剪切閥式磁流變減震器磁路分析范文

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《液壓與氣動雜志》2015年第十一期

摘要:

針對剪切閥式磁流變減震器，設(shè)計(jì)出了不同的磁路結(jié)構(gòu)，其中磁路分級和電流方向是影響減震器磁場利用率、阻尼出力和調(diào)節(jié)范圍的重要因素。為了得到這兩個(gè)因素對減震器的綜合影響結(jié)果，設(shè)計(jì)了幾種不同的剪切閥式磁流變減震器模型，對其進(jìn)行了磁路分析，比較了以上兩個(gè)因素對磁場利用率的影響，并通過ANSYS軟件仿真，驗(yàn)證了理論分析結(jié)論，得到了在相同加載電流和尺寸條件下基于磁場利用率的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。通過進(jìn)一步建模分析，得到了基于不同阻尼出力和結(jié)構(gòu)尺寸綜合指標(biāo)下的最優(yōu)磁路方案。

關(guān)鍵詞:

磁流變減震器;磁路分析;ANSYS

磁流變液作為一種新型智能材料，其黏度系數(shù)能夠隨著磁場的變化而變化，而且反應(yīng)時(shí)間一般在毫秒級［1－4］。基于此特性，磁流變減震器具有穩(wěn)定性強(qiáng)和阻尼力連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，正在成為振動控制工程中新一代的控制元件研究熱點(diǎn)［5］。其中，磁路設(shè)計(jì)一直以來都是減震器結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)方向之一，但是究竟什么樣的磁路結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到針對某性能指標(biāo)的最優(yōu)效果，需要進(jìn)行在相同工況條件下的對比研究。如果在完成了單級、雙級和三級剪切閥式磁流變減震器的磁路對比之后，得到在磁利用率、阻尼出力及其調(diào)節(jié)范圍等方面的較優(yōu)結(jié)構(gòu)，就可以為減震器的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供具體的指導(dǎo)方向。

1磁路理論分析

1．1確定結(jié)構(gòu)及基本尺寸剪切閥式磁流變減震器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用Bing-ham平板模型，忽略阻尼力的閥式分量，磁芯半徑r、阻尼通道厚度h和活塞有效長度L是影響阻尼力和磁場飽和的重要參數(shù)，根據(jù)李忠獻(xiàn)等人完成的磁路飽和分析，分別取磁芯半徑r=11mm、h=1mm、L=40mm、活塞直徑D=38mm［8］;電流I的調(diào)節(jié)范圍一般為0～2A，線圈長度L1、深度h1、隔磁材料厚度h3、外筒厚度h2根據(jù)減震器整體尺寸適當(dāng)選取，初步確定尺寸如表1所示。按照圖1和表1的結(jié)構(gòu)與尺寸要求，分別確定單級、雙級和三級剪切閥式磁流變減震器的結(jié)構(gòu)模型，如圖2～圖4所示。表1中列出的所有結(jié)構(gòu)尺寸在三種減震器中完全相同，僅把線圈長度分為:18mm、2×9mm、3×6mm。

1．2磁路矢量圖一般磁流變減震器的電流設(shè)計(jì)范圍為0～2A，考慮到上一階段所確定的基本尺寸偏小并為下一階段的電流調(diào)整預(yù)留一定空間，設(shè)定三種線圈的加載電流均為I=0．5A，線圈總匝數(shù)為N=360匝，保證每個(gè)線圈區(qū)域內(nèi)的電流密度相同。單級磁路結(jié)構(gòu)簡單，電流方向?qū)Υ怕贩植紵o影響，但是雙級和三級線圈中每部分電流的方向設(shè)定會對阻尼通道中磁路分布產(chǎn)生很大的影響，從而影響整體的磁場利用率，最終對減震器的阻尼出力和可調(diào)系數(shù)產(chǎn)生重大影響。三種線圈電流加載磁路分析圖如圖5～圖9所示，其中粗實(shí)線代表B、D線圈產(chǎn)生的磁場，虛線代表C、E線圈產(chǎn)生的磁場，細(xì)實(shí)線代表F線圈產(chǎn)生的磁場。

1．3磁路分析如圖5～圖9所示，線圈被平均分為A、B(C)、D(E和F)三個(gè)等級，其理論強(qiáng)度關(guān)系為IA=2，IB=2，IC=3，ID=3，IE=3，IF，A線圈在1、3處產(chǎn)生的磁場為BA1、BA3，以此類推得到其他線圈在阻尼通道不同位置產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度表示符號;B1～B5依次表示單級、雙級反向、雙級同向、三級同向和三級反向磁路阻尼通道中的總磁場強(qiáng)度。(1)圖5單級磁路:B1=BA1+BA3;(2)圖6雙級反向磁路:兩線圈在4、6處產(chǎn)生的磁場方向如圖6所示，由于磁場強(qiáng)度隨著空間距離和阻尼通道的增大逐漸減弱。

2磁路仿真驗(yàn)證

2．1磁路仿真按照規(guī)定的尺寸和電流強(qiáng)度，分別得到單級、雙級反向、雙級同向、三級同向和三級反向磁路阻尼通道磁場強(qiáng)度分布曲線［9］，如圖10～圖14所示。由磁場強(qiáng)度仿真曲線分別計(jì)算出每一種磁路阻尼通道中的磁場強(qiáng)度積分值和磁場強(qiáng)度平均值，如表2所示。

2．2磁場分布比較驗(yàn)證由圖10～圖14可知，五種磁路的理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果相一致:單級線圈磁場集中在線圈兩側(cè)1、2處，雙級反向線圈磁場在5處相互疊加，其強(qiáng)度比兩側(cè)4、6處磁場強(qiáng)度大約高出兩倍;雙級同向線圈8處磁場強(qiáng)度方向相反且強(qiáng)度相同，相互抵消，強(qiáng)度基本為0T;三級同向線圈，10、13處磁場相互疊加，總磁場強(qiáng)度最強(qiáng)，11、12部分磁場相互抵消，強(qiáng)度相對較弱;三級反向線圈，14～17四處磁場情況相同，強(qiáng)度相當(dāng);由表2可以看出，總磁場強(qiáng)度從大到小依次為:單級、三級同向、雙級同向、雙級反向、三級反向，驗(yàn)證了磁路理論分析中在磁場利用率方面單級優(yōu)于雙級和三級，同向磁路優(yōu)于同級反向磁路的結(jié)論。

3磁場曲線分析

在上一階段得到了磁場利用率方面的較優(yōu)磁路結(jié)構(gòu)，但減震器最重要的性能指標(biāo)為阻尼出力和調(diào)節(jié)范圍，磁流變液飽和磁場強(qiáng)度大約為0．5T，導(dǎo)磁材料的飽和磁場強(qiáng)度約為0．5T。以上仿真都是在I=0．5A的情況下進(jìn)行，磁場強(qiáng)度相對較小，阻尼出力小，當(dāng)需要較大阻尼出力時(shí)，必須相應(yīng)調(diào)高加載電流，對于磁場強(qiáng)度分布較為集中的單級、雙級同向和三級同向磁路，就會在磁場集中地區(qū)大大超過飽和上限，產(chǎn)生無效磁場，而其他區(qū)域磁場強(qiáng)度仍為0。為此，進(jìn)行不同加載電流和阻尼通道間隙條件下的磁場仿真研究，以三級正向和三級反向線圈為研究對象，阻尼通道間隙取值為1mm和2mm，電流取值以0．2A為間隔，從0開始增加，到阻尼通道或者導(dǎo)磁材料中出現(xiàn)磁場飽和現(xiàn)象為止，仿真結(jié)果如圖15所示。由圖15可得:同向磁路在相同加載電流的情況下可以獲得較大磁場，其磁場利用率高，但磁場分布高度集中，通道兩側(cè)有效區(qū)域在電流為0．5A時(shí)已達(dá)到飽和最值0．5T，電流調(diào)整空間0～0．5A，調(diào)整范圍小，阻尼出力小;反向磁路磁場強(qiáng)度隨著電流的增加緩慢增強(qiáng)，在加載電流分別達(dá)到1．4A和3A時(shí)，阻尼通道達(dá)到飽和極值0．5T，雖然磁場利用率有所下降，但由于磁場分布均勻，變化曲線平緩、磁流變液和導(dǎo)磁材料都不易達(dá)到飽和，電流調(diào)整范圍大，磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍大且變化均勻穩(wěn)定，有利于較大阻尼力減震器的平穩(wěn)有效控制。

4結(jié)論

本研究以磁場利用率、阻尼出力及其調(diào)節(jié)范圍為指標(biāo)，理論分析了單級、雙級和三級等磁路結(jié)構(gòu)，并用ANSYS軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，研究表明:(1)在基本尺寸和總負(fù)載電流相同的情況下，在磁場利用率方面單級磁路明顯優(yōu)于雙級和三級磁路，多級同向磁路優(yōu)于同級反向磁路;(2)多級同向磁路結(jié)構(gòu)雖然在磁利用率方面高于同級反向磁路結(jié)構(gòu)，但是磁場過于集中，在電流增大的情況下，磁場強(qiáng)度迅速達(dá)到飽和，電流調(diào)整空間有限，阻尼力出力小，調(diào)節(jié)范圍小，不適合在大尺寸、大出力要求下實(shí)際應(yīng)用;(3)當(dāng)減震器要求的阻尼出力和尺寸較小時(shí)，建議采用結(jié)構(gòu)簡單，能耗低，磁場利用率較高的單級磁路結(jié)構(gòu);當(dāng)減震器的阻尼出力和尺寸要求較大時(shí)，建議采用三級反向磁路結(jié)構(gòu)。

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作者：田靜 倪衛(wèi)國 祝世興 單位：中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院