等物理量歸納為勢能e(t)、動量p(t)、位移q(t)、流量f(t)等幾種變量，并根據(jù)系統(tǒng)和子系統(tǒng)的關(guān)系，將系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，以傳遞圖形的方式進行表達。根據(jù)鍵合圖結(jié)構(gòu)，得到磁流變懸置的鍵合圖模型[13]，如圖3所示。

圖3 鍵合圖模型

根據(jù)鍵合圖結(jié)構(gòu)理論，液室體積剛度的非線性可作簡化[14]，本文只考慮磁流變液屈服極限與磁通量強度的非線性，即磁流變液阻與磁流變液屈服極限的非線性函數(shù)，磁流變可變流量的液阻表示為:Rm=Rm0+Rτ(τy(B))，可推導(dǎo)出磁流變懸置的動態(tài)方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

將各式進行拉式變換，推導(dǎo)得出磁流變懸置剛度為

(8)

其中，

相關(guān)系數(shù)ai、bi、ci和di(i=0,1,2,3,4,5)可以由集總參數(shù)表示。令s=jω，則有

(9)

式中，K1為系統(tǒng)儲能剛度；K2為系統(tǒng)損失剛度。

3 液阻特性

為了得出磁流變懸置的非線性液阻Rm，本文運用有限元法電液耦合法則對其辨識。在不同電流激勵下，對磁流變磁感應(yīng)強度、磁通量進行有限元計算，再利用液阻計算式進行識別。磁流變懸置的磁芯結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)標(biāo)注如圖4所示?？赏茖?dǎo)出非線性液阻Rm的計算式為

(10)

式中，Qm代表磁流變懸置的液體流量。ρ為磁流變懸置液體密度；τy為磁流變液的屈服應(yīng)力。

圖4 懸置磁芯組件結(jié)構(gòu)

應(yīng)用有限元軟件建立懸置的磁芯組件、磁流變液的固液耦合模型，磁芯組件用2維單元，磁流變液體用一維單元模擬，在模型磁芯線圈位置加載電流密度激勵，在磁場的作用下，即可獲得磁流變液體的磁通量和感應(yīng)密度。激勵電流允許值2.0 A時，磁芯部分磁場強度分布如圖5所示。

根據(jù)公式(10)液阻Rm的計算公式，以及磁感應(yīng)強度、激勵電流，可獲得液阻Rm與激勵電流之間的正相關(guān)曲線，如圖6所示。

圖5 激勵電流為2.0A時，磁場強度分布云圖

圖6 液阻Rm電流關(guān)系曲線

懸置參數(shù)中其余參數(shù)可利用固液耦合、電磁耦合方法進行辨識，文獻[4,5,14]中均有介紹。辨識的懸置參數(shù)如表1所示。

表1 懸置相關(guān)參數(shù)

4 動態(tài)特性

4.1 低頻激勵

低頻激勵時，磁流變液體由下解耦膜游離到上解耦膜，在下解耦膜處被液體隔板阻斷，只有小部分液體流經(jīng)上解耦膜，對動態(tài)方程進行簡化，結(jié)合電耦合仿真結(jié)果，可獲得非線性模型隨激勵電流變化的低頻特性曲線，如圖7、圖8所示。

圖7 剛度、滯后角曲線

圖8 阻尼系數(shù)

由曲線結(jié)果可知，低頻激勵，磁流變懸置的動剛度曲線可知，不同的電流激勵下隨著頻率的增加，磁流變懸置的動剛度曲線變化不同，電流為0～0.5 A區(qū)間，隨著激勵頻率的增加，結(jié)構(gòu)的動剛度值不斷增加，最高值為650 N/mm。激勵電流在1～1.5 A區(qū)間，隨著激勵頻率的增加，結(jié)構(gòu)的動剛度值趨于穩(wěn)定值，穩(wěn)定值為550 N/mm。由磁流變懸置的阻尼角曲線可知，不同電流激勵對于阻尼角的控制有所不同，在電流激勵為1.0～1.5 A時阻尼角對于隔離低頻的振動具有一定的作用，阻尼角峰值頻率為5 Hz，電流激勵0～0.5 A時阻尼角在30 Hz，因此可以通過磁流變懸置的電流控制低頻不同頻率的阻尼特性，具有分布控制的作用。

4.2 高頻激勵

高頻激振時，磁流變液體流經(jīng)解耦膜，通過解耦膜中的可變體積腔體實現(xiàn)液態(tài)阻尼作用，磁流變懸置模型高頻動特性曲線，如圖9和圖10所示。高頻激勵下，磁流變懸置的動剛度隨著激勵頻率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，頻率在50～70 Hz區(qū)間，動剛度隨激勵的頻率增大，激勵頻率在70～205 Hz區(qū)間，動剛度與激勵頻率負(fù)相關(guān)，達極小值240 N/mm；

圖9 高頻動剛度曲線

圖10 高頻阻尼角曲線

由懸置高頻阻尼角結(jié)果可知，阻尼角隨激勵頻率增大而升高，激勵頻率在250 Hz時阻尼角出現(xiàn)最大峰值131.9°，高頻激勵主要控制阻尼角的高頻范圍，與動剛度曲線的結(jié)構(gòu)可知，高頻激勵下可以通過調(diào)節(jié)激勵電流，從而改變懸置的動剛度和阻尼角。

5 結(jié)束語

本文建立了粗軋電機磁流變懸置的力學(xué)模型，并對懸置的高、低頻動態(tài)特進行了分析，分析結(jié)果表明：低頻激勵作用下電流值為1～1.5 A時，磁流變懸置具有良好的阻尼特性，阻尼峰為5 Hz，對隔離低頻大振幅振動具有良好的效果。電流值為0～0.5 A激勵作用下阻尼峰為30 Hz，對于隔離中低頻振動具有一定的效果，可以根據(jù)不同的工況選擇不同的隔振阻尼峰值；高頻激勵時，磁流變懸置動剛度具有寬闊的頻帶特性，可調(diào)節(jié)的區(qū)間較為廣泛，阻尼角為250 Hz,對于隔離高頻也具有一定的作用。

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