河南省煙草公司鄭州市公司 劉英杰 劉劍君 劉文

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 趙漢雨 丁攀

農(nóng)業(yè)機(jī)械磁流變復(fù)合阻尼器磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

河南省煙草公司鄭州市公司 劉英杰 劉劍君 劉文

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 趙漢雨 丁攀

當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械駕駛員座椅大多沒有良好的減振裝置或僅僅靠普通座墊或彈簧充當(dāng)減振裝置，駕駛員在農(nóng)田作業(yè)時(shí)就會(huì)處于低頻高振幅全身振動(dòng)狀態(tài)中，對(duì)駕駛員的身體健康帶來極大的損害。磁流變阻尼器以其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，低能耗，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，并具有可調(diào)節(jié)的輸出力等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用中越來越廣泛。因此，將磁流變阻尼器運(yùn)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械座椅上有可能減輕駕駛員在操作拖拉機(jī)時(shí)的振動(dòng)。

自適應(yīng)磁流變阻尼器是基于磁致伸縮（Giant Magnetostrictive Material，簡(jiǎn)稱為GMM）逆效應(yīng)和磁流變液 (Magnetorheological Fluids，簡(jiǎn)稱為MRF)效應(yīng)的新型阻尼器，無(wú)需能源裝置，具有負(fù)載自適應(yīng)的功能。該阻尼器需要能夠?qū)⑼獠控?fù)載力的變化傳遞給GMM棒，再通過磁致伸縮逆效應(yīng)引起的磁路變化控制通過MRF阻尼通道的磁場(chǎng)變化，最終使MRF輸出相應(yīng)變化的阻尼力。要實(shí)現(xiàn)上述功能，就需要設(shè)計(jì)特定的磁路結(jié)構(gòu)。

一、永磁體構(gòu)成方式的選擇

自適應(yīng)磁流變阻尼器采用永磁體提供偏置磁場(chǎng)，永磁體的構(gòu)成形式主要有4種，如圖1所示。

圖1 永磁體與GMM的磁路構(gòu)成方式

永磁體構(gòu)成方式a采用圓盤形狀的永磁體，和一根完整的GMM棒，并將永磁體分別置于GMM棒的兩端，然后分別與兩端的磁軛相連，在外圍設(shè)置一個(gè)圓筒狀的軟磁體用于構(gòu)成磁回路。永磁體構(gòu)成方式b與方式a相類似，采用圓片形狀的永磁體，不同的是采用了多個(gè)永磁體與多個(gè)圓片形狀的GMM間隔布置。永磁體構(gòu)成方式c采用圓筒形狀的永磁體，包圍在一整根GMM棒的周圍，由它產(chǎn)生的磁力線經(jīng)兩端的磁軛，一部分從GMM棒通過，另一部分從最外圍的圓筒狀軟磁體中通過。永磁體構(gòu)成方式d與方式c相類似，采用圓環(huán)形的永磁體，不同的是采用了多層永磁體與多層圓片形狀的GMM間隔布置。以上4種永磁體構(gòu)成方式，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。綜合以上各個(gè)因素，最終選擇方式a作為永磁體的構(gòu)成方式。

二、磁流變復(fù)合阻尼器工作原理

根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)制作了自適應(yīng)磁流變阻尼器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。阻尼器初始狀態(tài)下受預(yù)壓力，當(dāng)活塞桿受到外力作用時(shí)，通過彈簧使力加載到GMM上，使用牌號(hào)為N35的永磁體，MRF在間隙處磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生阻尼力。

圖2 自適應(yīng)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)圖

由永磁體產(chǎn)生的磁回路可以分為①②兩種。工作過程中當(dāng)活塞桿受拉力時(shí)，由GMM逆效應(yīng)，其內(nèi)部磁疇沿軸向偏轉(zhuǎn)，相對(duì)磁導(dǎo)率變大，使磁回路①的磁通量增大，進(jìn)而使MRF間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，導(dǎo)致由MRF產(chǎn)生的阻尼力增大，如圖3（a）所示。當(dāng)GMM受壓力時(shí)，其內(nèi)部磁疇垂直于軸向偏轉(zhuǎn)，相對(duì)磁導(dǎo)率變小，進(jìn)而使MRF間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，導(dǎo)致由MRF產(chǎn)生的阻尼力減小，如圖3（b）所示。

圖3 自適應(yīng)磁流變阻尼器原理圖

三、結(jié)論

超磁致伸縮與磁流變復(fù)合阻尼新技術(shù)在微機(jī)器人、空間機(jī)器人、野戰(zhàn)用軍械和土木工程等領(lǐng)域的被動(dòng)阻尼和主動(dòng)阻尼控制中具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，為磁流變技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用提供了新思路。

河南省煙草專賣局（公司）科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（HYKJM201315），河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（17B416001），河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（172102310737），河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（162102210271），河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究項(xiàng)目（142300410294），國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510466001）】