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(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，南京 210002；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；3.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310023；4.西格邁股份有限公司，浙江 臺(tái)州 317100）

0 引言

鋰基磁流變脂在保持高沉降穩(wěn)定性的同時(shí)，還具有優(yōu)異的磁致調(diào)控性能，表明其在工程減振、隔振和抗沖擊等振動(dòng)控制領(lǐng)域中比傳統(tǒng)磁流變液具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。為了解決被動(dòng)懸置的缺點(diǎn)以進(jìn)一步提高懸置的隔振性能，以磁流變智能材料為介質(zhì)的半主動(dòng)懸置成為隔振裝置發(fā)展的重要方向，其原理是利用磁流變材料的表觀黏度和動(dòng)態(tài)模量等物理特性可由磁場(chǎng)調(diào)控的特點(diǎn)，可以在較小的電流驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)懸置，自適應(yīng)調(diào)整隔振參數(shù)（如阻尼或剛度）以達(dá)到最優(yōu)的隔振效果。以現(xiàn)有無(wú)沉降性的鋰基磁流變脂為介質(zhì)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(lián)而成的新型復(fù)合式磁流變脂懸置，其基于Kirchhoff’s定律等電磁學(xué)理論重點(diǎn)對(duì)新型懸置的磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)用鋰基磁流變脂流變特性研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使用有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)設(shè)計(jì)的磁路進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，當(dāng)對(duì)線圈施加0.8 A的電流時(shí)，擠壓區(qū)域內(nèi)的平均磁場(chǎng)可達(dá)0.75 T左右，流動(dòng)區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)在0.7 T左右，已基本達(dá)到磁流變脂的飽和強(qiáng)度，設(shè)計(jì)的磁路得到驗(yàn)證。

1 新型懸置結(jié)構(gòu)原理

為了克服傳統(tǒng)磁流變懸置所面臨的缺陷以促進(jìn)懸置的進(jìn)一步工程化應(yīng)用，以羰基鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的鋰基磁流變脂為介質(zhì)材料，設(shè)計(jì)了一種基于擠壓閥混合模式的阻尼器與橡膠主簧并聯(lián)而成的新型復(fù)合式磁流變脂懸置，其結(jié)構(gòu)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(guò)螺紋固連。懸置活塞頭8采用組合式設(shè)計(jì)以形成具有徑向流動(dòng)的閥模式，其上下板中心位置附近開有8個(gè)小孔，中間放有隔板，隔板直徑小于活塞頭內(nèi)徑。該組合式活塞頭將密閉腔分割成4個(gè)區(qū)域（從上至下分別為①、②、③和④），磁流變脂在活塞桿運(yùn)動(dòng)下可以在被組合式活塞頭分成的4個(gè)區(qū)域內(nèi)流動(dòng)，其中①和④區(qū)域主要形成擠壓力，②和③區(qū)域主要形成徑向閥式流動(dòng)力。

結(jié)合圖1，該新型復(fù)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(dòng)力裝置的下端及運(yùn)載器基體固連，在勵(lì)磁線圈10的作用下，區(qū)域①、②、③和④中形成與活塞頭運(yùn)動(dòng)方向相同的磁力線，使得內(nèi)部磁流變脂中的羰基鐵顆粒沿著活塞頭運(yùn)動(dòng)方向排列成鏈。橡膠主簧1的主要作用是承受動(dòng)力裝置的靜載荷。當(dāng)動(dòng)力裝置工作時(shí)，懸置活塞桿受到動(dòng)力裝置激勵(lì)而產(chǎn)生垂直向上（或向下）的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)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(qū)域①中的磁流變脂被擠壓經(jīng)過(guò)區(qū)域②和③向區(qū)域④中流動(dòng)（或區(qū)域④中的磁流變脂經(jīng)過(guò)區(qū)域③和②向區(qū)域①中流動(dòng)）。于是在磁場(chǎng)作用下，當(dāng)活塞頭向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在區(qū)域①中產(chǎn)生了擠壓力（也即擠壓工作模式），而在區(qū)域②和③形成了閥式流動(dòng)力（也即徑向閥模式）。同理，當(dāng)活塞頭向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，在區(qū)域④中產(chǎn)生了擠壓力，而在區(qū)域③和②形成了閥式流動(dòng)力。通過(guò)控制勵(lì)磁線圈中電流的大小，達(dá)到改變鋰基磁流變脂屈服強(qiáng)度以控制相應(yīng)的擠壓和閥式流動(dòng)力大小，進(jìn)而達(dá)到較快改變阻尼力的目的。新型復(fù)合式磁流變脂懸置的顯著特點(diǎn)是性能穩(wěn)定可靠且在有限的工作行程能夠產(chǎn)生較大的阻尼力。此外，其還具有寬頻隔振能力，即當(dāng)活塞桿在動(dòng)力裝置帶動(dòng)下發(fā)生低頻振動(dòng)時(shí)，此時(shí)運(yùn)動(dòng)幅值相對(duì)較大，使得區(qū)域①（或區(qū)域④）中的羰基鐵顆粒鏈被嚴(yán)重?cái)D壓，且區(qū)域②和區(qū)域③中的磁流變脂發(fā)生屈服流動(dòng)，從而形成巨大的阻尼力。而當(dāng)激勵(lì)頻率增大時(shí)，此時(shí)運(yùn)動(dòng)幅值相對(duì)較小，區(qū)域①中的擠壓力迅速減弱，區(qū)域②和區(qū)域③中的磁流變脂可能未完全屈服流動(dòng)，從而輸出較小的阻尼力，這正好滿足了動(dòng)力裝置對(duì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 磁流變脂懸置的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

2.1 測(cè)試裝置及原理

新型復(fù)合式磁流變脂懸置的各組成部件及裝配后的整體結(jié)構(gòu)如圖2（a）和圖2（b）所示。懸置的動(dòng)態(tài)測(cè)試模塊如圖2（c）所示，安裝順序?yàn)椋簩?shí)驗(yàn)機(jī)作動(dòng)器7與力傳感器1固連后通過(guò)上夾具3與懸置9的上端相連，懸置9下端通過(guò)夾具4直接與臺(tái)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。測(cè)試之前，作動(dòng)器對(duì)橡膠主簧施加一定的預(yù)載荷，使得組合式活塞頭處于密閉腔中間位置。在測(cè)試中，振動(dòng)臺(tái)控制作動(dòng)器輸出目標(biāo)激勵(lì)帶動(dòng)懸置運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的響應(yīng)應(yīng)力、位移及加速度等信號(hào)可由對(duì)應(yīng)的傳感器獲取，各傳感器經(jīng)過(guò)電荷放大后與數(shù)據(jù)采集器相連，實(shí)驗(yàn)中所用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)并行同步測(cè)試和分析，可以將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出。

圖2 新型復(fù)合式磁流變脂懸置及其動(dòng)態(tài)測(cè)試原理和現(xiàn)場(chǎng)圖

2.2 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

磁流變懸置動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣直接決定著其隔振性能的好壞，可用動(dòng)剛度Kd和等效阻尼Ceq來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。Kd和Ceq的獲取一般是通過(guò)對(duì)懸置施加正弦激勵(lì)，然后分析響應(yīng)數(shù)據(jù)得到[1-2]。實(shí)驗(yàn)中所施加的正弦激勵(lì)的頻率和振幅主要依據(jù)隔振對(duì)象動(dòng)力裝置及其所工作的環(huán)境決定。其中，動(dòng)力裝置自身工作引起的強(qiáng)迫振動(dòng)是造成振動(dòng)的主要原因，該振動(dòng)的激勵(lì)頻率通常較高，一般在30 Hz以上，但振動(dòng)幅值相對(duì)較低。另一方面，與運(yùn)載工具的應(yīng)用領(lǐng)域（如汽車或者船舶）有關(guān)，其工作的環(huán)境主要包括道路及航海等，此時(shí)懸置需要隔離來(lái)自于路面或者是海浪的振動(dòng)，該類型的激勵(lì)特點(diǎn)是頻率較低（20～30 Hz以下），但振動(dòng)幅值相對(duì)較大[3-4]。因此，為了獲取磁流變脂懸置在實(shí)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(shí)驗(yàn)研究，由于磁流變懸置的核心是動(dòng)態(tài)特性參數(shù)可通過(guò)電流改變達(dá)到實(shí)時(shí)可調(diào)，在實(shí)驗(yàn)中我們還將電流作為一個(gè)控制變量。

1）施加激振力。利用振動(dòng)臺(tái)對(duì)懸置施加激振頻率、振動(dòng)幅值不同的正弦激勵(lì)，同時(shí)控制磁流變懸置的輸入電流。其中激勵(lì)頻率分別設(shè)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(shè)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(shuō)明的是，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于頻率在高于30 Hz后拉伸機(jī)發(fā)生了劇烈抖動(dòng)與異響，為了安全起見，本次測(cè)試的最高頻率限定為30 Hz。另外，我們發(fā)現(xiàn)，高頻下很難同時(shí)達(dá)到目標(biāo)幅值，因此本次實(shí)驗(yàn)中的10 Hz以上測(cè)試全部在幅值0.5 mm下進(jìn)行，其他幅值下只進(jìn)行5 Hz以下的動(dòng)態(tài)測(cè)試。每次測(cè)試都至少循環(huán)20個(gè)周期，直至輸出力和位移等數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2）繪制響應(yīng)力隨位移變化曲線。利用傳感器所采集到的達(dá)到穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)，以位移X為橫坐標(biāo)，以響應(yīng)力F為縱坐標(biāo)，繪制如圖3所示的力-位移遲滯回線。圖中最大彈性力FT發(fā)生在懸置變形最大的X0時(shí)刻，最大阻尼力FD發(fā)生在位移為0（對(duì)應(yīng)速度最大）的時(shí)刻。

3）動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)參數(shù)Kd和Ceq的計(jì)算。根據(jù)圖3的遲滯回線，可求得懸置的動(dòng)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(biāo)軸中的最大值，作垂直于OX軸且與橢圓相切于A點(diǎn)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(shí)所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)力，可在橢圓曲線中直接讀出，N。

同理可求得等效阻尼的計(jì)算公式為

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

3 動(dòng)態(tài)性能結(jié)果分析

1）頻率對(duì)懸置動(dòng)態(tài)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(shí)新型懸置在不同電流下的動(dòng)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(nèi)等效阻尼變化。從圖4（a）和圖4（b）可以看出：動(dòng)剛度在0.5～5 Hz范圍內(nèi)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(duì)動(dòng)剛度在0.5～30 Hz以內(nèi)都存在較大影響。而對(duì)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(duì)比0 A和1 A下的動(dòng)剛度和等效阻尼，發(fā)現(xiàn)其在低頻下具有更大的可調(diào)范圍，而在高頻下快速減小。如在0.1 Hz下當(dāng)電流從0 A升高到1 A時(shí)，動(dòng)剛度從1713 kN/m升高到13 395 kN/m，可調(diào)倍數(shù)為7.8。對(duì)應(yīng)的等效阻尼也從540 kN·s/m升高到2339 kN·s/m，可調(diào)倍數(shù)為4.3。而在頻率升高到30 Hz后，對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度隨電流增加而從5133 kN/m升高到17 328 kN/m，可調(diào)倍數(shù)為3.3。等效阻尼從34.1 kN·s/m升高到40 kN·s/m，可調(diào)倍數(shù)迅速減小到1.2。

圖4 激振頻率對(duì)懸置動(dòng)態(tài)剛度和等效阻尼的影響(位移幅值為0.5 mm)

2）電流對(duì)懸置動(dòng)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(shí)新型懸置的動(dòng)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(shí)，隨著施加電流的增加，動(dòng)剛度幾乎呈線性快速增長(zhǎng)，這表明懸置在低頻區(qū)域內(nèi)具有良好的可控動(dòng)剛度。例如位移幅值為0.5 mm、頻率為5 Hz時(shí)電流從0 A升高到1 A時(shí)的動(dòng)剛度變化為74%左右，對(duì)應(yīng)的幅值為1.5 mm的動(dòng)剛度變化為77.6%左右。對(duì)比圖5（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)，位移幅值增加，最大動(dòng)剛度（對(duì)應(yīng)1 A）明顯減小。例如：在0.5 mm時(shí)，電流1 A、頻率5 Hz對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度為17 333 kN/m，而在位移幅值升高到1.5 mm后，動(dòng)剛度減小到8842 kN/m。

圖5 不同激振頻率下動(dòng)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(shí)，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(shí)，隨著電流的增長(zhǎng)，等效阻尼先快速增長(zhǎng)，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(zhǎng)顯著加快，這是因?yàn)槲灰品档纳邔?dǎo)致由擠壓產(chǎn)生的阻尼力快速增加。另外，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流從0 A增加到1 A時(shí)，在位移幅值為0.5 mm下，0.5、1.0、3.0、5.0 Hz所對(duì)應(yīng)的等效阻尼增長(zhǎng)率分別為76.9%、62.4%、24.6%和4.6%。而當(dāng)位移幅值升高到1.5 mm時(shí)，0.5、1.0、3.0、5.0 Hz所對(duì)應(yīng)的等效阻尼增長(zhǎng)率分別為53.7%、73.1%、57.8%和55.3%，表明幅值變小會(huì)使降低懸置在高頻下的等效阻尼可調(diào)范圍。

圖6 不同激振頻率下等效阻尼隨電流變化

4 結(jié)論

本文對(duì)新型磁流變脂懸置在不同工況下的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了對(duì)隔振性能有重要影響的可控阻尼和剛度特性。得到主要結(jié)論如下：新型懸置的動(dòng)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(dāng)將電流從0 A上升到1 A后，動(dòng)剛度和等效阻尼都呈現(xiàn)出不斷升高的趨勢(shì)。并且，動(dòng)剛度和等效阻尼在低頻下具有更大的可調(diào)范圍，而在高頻下可調(diào)范圍快速減小。此外，幅值的增加也會(huì)降低懸置在高頻下的等效阻尼的可調(diào)范圍。

綜上所述，由于新型懸置采用以無(wú)沉降的鋰基磁流變脂為介質(zhì)材料，且具有擠壓閥式復(fù)合結(jié)構(gòu)，使得其較傳統(tǒng)懸置不但擁有更好的穩(wěn)定性，且能夠輸出足夠大的可控阻尼。另外，新型懸置還展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，隨著線圈電流的增加，在頻率較低時(shí)，新型懸置展現(xiàn)出了良好的剛度和阻尼可控特性，可以滿足動(dòng)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(gè)較小的阻尼，這也有利于動(dòng)力裝置的高頻隔振需求。