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《磁性材料及器件雜志》2016年第二期

摘要：

為了掌握影響某新型固定閥式磁流變阻尼器輸出阻尼力的因素，利用ANSYS軟件，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)磁流變阻尼器進(jìn)行建模，并進(jìn)行了靜磁場(chǎng)分析，得到了磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖及磁力線分布。分析結(jié)果顯示，對(duì)于固定閥式磁流變阻尼器，線圈匝數(shù)、勵(lì)磁電流強(qiáng)度、工作間隙、圓環(huán)盤內(nèi)徑、圓齒盤齒根半徑、缸體磁流變液流道寬度都會(huì)影響阻尼器輸出阻尼力。六個(gè)參數(shù)中，線圈匝數(shù)、勵(lì)磁電流強(qiáng)度的影響較大，其余四個(gè)參數(shù)的影響較小。研究結(jié)果對(duì)固定閥式磁流變阻尼器初始設(shè)計(jì)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：

固定閥式磁流變阻尼器；磁路分析；輸出阻尼力；ANSYS

1引言

磁流變阻尼器是一種可以根據(jù)工況改變輸出阻尼力的阻尼可調(diào)減震器，由于其具有響應(yīng)速度快、輸出阻尼力大、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用于橋梁、建筑、車輛和軍事領(lǐng)域。目前普遍使用的剪切閥式磁流變阻尼器存在線圈易過(guò)熱、磁場(chǎng)利用效率低等問(wèn)題，為解決這些問(wèn)題，出現(xiàn)了一種新型結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼器[1]，這種磁流變阻尼器采用固定閥式結(jié)構(gòu)，線圈與活塞分離，直接與阻尼器筒壁接觸，有效解決了線圈易過(guò)熱的問(wèn)題。采用固定閥式結(jié)構(gòu)，也延長(zhǎng)了磁流變液在磁場(chǎng)中的有效流動(dòng)時(shí)間，提高了磁場(chǎng)利用效率。目前，對(duì)于剪切閥式磁流變阻尼器磁路的設(shè)計(jì)及分析研究較多[1-5]，而對(duì)于固定式磁流變阻尼器磁路的設(shè)計(jì)卻鮮有研究，而固定閥式磁流變阻尼器有諸多優(yōu)點(diǎn)，所以通過(guò)開展固定閥式磁流變阻尼器磁路的分析研究，來(lái)指導(dǎo)該類磁流變阻尼器的初始設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。本文將對(duì)這種新型磁流變阻尼器的磁路進(jìn)行分析。

2結(jié)構(gòu)

圖1是剪切閥式磁流變阻尼器磁路示意圖，該結(jié)構(gòu)主要由活塞、缸筒、線圈組成，由活塞和缸筒形成工作間隙，線圈安裝在活塞上。當(dāng)活塞在外力作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁流變液受到擠壓而進(jìn)入間隙，由于線圈通電產(chǎn)生工作磁場(chǎng)，磁流變液在流過(guò)間隙時(shí)發(fā)生磁流變效應(yīng)而產(chǎn)生阻尼力，控制線圈電流大小就可以控制阻尼力。剪切閥式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，一是可以有效減小阻尼器的軸向長(zhǎng)度，更適合在有限空間安裝；二是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便。同時(shí)缺點(diǎn)也很突出：一是線圈散熱差，主要是因?yàn)榕c線圈直接接觸的是磁流變液，而磁流變液也在不斷運(yùn)動(dòng)中，本身就會(huì)產(chǎn)生熱量；二是控制導(dǎo)線布置困難，線圈纏繞在活塞上，需要在活塞和活塞桿上留有導(dǎo)線孔，在高壓條件下，密封困難，磁流變液容易沿導(dǎo)線泄露。圖2是新型固定閥式磁流變阻尼器磁路示意圖，該結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)筒、外筒、線圈、齒形圓盤、環(huán)形圓盤以及間隙環(huán)組成，由齒形圓盤和環(huán)形圓盤形成工作間隙，線圈纏繞在內(nèi)筒上。其工作原理和剪切閥式相同，都是磁流變液受到擠壓進(jìn)入工作間隙，受到磁場(chǎng)作用而發(fā)生磁流變效應(yīng)而產(chǎn)生阻尼力。這種結(jié)構(gòu)與剪切閥式的區(qū)別在于：一是線圈與活塞分立，且直接與外筒接觸，線圈散熱更好；二是采用齒形和環(huán)形圓盤結(jié)構(gòu)的間隙有效延長(zhǎng)了磁流變液在磁場(chǎng)中的有效流動(dòng)時(shí)間，理論上可以產(chǎn)生更大的輸出阻尼力。

3磁路模型

目前，對(duì)于磁流變阻尼器的磁場(chǎng)分析，主要有簡(jiǎn)化磁路法和有限元法兩種[2]。由于簡(jiǎn)化磁路法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況出入較大，適用于初步估算，在精確設(shè)計(jì)時(shí)，一般還是采用有限元法。新型磁流變阻尼器為一個(gè)上下、左右對(duì)稱的模型，因此在分析中選取模型的1/2作為分析的對(duì)象。為了提高磁場(chǎng)利用率，減小漏磁，要特別注意材料的選取。磁力線經(jīng)過(guò)內(nèi)、外筒時(shí)，會(huì)向徑向漏磁，所以內(nèi)外筒要選用不易導(dǎo)磁的材料。為了使磁力線盡可能垂直穿過(guò)平行的環(huán)形縫隙，缸體材料和圓環(huán)、圓齒盤也要選取導(dǎo)磁性好的材料。有限元分析的幾個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是：線圈匝數(shù)、勵(lì)磁電流強(qiáng)度、工作間隙、圓環(huán)盤內(nèi)徑、圓齒盤齒根半徑、缸體磁流變液流道寬度。磁感應(yīng)強(qiáng)度是影響可控阻尼器的關(guān)鍵參數(shù)，所以本文把工作間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度作為目標(biāo)，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)其影響。

4有限元分析

應(yīng)用ANSYS軟件，以表1給出的參數(shù)作為結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。根據(jù)不同部位磁導(dǎo)率要求，設(shè)置缸體相對(duì)磁導(dǎo)率為400；圓環(huán)、圓齒盤相對(duì)磁導(dǎo)率為2000；線圈相對(duì)磁導(dǎo)率為1；內(nèi)筒相對(duì)磁導(dǎo)率為1，外筒相對(duì)磁導(dǎo)率為600；磁流變液相對(duì)磁導(dǎo)率為10。選取單元PLANE13。然后經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，如圖4所示、邊界條件設(shè)定和勵(lì)磁加載以及求解。最后得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖和磁力線分布圖分別如圖5、圖6所示。磁力線分布顯示，間隙處磁力線均勻分布，磁流變液在阻尼通道內(nèi)的流動(dòng)方向和磁場(chǎng)保持垂直，并且由于增長(zhǎng)了磁流變液在阻尼通道內(nèi)的流動(dòng)距離，所以大大提高了磁場(chǎng)的利用效率。保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，只改變某一個(gè)參數(shù)，對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響分析如下：(1)當(dāng)增加線圈匝數(shù)，其他參數(shù)不變時(shí)，在結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況相似，當(dāng)線圈匝數(shù)在800的基礎(chǔ)上增加100匝后(結(jié)構(gòu)2)，阻尼通道上的磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，27根模擬磁力線中有15條垂直穿過(guò)平行圓盤。本文中增加線圈匝數(shù)的過(guò)程中忽略了線圈截面積的變化，當(dāng)線圈匝數(shù)增加時(shí)，線圈截面積變大，施加給線圈的電流密度同時(shí)減小，會(huì)使實(shí)際的磁感應(yīng)強(qiáng)度變小。(2)當(dāng)電流強(qiáng)度增加為2A(結(jié)構(gòu)3)，其他參數(shù)不變，各處磁感應(yīng)強(qiáng)度變?yōu)樵瓉?lái)2倍。提高電流強(qiáng)度能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)強(qiáng)度，線圈通電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，同時(shí)通電銅導(dǎo)線具有安全電流，所以通電電流不宜過(guò)大。(3)當(dāng)工作間隙變化為3mm時(shí)(結(jié)構(gòu)4)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，但是平行間隙的感應(yīng)強(qiáng)度顯著減小，各間隙減小幅度相同，一般工作間隙設(shè)計(jì)寬度為1～2mm。(4)當(dāng)圓環(huán)盤內(nèi)徑變化為6mm時(shí)(結(jié)構(gòu)5)，平行間隙中的磁感應(yīng)分布發(fā)生變化，在第二、三間隙內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯減弱，第一、四間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)。增加圓環(huán)盤內(nèi)徑會(huì)使間隙中磁場(chǎng)分布不均勻，磁流變液在間隙中流速不穩(wěn)定，影響磁流變阻尼器的力學(xué)性能。(5)當(dāng)圓齒齒根半徑增大為20mm時(shí)(結(jié)構(gòu)6)，間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，且分布較為均勻。增加圓齒齒根半徑能有效增加間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并且不改變磁場(chǎng)在間隙中的分布情況。設(shè)計(jì)中，齒根半徑不宜太大，太大會(huì)阻礙磁流變液的流動(dòng)，造成內(nèi)部壓力增大，增加材料的負(fù)荷。在滿足壓力條件的情況下，可盡可能增加齒根半徑來(lái)提高間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度。(6)當(dāng)增大流道寬度為8mm時(shí)(結(jié)構(gòu)7)，間隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，第一、四間隙中，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化較小，而二、三間隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著減小，同樣使磁流變液在間隙中的流速不均勻，影響磁流變阻尼器的力學(xué)性能。在設(shè)計(jì)中，缸體磁流變液流道不宜過(guò)大，在滿足流速要求的情況下，盡量減小其尺寸。

5結(jié)論

(1)增加線圈匝數(shù)、勵(lì)磁電流強(qiáng)度、圓齒盤齒根半徑、缸體磁流變液流道寬度能有效提高磁場(chǎng)強(qiáng)度，并且磁場(chǎng)在間隙各處均勻分布；(2)增加圓環(huán)盤內(nèi)徑、缸體磁流變液流道會(huì)使間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，但各間隙變化不均勻；(3)增加工作間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，且各間隙變化相同。所以，在進(jìn)行平行盤式磁流變阻尼器的初始設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足其他條件的同時(shí)，應(yīng)該提高線圈匝數(shù)、勵(lì)磁電流強(qiáng)度、圓齒盤齒根半徑、缸體磁流變液流道寬度，來(lái)提高間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而提升平行盤式磁流變阻尼器的輸出阻尼力。

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作者：王佑君 向書迪 朱海濤 姚凱 趙曉文 單位：第二炮兵工程大學(xué) 機(jī)械教研室 解放軍濟(jì)南軍事代表室 總后勤部建筑工程研究所