CN106641081A - 具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器及去沉聚的方法 - Google Patents

具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器及去沉聚的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁流变阻尼器，尤其是一种具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器及去沉聚的方法。具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器，包括弹性元件安装盘(2)、活塞杆(3)、前端盖(4)、缸筒(5)、活塞(6)、后端盖(7)、活塞杆罩(8)和磁芯(13)；活塞(6)为中空，具有密闭空间，磁芯(13)置于该密闭空间内；磁芯(13)包括电枢铁芯(14)和励磁线圈(15)，电枢铁芯(14)包括多个叠加固接的硅钢片，每个硅钢片均开有偶数道梨形槽；磁流变液注入缸筒(5)内。本发明能够实现磁流变液软性沉降基的快速均匀混合，可简化磁流变阻尼器内的附加机械结构，降低阻尼器对磁流变液的要求。

Description

具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器及去沉聚的方法
技术领域
本发明涉及一种磁流变阻尼器，尤其是一种具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器及去沉聚的方法。
背景技术
磁流变液是一种应用广泛、性能优良的智能材料，以其具有屈服强度高，阻尼调幅宽，响应速度快，稳定性好，能耗低等优点，成为桥梁、建筑、车辆、机械等各工程领域的研究热点。磁流变阻尼器(Magnetorheological Damper，MRD)是磁流变液工程应用的重要领域，根据磁流变液在磁场作用下的磁流变效应，即外加磁场作用下，磁流变液可以在固体与液态之间进行毫秒级快速可逆转化，其粘度保持连续变化，实现实时主动控制，从而实现对装置进行减振的目的。
由于磁流变液(Magnetorheological Fluid,MRF)易发生沉降而失去预期对磁场强度的本构特性响应，从而导致MRF装置丧失正常使用性能。解决MRF沉降问题的方法大体可分为两类，即增强MRF稳定性和去沉聚。目前，针对增强MRF稳定性的方法无法从根本上解决沉降问题，并且大多会削弱MRF在磁场下的屈服强度，从而导致MRF无法发挥其最佳特性。去沉聚则是在MRF沉降已发生后，将聚集的微小颗粒再分散。去沉聚方法分为主动去沉聚方法和被动去沉聚方法。被动去沉聚方法是指MRF装置通过附加特定机械结构等，在装置开始工作时，利用其自身往复运动来加速微小颗粒再分散过程，但此方法势必会对MRF装置启动时的正常工作状态有不利影响，并且在装置工作开始一段时间后才生效，这一限制不仅会影响MRF装置启动时的工作状态，甚至可能发生严重安全事故。主动去沉聚方法是指不依靠MRF装置本身的工作运动来辅助加速MRF沉降微粒再分散的一种去沉聚方法，时间上发生在MRF装置工作开始前。由于主动去沉聚过程不依赖装置本身的工作过程，因此此类方法更为可靠、迅捷。本发明即为一种利用交变磁场实现MRF的电磁主动去沉聚方法。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器，有利于解决磁流变液的沉降问题，提高磁流变阻尼器的可靠性和安全性。
本发明的另一目的在于提出一种使用具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器去沉聚的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器，包括弹性元件安装盘2、活塞杆3、前端盖4、缸筒5、活塞6、后端盖7、活塞杆罩8和磁芯13；
缸筒5是空心圆柱体，缸筒5内腔中滑动安装有活塞6，缸筒5两端分别与前端盖4和后端盖7密闭连接；
缸筒5内壁上设置冷却槽；
活塞杆3包括前段杆体和后段杆体，活塞杆3通过缸筒5从前端盖4、后端盖7伸出，前段杆体的前端具有内螺纹，弹性元件安装盘2套接在前段杆体的前端，外螺纹耳环1与前段杆体螺纹连接；后段杆体伸出后端盖7，活塞杆罩8与缸筒5和后端盖7连接，内螺纹耳环9与活塞杆罩8后端螺纹连接；
活塞6为中空，具有密闭空间，磁芯13置于该密闭空间内；
磁芯13包括电枢铁芯14和励磁线圈15，其中，电枢铁芯14包括多个叠加固接的硅钢片，每个硅钢片均开有偶数道梨形槽；
励磁线圈15为四极的三相交流线圈，是由漆包线采用三相交流绕制方法绕制而成，即单层同心式绕组，绕于电枢铁芯14上的梨形槽中，绕组选用△-Y混合接法；
活塞6与活塞杆3过渡配合，活塞杆3上设有轴肩，活塞6通过活塞杆3的轴肩定位；励磁线圈15与电源连接；
磁流变液注入缸筒5内。
温度传感器预埋在活塞6内部，活塞杆3前端安装有单轴向加速度传感器。
缸筒5与前端盖4采用内螺纹整体式连接，与后端盖7连接采用法兰焊接式结构，前端盖4、后端盖7均为打孔盖，各有四道环槽，从内向外的顺序：第一道装有斯特封10，第二道装有非金属导向环11，第三道装有斯特封10，第四道装有双唇形密封圈12。
前段杆体和后段杆体通过内螺纹连接而成，前段杆体为实心杆体，后段杆体为空心杆体，后端杆体开有出线口。
梨形槽的数目是根据硅钢片的尺寸选尽可能大的对数。
一种使用具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器进行去沉聚的方法，包括如下步骤：
(1)启动具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器；
(2)检测磁流变液的沉降状态；
(3)根据磁流变液的沉降状态，通入预先设定模式下的交变电流，产生旋转的交变磁场；
(4)磁流变液在电磁力的作用下发生电磁搅拌，逐渐解聚；
(5)针对磁流变阻尼器的不同工作状况，确定满足其工作要求的沉降状态，满足则结束去沉聚过程，否则重复步骤(3)～(5)。
在步骤(2)中，可选用电感法、电容法、透光率法测量方法检测磁流变液的沉降状态。
本发明的有益效果在于：
本发明能够实现磁流变液软性沉降基的快速均匀混合，可简化磁流变阻尼器内的附加机械结构，降低阻尼器对磁流变液的要求，对原有磁流变阻尼器结构改动小，具有参数自监控功能，有助于改善磁流变阻尼器的工作特性，进一步拓展磁流变液的应用领域。
附图说明
图1为本发明的磁流变阻尼器的结构示意图；
图2为本发明的磁芯结构示意图；
图3为本发明磁流变阻尼器的磁感应强度分布正向示意图；
图4为本发明磁流变阻尼器的磁感应强度分布侧向示意图。
附图标记：
1、外螺纹耳环 2、弹性元件安装盘 3、活塞杆
4、前端盖 5、缸筒 6、活塞
7、后端盖 8、活塞杆罩 9、内螺纹耳环
10、斯特封 11、非金属导向环 12、双唇形密封圈
13、磁芯 14、电枢铁芯 15、励磁线圈
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器，包括弹性元件安装盘2、活塞杆3、前端盖4、缸筒5、活塞6、后端盖7、活塞杆罩8和磁芯13。
缸筒5是空心圆柱体，缸筒5内腔中滑动安装有活塞6。缸筒5两端分别与前端盖4和后端盖7密闭连接，缸筒5与前端盖4采用内螺纹整体式连接；缸筒5与后端盖7固接，优选采用法兰连接固定。所述前端盖4、后端盖7均为打孔盖，各有四道环槽，从内向外的顺序：第一道装有斯特封10，第二道装有非金属导向环11，第三道装有斯特封10，第四道装有双唇形密封圈12。
缸筒5内壁上设置冷却槽，用于保证阻尼器在工作过程中避免过热。
活塞杆3包括前段杆体和后段杆体，前段杆体和后段杆体通过内螺纹连接而成，前段杆体为实心杆体，后段杆体为空心杆体，后段杆体开有出线口；活塞杆3通过缸筒5从前端盖4、后端盖7伸出，前段杆体的前端具有内螺纹，弹性元件安装盘2套接在前段杆体的前端，外螺纹耳环1与前段杆体螺纹连接；后段杆体伸出后端盖7，活塞杆罩8通过螺钉与缸筒5和后端盖7连接，活塞杆罩8用于密封后段杆体，活塞杆罩8后端具有突出的外螺纹柱，内螺纹耳环9与活塞杆罩8后端的突出的外螺纹柱连接。
活塞6为中空，具有密闭空间，，磁芯13置于该密闭空间内。
如图2所示，磁芯13包括电枢铁芯14和励磁线圈15，其中，电枢铁芯14包括多个叠加固接的硅钢片，每个硅钢片均开有偶数道梨形槽，梨形槽的数目是根据硅钢片的尺寸选尽可能大的对数。
励磁线圈15为四极的三相交流线圈，是由漆包线采用三相交流绕制方法绕制而成，即单层同心式绕组，绕于电枢铁芯14上的梨形槽中，绕组选用△-Y混合接法。
活塞6与活塞杆3过渡配合，活塞杆3上设有轴肩，活塞6通过活塞杆3的轴肩定位。磁芯13的励磁线圈15通过出线口从活塞杆3的后段空心杆体拉出，并与电源连接。
磁流变液注入缸筒5内。
具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器，利用磁芯13产生的交变磁场，在交变电磁力的作用下，磁流变液弥散相颗粒的运动状态会发生改变，从而产生类似于机械搅拌的特殊电磁搅拌，对沉降基解聚。
温度传感器预埋在活塞6内部，用于采集磁芯13的温度信号；活塞杆3前端安装有单轴向加速度传感器(图中未示出)，用于采集活塞6运动的加速度，而活塞6运动的速度和位移可以通过加速度积分求得；对阻尼器的温度信号、加速度信号、速度信号、出力信号、压力信号等进行自监控，实时监测磁流变阻尼器的工作状态，从而达到最优控制效果。同时，阻尼器内部不需要额外加装力传感器和压力传感器，通过磁流变阻尼器的力学模型可推算得到出力值和压力值。磁流变阻尼器采用双出杆形式，两边杆径相等，在活塞运动的时候，两边减少或增加的体积是一样的，可以避免一端在压缩之后产生过高的压力。
对励磁线圈15通入三相交变电流，具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器中的磁流变液处于交变电流激发的交变磁场中，当其它条件不变时，磁流变液的本构特性会随着交变电流频率的变化而变化。根据发明人的实验研究，当局部的磁流变液因交变电流产生的磁场发生本构特性改变时，交变磁场会在磁流变液中产生交变电磁力，改变磁流变液中弥散相颗粒的运动状态。由于磁流变液整体呈绝缘特性，交变磁场所产生的交变电磁力宏观上并不满足麦克斯韦方程组，但却能够实现类似于机械搅拌的特殊电磁搅拌。由于磁流变液弥散相颗粒在交变磁场下的运动及磁流变液整体的电磁振动，会对磁流变液的解沉聚具有积极作用，可利用交变磁场所产生的电磁力对磁流变液中的弥散相颗粒进行牵引，对沉降基解聚。
交变磁场的励磁线圈15采用三相交流励磁线圈与行波磁场励磁线圈复合的形式，即在三相交流励磁线圈的周向旋转磁场的基础上增加了沿活塞杆3轴向运动的行波磁场，形成以活塞杆3为轴的螺旋磁场，共同对磁流变液解聚发挥效用。
通过ANSYS Maxwell仿真，在励磁线圈15中通入三相交变电流，当某相电流角度为90°时，模型磁感应强度矢量分布正向示意图和侧向示意图分别如图3、图4所示，可以得到空间内磁感应强度的大小和方向，说明满足设想的旋转磁场，电磁力能够实现对磁流变液中弥散相颗粒的牵引搅拌，从而对沉降基解聚。
三相交变电流主要考虑正弦波、矩形波、三角波和梯形波四种波形，波形的电压有效值反应了其热效应，而平均值则反应了其所能够激励的磁感应强度平均水平。从磁流变液去沉聚和磁流变阻尼器出力控制两个角度来说，所使用的电流有效值应尽可能小，同时其平均值尽可能大的波形。因此，选择正弦波作为磁流变液电磁去沉聚激励电流较为合适，交变磁场励磁电流选用正弦波，降低热效应，提高激励的磁感应强度，更好地实现磁流变液去沉聚效果和磁流变阻尼器的出力控制。
在电枢铁芯14及缸筒5磁饱和时，阻尼通道处旋转磁场所设计的磁感应强度至少应大于0.6T。
使用本发明具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器进行去沉聚的方法，包括如下步骤：
(1)启动具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器；
(2)检测磁流变液的沉降状态；可选用电感法、电容法、透光率法等测量方法；
(3)根据磁流变液的沉降状态，通入预先设定模式下的交变电流，产生旋转的交变磁场；
(4)磁流变液在电磁力的作用下发生电磁搅拌，逐渐解聚；
(5)针对磁流变阻尼器的不同工作状况，确定满足其工作要求的沉降状态，满足则结束去沉聚过程，否则重复步骤(3)～(5)。

Claims (7)

1.具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器，其特征在于：包括弹性元件安装盘(2)、活塞杆(3)、前端盖(4)、缸筒(5)、活塞(6)、后端盖(7)、活塞杆罩(8)和磁芯(13)；
缸筒(5)是空心圆柱体，缸筒(5)内腔中滑动安装有活塞(6)，缸筒(5)两端分别与前端盖(4)和后端盖(7)密闭连接；
缸筒(5)内壁上设置冷却槽；
活塞杆(3)包括前段杆体和后段杆体，活塞杆(3)通过缸筒(5)从前端盖(4)、后端盖(7)伸出，前段杆体的前端具有内螺纹，弹性元件安装盘(2)套接在前段杆体的前端，外螺纹耳环(1)与前段杆体螺纹连接；后段杆体伸出后端盖(7)，活塞杆罩(8)与缸筒(5)和后端盖(7)连接，内螺纹耳环(9)与活塞杆罩(8)后端螺纹连接；
活塞(6)为中空，具有密闭空间，磁芯(13)置于该密闭空间内；
磁芯(13)包括电枢铁芯(14)和励磁线圈(15)，其中，电枢铁芯(14)包括多个叠加固接的硅钢片，每个硅钢片均开有偶数道梨形槽；
励磁线圈(15)为四极的三相交流线圈，是由漆包线采用三相交流绕制方法绕制而成，即单层同心式绕组，绕于电枢铁芯(14)上的梨形槽中，绕组选用△-Y混合接法；
活塞(6)与活塞杆(3)过渡配合，活塞杆(3)上设有轴肩，活塞(6)通过活塞杆(3)的轴肩定位；励磁线圈(15)与电源连接；
磁流变液注入缸筒(5)内。
2.如权利要求1所述的具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器，其特征在于：
温度传感器预埋在活塞(6)内部，活塞杆(3)前端安装有单轴向加速度传感器。
3.如权利要求1所述的具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器，其特征在于：
缸筒(5)与前端盖(4)采用内螺纹整体式连接，与后端盖(7)连接采用法兰焊接式结构，前端盖(4)、后端盖(7)均为打孔盖，各有四道环槽，从内向外的顺序：第一道装有斯特封(10)，第二道装有非金属导向环(11)，第三道装有斯特封(10)，第四道装有双唇形密封圈(12)。
4.如权利要求1所述的具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器，其特征在于：
前段杆体和后段杆体通过内螺纹连接而成，前段杆体为实心杆体，后段杆体为空心杆体，后端杆体开有出线口。
5.如权利要求1所述的具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器，其特征在于：
梨形槽的数目是根据硅钢片的尺寸选尽可能大的对数。
6.一种使用如权利要求1～5之一所述的具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器进行去沉聚的方法，其特征在于：
包括如下步骤：
(1)启动具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器；
(2)检测磁流变液的沉降状态；
(3)根据磁流变液的沉降状态，通入预先设定模式下的交变电流，产生旋转的交变磁场；
(4)磁流变液在电磁力的作用下发生电磁搅拌，逐渐解聚；
(5)针对磁流变阻尼器的不同工作状况，确定满足其工作要求的沉降状态，满足则结束去沉聚过程，否则重复步骤(3)～(5)。
7.根据权利要求6所述的使用具有电磁主动去沉聚功能的磁流变阻尼器进行去沉聚的方法，其特征在于：
在步骤(2)中，可选用电感法、电容法、透光率法测量方法检测磁流变液的沉降状态。
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