磁流变液减振技术现状及方法研究*

2013-04-17袁杰，陈磊

机械研究与应用 2013年6期

袁杰，陈磊

(海装重庆局，重庆 400030)

1 引言

长期以来，我们对设备隔离器的研制过多着眼于常规隔振技术，研制的隔振元件大多动态特性固定，与设备组合成系统，不能随外载荷的变化进行自动调整，无法对设备振动进行分段控制，对周期激励的隔离效果较差，当激励频率在系统固有频率附近时，必然引起振动系统较大的振动响应。特别是面对大型设备重载低频振动问题，在保证稳定性时常常牺牲隔振性能，难以软硬兼得，故急需一种隔振和稳定性兼优的振动控制技术，目前快速发展的磁流变技术[1]是解决这一问题的有效途径之一。

目前世界各国舰船采取了各种各样的减振降噪措施，实质都是在设备与船体之间安装一固定特性的弹性支撑进行振动隔离，这种方式有效隔离了设备与船体间的较高频段的稳态振动传递，但实际上，船上设备振动频率很宽，一些设备的转速越来越低，且很多属于周期性激励，常规隔振系统固有频率不可能做到无限低，那样会牺牲系统的稳定性，带来安全问题，特别是大型设备。同时，设备与船体间的隔振器还应该起到保护设备的作用，船处在独特的环境中，可能遭遇到各种各样强烈的冲击，隔振器应能够吸收冲击能量使设备免于损坏。针对上述问题，迫切需要研制一种新型的隔振系统，其在隔振的同时具有较高的稳定性，能够满足船上设备隔振、减振和缓冲的要求，该系统在稳态高频段进行隔振，设备启动关机等可能发生共振的低频段进行减振，在遭遇冲击的时候进行缓冲，这意味着这种减隔振系统刚度和阻尼可控，能够根据具体工况输出适宜的刚度和阻尼。

2 国内外研究现状

2.1 国外现状

磁流变液是1948年由美国学者Jacob Rabinow首先提出[2-3]，目前是智能材料研究领域中较为活跃的一种，其凭借自身的可控特性，成为世界各国学者研究的热点，国外目前研究较多的国家主要有美国、德国、日本、白俄罗斯和韩国等，其中美国处于技术领先水平，特别在工程应用发面。

美国的lord公司在研制磁流变液及相关产品方面一直为世界所瞩目，其磁流变液年产量达到数百吨，并且自行或与其他公司合作开发了大量磁流变减隔振器件，由其制造的减隔振器、离合器等器件的数量超过10万件，预计今后每年都会以成倍的速度递增。该公司产品已在Cadillac系列轿车磁流变悬架控制系统、磁流变风扇离合器、火神系列火炮、土木工程、飞行器、直升机、微机械、智能抛光技术等民用和军用领域得到成功应用。

美国Virginia大学利用磁流变液研制了磁流变橡胶复合隔振器，具有隔振参数可调的特性，在宽频范围内具有优良的隔振效果和抗冲击性能。其研制的火炮磁流变抗后坐装置，起到良好的抗后坐效果。

美国学者已经系统研究了磁流变器件在建筑结构振动控制中的应用，建立了磁流变隔振的非线性模型，并提出基于加速度反馈的Clipped-Optimal控制策略，并针对钢框架结构进行磁流变控制的振动台试验研究，结果表明磁流变半主动控制效果比被动控制效果好得多，且控制效果总是稳定的。Aldemir仿真分析了磁流变隔振在简谐载荷、脉冲载荷、人工地震动及实际地震动的作用下对单自由度结构振动的控制效果，结果表明在这些载荷的激励下，磁流变隔振器对此结构的控制效果非常好，优于传统隔振系统。

美国Marathe、Pronota研究了磁流变技术对飞行器机翼的振动控制问题，利用磁流变器件有效解决了直升机旋转叶片由于飞行状态和气候变化而产生的振动问题。

日本SanwaTekki公司将磁流变技术用于建筑结构减震，并于2001年在日本东京国家新兴科技博物馆使用了磁流变器件用于地震反应控制，并在以后的几年里在多幢大楼安装了类似磁流变器件，取得良好的抗震效果。

美国军方长期资助磁流变技术的研究工作，具体内容严格保密，不为外界所知。目前美国AMAB公司正在为美国海军核潜艇研究水下武器发射系统磁流变液隔振器，其刚度特性在1ms之内可提高达60%左右，对外部冲击载荷有着良好的冲击隔振效果，当外部控制系统失效时，可以看作被动保护装置，有望应用于“海狼”号核潜艇武器系统，用于提高发射系统稳定性。

2.2 国内现状

重庆材料研究院是国内少数研制磁流变液的机构之一，其研制的磁流变液主要技术指标已接近国外产品水平，并提供给国内数十家机构进行器件的研究开发。同时该所也涉足磁流变器件的开发，研制的桥梁拉索抗风振阻尼器已成功用于重庆外环观音岩大桥，效果良好。

哈尔滨工程大学利用磁流变隔振器与传统钢丝绳复合隔振方式[4]对船舶减振基座进行试验研究，实验表明该减振基座系统对振动响应有较好的控制效果，特别在激振载荷幅值较大、频率较低时控制作用显著，力的传递率在低频激振条件下接近于1，在高频条件下仅为0.02，隔振效率较高。

哈尔滨工业大学开展了磁流变阻尼器在建筑物上的抗震研究，并提出了可调滞回模型，通过实验验证了变电流可调滞回模型的优越性，当输入简谐振动频率低于0.5 Hz、位移幅值大于8 mm时，限位性能较明显。

清华大学研究了磁流变复合隔振器各种理论控制模型，实验表明其采用的半主动控制策略对隔振效果有一定的改善作用。

重庆大学、西安交大等单位在国家自然科学基金支持下研制出了水下装置磁流变智能隔振器，效果良好。除隔振器外，他们开发的磁流变减振器，已通过200万振动台架试验和用于某些特种车辆的路试获理想的减振效果，并已发表多篇研究论文和获数项发明专利。

2.3 国内外情况对比

近20年美国在磁流变液和器件技术方面的授权专利约260余项，其中有关磁流变液制备技术专利约60余项，磁流变器件技术方面专利约200余项，涉及材料的悬浮相、添加剂和载液、性能评价等技术和器件的设计、传感和控制等技术，具有很强的应用针对性。中国目前相关授权发明专利仅数十项。在基础研究方面，国内磁流变流变机理、制作、装置开发、动力建模和控制策略方面取得了一定的进展，应该说和国外差距不大，但在实际应用方面差距较大。对于磁流变隔振器来说，美国已经有磁流变隔振器产品基本实现商品化，国内由于对磁流变隔振实际应用技术的理解还有欠缺，同时由于磁流变隔振技术涉及到材料、机械、力学、计算机及电子等较宽的学科专业，各专业研究人员联系不够紧密，导致国内目前磁流变隔振还处于基础研究阶段，未能在应用方面取得重大突破。但目前国内参与磁流变相关技术研发的企业已经在不断增多，有希望在未来取得重大突破。

这种隔振和稳定性能兼优的技术在西欧国家已获突破，其研发的系列低频、大位移、大承载的减隔振器系统目前对中国禁售。

3 磁流变复合减隔振器应用技术研究探讨

磁流变液是一种主要由载液、高磁导低磁滞的磁性颗粒和添加剂构成的新型智能分散体材料，它在外加磁场作用下能够在一毫秒内由流动性能良好的牛顿流体转变成具有一定屈服强度的宾汉姆体，表观粘度可以增加两个数量级以上，这种变化是连续、可逆和易于控制的。用磁流变液制作的磁流变智能隔振器件，通过部分功能成分的加入和恰当的结构设计，根据受控设备的振动状态，能够按照一定的控制规则迅速自动调整隔振器参数，改变弹性支撑的“软硬”程度和阻尼大小，对设备实行振动跟踪控制，实现良好的减振降噪效果。

3.1 研究内容

研究应用于大型设备的宽频高稳定性磁流变智能减隔振系统，包括减隔振专用磁流变液制备技术和磁流变智能复合减隔振元器件设计制造及控制技术，提高稳定性，以求进一步降低重要设备的振动噪声传递。主要包括以下几个方面。

(1) 减隔振器结构设计：针对设备振动特点、对冲击碰撞的稳定性要求，结合常规弹性材料的性能，根据全程分段控制及缓冲控制理论，设计减隔振器结构，确定惯性阻尼通道结构尺寸、控制磁场强度的分布梯度。

(2) 弹性磁流变液与常规弹性元件的匹配组合模型：研究弹性磁流变液弹性模量、磁致剪切应力与常规弹性元件刚度在并联、串联及串并联时的匹配模型，分析动态下常规弹性元件刚度、磁流变液弹性模量、流变性能对磁流变复合减隔振器输出特性的影响，为各元件参数确定提供指导。

(3) 减隔振器制造：研究弹性磁流变液与常规弹性元件材料的化学相容性，选择性能稳定的金属材料、橡胶材料作为弹性元件；模拟磁流变液在磁场作用下高速流动时对器件阻尼惯性通道的冲刷与磨损，提高通道表面抗磨性能和导磁特性；制作高效节能的可调磁场发生器。

(4) 磁流变复合减隔振器的控制策略和输出特性：大型设备磁流变减隔振系统中，存在由激振频率、激振力和能量传递率决定的不同隔振状态间相互耦合问题，单一的模糊、最优控制方式难以兼顾不同振动状态下的振动隔离，必须分析设备激励特性，研究磁流变隔振器磁路各环节的动态磁化特性与专用驱动电流源最优匹配方法，建立磁路和电源参数匹配模型，提高减隔振器响应特性，并通过理论分析得出减隔振器的输出特性。

(5) 磁流变复合减隔振器可靠性：研究磁流变液耐久性、常规弹性元件耐振性与器件耐振性的关系，改善磁流变液耐温、耐蚀抗磨性能，选择耐振性能优良的常规弹性元件，提高磁流变复合减隔振器的耐振性能。提高磁流变液分散性能，结合在结构上设计专门机构，解决减隔振器在长期静置条件下输出特性的恢复性问题。

3.2 技术方法研究

3.2.1磁流变材料制备

(1) 悬浮相[6]：采用成熟的热解法和化学共沉积法工艺，利用大功率喷雾粉体材料制备设备制备大颗粒单质Fe粉，利用电磁搅拌式恒温反应器、高压釜反应器、高速离心分离机等设备制备超细Fe3O4粉体，并用自制设备对粉体表面进行渗氮和镀镍处理。采用HH-15振动磁强计测试粉体的比饱和磁化强度(δs)、矫顽力(Hc)，利用激光粒径测定仪、激光粒度分析仪测试粉体粒度分布，利用JCXA-733型电子探针、扫描电镜、等设备分析粉体表面显微结构和热稳定性能。

(2) 添加剂与悬浮介质：根据胶体及表面物理化学原理，利用Zeta电位电泳躺度分析仪Nano ZS90等仪器研究分析表面活性剂、偶联剂及触变剂与悬浮相、悬浮介质的亲和性能，对悬浮相、悬浮介质进行两亲性和结构化处理。

(3) 分散体工艺：采用高速机械分散球磨方法及基液置换方法制备磁流变材料分散体。采用有机硼、磷化物在线表面强化方法强化颗粒表面耐磨性能，加入有机润滑剂改善磁流变材料的润滑性能。用四球摩擦试验机、液压油抗磨损试验机等研究磁场下磁流变液润滑性能。

(4) 弹性微球复合：采用反相悬浮聚合原理，选择适宜的单体、引发剂、交联剂、分散剂制备弹性微球，通过分析液压油弹性微球混合介质的弹性模量来考核弹性微球弹性特性，采用液压油抗磨损试验机测试微球抗磨性能，以此为指导确定弹性微球与磁流变液复合工艺中的分散的方式、时间和强度。通过测试磁流变液弹性微球混合介质的耐温性能、部分介质弹性模量来考核弹性微球的耐温性能和分散性能，测试混合介质混合前后的粘度增加值来考核弹性微球的流动性能。测试含不同数量、直径弹性微球磁流变液的弹性模量来考核的之间关系。

3.2.2磁流变复合隔振器应用技术

(1) 减隔振器结构设计：根据磁流变液的屈服特性、阻尼特性，设计减隔振器为双弹性容器形式，容器间为阻尼惯性通道，弹性容器作用类似于弹簧。通过外加磁场可控制磁流变液在两容器之间的屈服特性和流动阻尼特性，从而实时改变减隔振器阻尼和刚度。弹性容器的使用避免了液体密封的泄漏问题。对设备进行振动动力学分析，选定各控制段频率范围，分析最优控制下的刚度、阻尼组合，确定减隔振器基本结构尺寸。根据设备抗冲击要求，分析各冲击下的最优刚度、阻尼组合，确定阻尼惯性通道内的磁场结构分布。

(2) 弹性磁流变液与常规弹性元件的匹配组合模型：测试不同弹性模量、磁致剪切应力的磁流变液与具有不同刚度的常规弹性元件在并联、串联及串并联时的系统刚度、阻尼，并建立相应关系模型。测试不同组合形式、不同常规弹性元件刚度、不同磁流变液刚度、阻尼时的磁流变复合减隔振器动态输出特性，建立相应关系模型。利用非牛顿流体力学原理，建立基于环状流动分析的流动控制方程，采用新型磁流变液的艾林本构关系和边界条件，得出磁流变液流动速度分布，利用流体力学连续性原理和数值方法得出磁流变隔振器的理论输出。

(3) 磁流变复合减隔振器制造：研究磁流变材料与容器弹性元件材料的化学相容性，选择性能稳定的金属弹簧、金属波纹管作为弹性元件；针对磁流变液在磁场作用下高速流动对器件控制通道的冲刷与磨损的特征采用静电热喷涂方法提高通道表面抗磨性能，喷涂后对通道进行真空热处理，以提高控制通道导磁特性。利用励磁线圈的正向和反向电流产生的磁场与永磁体的磁场叠加原理[7]，设计制作磁场发生器，能够有效降低减隔振器控制系统的能耗。

(4) 磁流变复合减隔振器控制策略与输出特性：分析设备激励特性，借助不依赖于精确模型的多状态控制方法，针对各状态下振动控制目标，分别采取比例控制、模糊控制和保持控制策略。利用磁路软磁材料的磁化特性、磁流变液的磁化特性和磁场中有限元方法，建立磁流变减隔振器磁路模型。利用减隔振器检测设备的激励条件、高速数据采集系统及动态响应特性好的加速度传感器辨识隔振器的运行工况和响应特性。

3.2.3磁流变复合隔振器件可靠性

添加有机钼类润滑剂、颗粒表面改性改善磁流变液耐温、耐蚀抗磨性能。利用添加剂技术、分散技术提高磁流变液分散性能。在磁流变减隔振器中设计永磁机构改善磁流变材料的分散性能，从而改善磁流变隔振器的可控输出特性[8]。在磁流变减隔振器中

设计扰动机构，利用机械扰动作用改善磁流变材料二次悬浮性能，进一步提高磁流变减震系统的可靠性。