基于擠壓-閥混合式磁流變脂懸置動態實驗研究

孫民，梁宇航，周洲，陳序，劉兵，竺啟斌，王炅，張廣,3,4

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，南京 210002；2.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094；3.浙江工業大學 機械工程學院，杭州 310023；4.西格邁股份有限公司，浙江 臺州 317100）

0 引言

鋰基磁流變脂在保持高沉降穩定性的同時，還具有優異的磁致調控性能，表明其在工程減振、隔振和抗沖擊等振動控制領域中比傳統磁流變液具有更大的應用優勢。為了解決被動懸置的缺點以進一步提高懸置的隔振性能，以磁流變智能材料為介質的半主動懸置成為隔振裝置發展的重要方向，其原理是利用磁流變材料的表觀黏度和動態模量等物理特性可由磁場調控的特點，可以在較小的電流驅動下實現懸置，自適應調整隔振參數（如阻尼或剛度）以達到最優的隔振效果。以現有無沉降性的鋰基磁流變脂為介質材料，提出一種基于擠壓閥混合模式的阻尼器與橡膠主簧并聯而成的新型復合式磁流變脂懸置，其基于Kirchhoff’s定律等電磁學理論重點對新型懸置的磁路進行設計，并應用鋰基磁流變脂流變特性研究基礎數據，使用有限元數值模擬的方法對設計的磁路進行驗證。結果表明，當對線圈施加0.8 A的電流時，擠壓區域內的平均磁場可達0.75 T左右，流動區域內的磁場在0.7 T左右，已基本達到磁流變脂的飽和強度，設計的磁路得到驗證。

1 新型懸置結構原理

為了克服傳統磁流變懸置所面臨的缺陷以促進懸置的進一步工程化應用，以羰基鐵質量分數為70%的鋰基磁流變脂為介質材料，設計了一種基于擠壓閥混合模式的阻尼器與橡膠主簧并聯而成的新型復合式磁流變脂懸置，其結構原理圖如圖1所示，該懸置主要由橡膠主簧1、上蓋板2、下蓋板4、活塞桿7、組合式活塞頭8、隔磁套筒9和線圈10組成，磁流變脂7被注入由上下蓋板2和4、隔磁套筒9和活塞桿6組成的密閉腔體中，活塞桿6和橡膠主簧1通過螺紋固連。懸置活塞頭8采用組合式設計以形成具有徑向流動的閥模式，其上下板中心位置附近開有8個小孔，中間放有隔板，隔板直徑小于活塞頭內徑。該組合式活塞頭將密閉腔分割成4個區域（從上至下分別為①、②、③和④），磁流變脂在活塞桿運動下可以在被組合式活塞頭分成的4個區域內流動，其中①和④區域主要形成擠壓力，②和③區域主要形成徑向閥式流動力。

結合圖1，該新型復合式磁流變懸置的工作模式為：活塞桿的頂部和懸置的底座分別與動力裝置的下端及運載器基體固連，在勵磁線圈10的作用下，區域①、②、③和④中形成與活塞頭運動方向相同的磁力線，使得內部磁流變脂中的羰基鐵顆粒沿著活塞頭運動方向排列成鏈。橡膠主簧1的主要作用是承受動力裝置的靜載荷。當動力裝置工作時，懸置活塞桿受到動力裝置激勵而產生垂直向上（或向下）的運動，帶動與活塞桿固連的組合式活塞頭向上（或向下）擠壓磁流變脂，使得區域①中的磁流變脂被擠壓經過區域②和③向區域④中流動（或區域④中的磁流變脂經過區域③和②向區域①中流動）。于是在磁場作用下，當活塞頭向上運動時，在區域①中產生了擠壓力（也即擠壓工作模式），而在區域②和③形成了閥式流動力（也即徑向閥模式）。同理，當活塞頭向下運動時，在區域④中產生了擠壓力，而在區域③和②形成了閥式流動力。通過控制勵磁線圈中電流的大小，達到改變鋰基磁流變脂屈服強度以控制相應的擠壓和閥式流動力大小，進而達到較快改變阻尼力的目的。新型復合式磁流變脂懸置的顯著特點是性能穩定可靠且在有限的工作行程能夠產生較大的阻尼力。此外，其還具有寬頻隔振能力，即當活塞桿在動力裝置帶動下發生低頻振動時，此時運動幅值相對較大，使得區域①（或區域④）中的羰基鐵顆粒鏈被嚴重擠壓，且區域②和區域③中的磁流變脂發生屈服流動，從而形成巨大的阻尼力。而當激勵頻率增大時，此時運動幅值相對較小，區域①中的擠壓力迅速減弱，區域②和區域③中的磁流變脂可能未完全屈服流動，從而輸出較小的阻尼力，這正好滿足了動力裝置對隔振懸置在高頻下有低阻尼力、在低頻下有高阻尼力的寬頻隔振需求。

圖1 基于擠壓與閥混合模式的磁流變脂懸置結構簡圖

2 磁流變脂懸置的動態性能測試

2.1 測試裝置及原理

新型復合式磁流變脂懸置的各組成部件及裝配后的整體結構如圖2（a）和圖2（b）所示。懸置的動態測試模塊如圖2（c）所示，安裝順序為：實驗機作動器7與力傳感器1固連后通過上夾具3與懸置9的上端相連，懸置9下端通過夾具4直接與臺體5相連，上夾具3上面分別布置有位移傳感器2和加速度傳感器8。圖2（d）為搭建的實驗平臺。測試之前，作動器對橡膠主簧施加一定的預載荷，使得組合式活塞頭處于密閉腔中間位置。在測試中，振動臺控制作動器輸出目標激勵帶動懸置運動，相應的響應應力、位移及加速度等信號可由對應的傳感器獲取，各傳感器經過電荷放大后與數據采集器相連，實驗中所用的數據采集系統可以實現多通道動態信號并行同步測試和分析，可以將各傳感器采集到的數據實時輸出。

圖2 新型復合式磁流變脂懸置及其動態測試原理和現場圖

2.2 動態性能測試

磁流變懸置動態性能的優劣直接決定著其隔振性能的好壞，可用動剛度Kd和等效阻尼Ceq來進行評價。Kd和Ceq的獲取一般是通過對懸置施加正弦激勵，然后分析響應數據得到[1-2]。實驗中所施加的正弦激勵的頻率和振幅主要依據隔振對象動力裝置及其所工作的環境決定。其中，動力裝置自身工作引起的強迫振動是造成振動的主要原因，該振動的激勵頻率通常較高，一般在30 Hz以上，但振動幅值相對較低。另一方面，與運載工具的應用領域（如汽車或者船舶）有關，其工作的環境主要包括道路及航海等，此時懸置需要隔離來自于路面或者是海浪的振動，該類型的激勵特點是頻率較低（20～30 Hz以下），但振動幅值相對較大[3-4]。因此，為了獲取磁流變脂懸置在實際工況下的隔振性能，本文分別開展了其在低頻大幅值和高頻低幅值下的實驗研究，由于磁流變懸置的核心是動態特性參數可通過電流改變達到實時可調，在實驗中我們還將電流作為一個控制變量。

1）施加激振力。利用振動臺對懸置施加激振頻率、振動幅值不同的正弦激勵，同時控制磁流變懸置的輸入電流。其中激勵頻率分別設置為0.1、0.5、1.0、3.0、5.0、10.0、20.0、30.0 Hz；振蕩幅值分別設置為0.5、1.0、1.5、2.0 mm；電流分別選為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 A。需要說明的是，在實驗過程中，由于頻率在高于30 Hz后拉伸機發生了劇烈抖動與異響，為了安全起見，本次測試的最高頻率限定為30 Hz。另外，我們發現，高頻下很難同時達到目標幅值，因此本次實驗中的10 Hz以上測試全部在幅值0.5 mm下進行，其他幅值下只進行5 Hz以下的動態測試。每次測試都至少循環20個周期，直至輸出力和位移等數據達到穩定狀態。

2）繪制響應力隨位移變化曲線。利用傳感器所采集到的達到穩定后的數據，以位移X為橫坐標，以響應力F為縱坐標，繪制如圖3所示的力-位移遲滯回線。圖中最大彈性力FT發生在懸置變形最大的X0時刻，最大阻尼力FD發生在位移為0（對應速度最大）的時刻。

3）動態性能評價參數Kd和Ceq的計算。根據圖3的遲滯回線，可求得懸置的動剛度為

圖3 力-位移遲滯回線

式中：X0為位移幅值，也即橢圓曲線在X坐標軸中的最大值，作垂直于OX軸且與橢圓相切于A點的直線AC，AC與OX軸交于X0，mm；FT為彈性力幅值，也即位移為最大值X0時所對應的響應力，可在橢圓曲線中直接讀出，N。

同理可求得等效阻尼的計算公式為

式中：Ceq為等效阻尼；f為對新型懸置施加的正弦激勵的頻率，Hz；Eloop為恢復力-位移變化曲線所圍成的面積。

3 動態性能結果分析

1）頻率對懸置動態剛度與等效阻尼的影響。圖4（a）和圖4（b）給出了位移幅值為0.5 mm時新型懸置在不同電流下的動剛度和等效阻尼隨頻率的變化，圖4（b）中的插圖為頻率5～30 Hz內等效阻尼變化。從圖4（a）和圖4（b）可以看出：動剛度在0.5～5 Hz范圍內隨著頻率的增加而快速增大，隨后逐漸趨于平緩；而等效阻尼隨著頻率的增加而快速減小，在20 Hz后逐漸趨于平緩。有意思的是，電流對動剛度在0.5～30 Hz以內都存在較大影響。而對于等效阻尼而言，電流的影響隨著頻率的升高不斷降低。此外，分別對比0 A和1 A下的動剛度和等效阻尼，發現其在低頻下具有更大的可調范圍，而在高頻下快速減小。如在0.1 Hz下當電流從0 A升高到1 A時，動剛度從1713 kN/m升高到13 395 kN/m，可調倍數為7.8。對應的等效阻尼也從540 kN·s/m升高到2339 kN·s/m，可調倍數為4.3。而在頻率升高到30 Hz后，對應的動剛度隨電流增加而從5133 kN/m升高到17 328 kN/m，可調倍數為3.3。等效阻尼從34.1 kN·s/m升高到40 kN·s/m，可調倍數迅速減小到1.2。

圖4 激振頻率對懸置動態剛度和等效阻尼的影響(位移幅值為0.5 mm)

2）電流對懸置動剛度與等效阻尼的影響。圖5（a）和圖5（b）給出了位移幅值分別為0.5 mm和1.5 mm時新型懸置的動剛度在不同激振頻率下隨電流的變化。從圖5（a）和圖5（b）可以看出，位移幅值為0.5、1.5 mm時，隨著施加電流的增加，動剛度幾乎呈線性快速增長，這表明懸置在低頻區域內具有良好的可控動剛度。例如位移幅值為0.5 mm、頻率為5 Hz時電流從0 A升高到1 A時的動剛度變化為74%左右，對應的幅值為1.5 mm的動剛度變化為77.6%左右。對比圖5（a）和（b）可以發現，位移幅值增加，最大動剛度（對應1 A）明顯減小。例如：在0.5 mm時，電流1 A、頻率5 Hz對應的動剛度為17 333 kN/m，而在位移幅值升高到1.5 mm后，動剛度減小到8842 kN/m。

圖5 不同激振頻率下動剛度隨電流變化

圖6（a）和圖6（b）分別給出了位移幅值為0.5 mm和1.5 mm時，新型懸置的等效阻尼在不同激振頻率下隨電流變化而變化。在位移幅值為0.5 mm時，隨著電流的增長，等效阻尼先快速增長，然后逐漸趨于平緩。而在1.5 mm位移幅值下，等效阻尼隨電流的增長顯著加快，這是因為位移幅值的升高導致由擠壓產生的阻尼力快速增加。另外，通過計算發現，當電流從0 A增加到1 A時，在位移幅值為0.5 mm下，0.5、1.0、3.0、5.0 Hz所對應的等效阻尼增長率分別為76.9%、62.4%、24.6%和4.6%。而當位移幅值升高到1.5 mm時，0.5、1.0、3.0、5.0 Hz所對應的等效阻尼增長率分別為53.7%、73.1%、57.8%和55.3%，表明幅值變小會使降低懸置在高頻下的等效阻尼可調范圍。

圖6 不同激振頻率下等效阻尼隨電流變化

4 結論

本文對新型磁流變脂懸置在不同工況下的動態性能進行實驗研究，重點分析了對隔振性能有重要影響的可控阻尼和剛度特性。得到主要結論如下：新型懸置的動剛度隨著頻率的增加而先快速增大，隨后逐漸趨于平緩。而等效阻尼隨著頻率的增加而快速減小，在20 Hz降低幅度逐漸趨于平緩。當將電流從0 A上升到1 A后，動剛度和等效阻尼都呈現出不斷升高的趨勢。并且，動剛度和等效阻尼在低頻下具有更大的可調范圍，而在高頻下可調范圍快速減小。此外，幅值的增加也會降低懸置在高頻下的等效阻尼的可調范圍。

綜上所述，由于新型懸置采用以無沉降的鋰基磁流變脂為介質材料，且具有擠壓閥式復合結構，使得其較傳統懸置不但擁有更好的穩定性，且能夠輸出足夠大的可控阻尼。另外，新型懸置還展現出了優異的性能，隨著線圈電流的增加，在頻率較低時，新型懸置展現出了良好的剛度和阻尼可控特性，可以滿足動力裝置在低頻下的高剛度和大阻尼的隔振需求。由于等效阻尼在高頻下迅速減小，因而可以在高頻下維持一個較小的阻尼，這也有利于動力裝置的高頻隔振需求。