磁性液体阻尼器的实验研究与分析

发布时间：2020-04-01

　　摘要：基于实验以及ADAMS软件仿真，研究了磁性液体阻尼器的阻尼力变化情况，分析了影响阻尼力大小的各个因素。通过3组对比实验，分别分析了磁场方向与磁感应强度，活塞通道的间隙与长度，以及磁性液体的流动模式对阻尼力的影响。提出了各影响因素对阻尼力大小的作用规律，可为磁性液体阻尼器的设计和控制策略的确定提供理论参考。

　　关键词：磁性液体;阻尼器;实验研究;磁流变效应;磁感应强度

　　磁性液体由磁性微粒、基载液和表面活性剂(稳定剂)组成，在磁场作用下会产生磁流变效应J。1948年，美国学者Rabinow。j.发明了磁性液体，但是随后一段时间并未受到人们的关注，直到20世纪90年代初期人们才开始不断研究，并取得了相当大的成就，解决了磁性液体的制备、沉降与凝聚稳定等问题。目前，已制备有铁、镍、锰及铁氧体作为磁性微粒的各种磁性液体，并投入商用。而在磁性液体的应用方面，阻尼减振器件是一个非常重要的研究对象，很多科研院所已投入其中，研究出的典型产品有汽车座椅悬架阻尼器、建筑结构阻尼减振器、直升机旋翼阻尼器、火炮后座阻尼器等[2I。还有更多的产品处于研发阶段，以满足实际需求。

　　1磁性液体阻尼器实验设计

　　为了明确阻尼力的各影响因素，采用的实验原理模型如图1所示。利用电机产生正弦激励带动悬臂梁上下振动，磁性液体阻尼器安装在悬臂梁的端头，阻尼器活塞杆上安装有位移传感器和加速度传感器，通过控制器和显示器把信号显示出来。同时为了方便实验，在阻尼器外部设置有一对磁铁，来产生固定的磁场对磁性液体作用。

　　首先进行第一组实验，通过电机产生稳定的正弦振动激励，频率不变，磁感应强度不变，阻尼器固定不动，而将磁铁在图1所示平面内按顺时针方向分别旋转45。和90。，分析不同方向的磁感应强度对阻尼力大小的影响，通过观察悬臂梁的振动情况，得到其振幅和加速度曲线如图2所示。

　　从图2中可以看出，虽然输入激励为正弦振动，但振幅曲线和加速度曲线却发生了变化。3种情况下，磁感应线垂直于活塞杆时振幅最小，加速度也最小;成45。角时，振幅和加速度处于居中位置;平行于活塞杆时振幅和加速度均最大。这说明，垂直时活塞所受到的阻尼力最大，45。角时次之，平行时最小。从磁性液体本身的结构也可看出，在磁场作用下，磁性液体中磁性粒子极化后会沿磁感应线方向有序排列，形成一种固定的链状结构[3l，如图3所示。而活塞要通过破坏这种链状结构来进行移动，因此必须产生足够的剪切应力使磁性液体屈服，这种剪切应力即为活塞阻尼力的组成部分。

　　第二组实验通过活塞长度和间隙的不同来比较阻尼力的大小，实验准备了3个不同的活塞，截面如图4中a、b、C所示。3个活塞中有2个通道为圆孔形，一个为扁平窄缝形，通道截面积均相同，其中1个圆形通道活塞厚度为20mm，其余2个为10mm。分别将这3个不同活塞进行实验，振动激励和磁感应强度、方向均相同，观察其振幅和加速度响应情况。其响应曲线如图5所示。从这两图中可以看出，图4(a)所示活塞的振幅和加速度最大，而图4(b)和图4(C)所示活塞的振幅和加速度比较接近，由此可说明通过加大通道的长度及减小通道缝隙均可使其阻尼力增加，这与文献[2]中推导出来的结果相吻合。

　　第三组实验只做一个，活塞截面如图4(d)所示，将其与图4中(a)进行比较。在本实验中，磁性液体的工作模式发生了变化，一组和二组实验都是在压力驱动模式下工作，而第三组实验是在剪切模式下工作，此时阻尼通道由活塞和筒壁组成，且相对运动，由实验结果得出，在同等条件下，此模式的阻尼力要小些。由于筒壁固定不动，产生阻尼的面积比压力驱动模式要小，故阻尼力小。

　　2结果分析

　　从第一组实验可以看出，磁性液体在磁场作用下，不同方向上的屈服剪切应力不相同，表现为各向异性，这就必须了解磁性液体的磁流变效应。目前磁流变效应产生的机理还没有被人们普遍接受的物理解释，其中比较有代表性的有2个：相变理论和场致偶极矩理论。

　　相变理论认为，当外加磁场增加到一定程度后，分散相(磁极化粒子)被极化，同时受热运动和磁场的共同作用，某些粒子相互靠近，形成有序排列，随着磁感应强度的增加，有序相相连成链，最后以长链为中心吸收短链，形成固态相。而场致偶极矩理论认为，在外加磁场作用下，每个磁极化粒子都磁化为磁偶极子，各个偶极子之间相互吸引成链，磁流变效应的强弱与偶极子链之间的作用力大小有关[4l。

　　就载体液(连续相)而言，在外加磁场作用下同样会发生极化现象，特别是有些极性载体液更易发生极化，其分子运动会做某种定向排列，载体液中的离子在磁极表面附近聚集，这种磁粘现象增加了磁性液体流动的阻力。根据实验结果，笔者认为磁性液体的极化过程更接近场致偶极矩理论所描述的过程，在极化过程中，链内临近的偶极子之间的相互吸引力比链外临近的偶极子之间的吸引力大，这样就使得要切断两条链比使两条链分开更难。

　　根据流体力学原理，在外加磁场作用下，磁性液体表现为Bingham流体，本文所设计阻尼器的活塞通道为轴对称结构，其本构关系可用文献[2]中方程式表示：

　　式中：r是磁性液体的剪切应力;r是与磁感应强度有关的临界剪切屈服应力;是磁性液体的塑性粘度;U是磁性液体的流动速度;r-是径向坐标。

　　本文将磁性液体的剪切应力近似认为沿阻尼间隙线性分布，靠近筒壁和活塞的剪切应力最大，中间对称面上的剪切应力最小。当活塞两端的压力差逐渐增大时，中问对称面上的磁性液体先开始屈服流动，当压力差增大到其产生的剪切应力大于筒壁和活塞附近磁性液体的临界剪切屈服应力时，此时这里的磁性液体也开始屈服流动，但是中间对称面上的磁性液体则变为刚性流动，处于同体状态，如图6所示。

　　磁性液体阻尼器的实验研究与分析相关期刊推荐：《中国制造业信息化》(月刊)创刊于1964年，是中华人民共和国科学技术部主管，科学技术部中国生产力促进中心协会主办，大型科技半月刊。杂志面向政府高管及各级政府信息化主管领导，信息产业科研、生产、流通、运营、服务等领域的管理人员、研发人员、营销人员;应用信息技术和产品的各行业企事业单位的管理、技术、营销和采购等部门的人员;关注中国制造业信息化发展的国内外各界人士。

　　3结论

　　通过上述实验可知，改变磁感应强度方向、活塞通道长度与截面积以及流动模式均可以达到改变阻尼力的目的，其中改变方向可以较明显地改变阻尼力的大小，改变通道长度和截面积也可以改变阻尼力，从实验得知，增加一倍长度与减小一半截面积所得结果较接近，这2种方式适合进行较大范围阻尼力的粗调，而改变流动模式与第2组比较，结果稍弱，阻尼力改变比较平缓，较适合用于需要细微调节阻尼力大小的场合。

　　在上述实验中，通过对阻尼器活塞的结构设计，可以得到不同大小的阻尼力。对于在阻尼力需求不同的场合，可根据上述方程组进行计算，对阻尼器活塞通道的长度、截面积、位置以及磁感应方向进行综合设计，然后通过调节磁感应强度的大小来得到所需要的阻尼力。因此，通过上述实验可以了解影响磁性液体阻尼器阻尼力大小的结构因素，为阻尼器的设计提供了有效的实验依据。