CN109780121A - 基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器，主要包括抗沉降磁流变阻尼器、超声波换能器和处理电路。所述磁流变阻尼器具有工作缸。当磁流变阻尼器处于静置状态时，磁流变液发生沉降，所述处理电路通过线束不断获取超声波换能器的接收电压Ex，并计算得到t时刻因沉降导致的浓度变化a_x，当达到设定阈值k时，向所述磁流变阻尼器发送电激励信号，驱动电机在磁流变阻尼器内组织流动循环，进行磁流变液分散。本发明针对竖向使用的磁流变阻尼器，基于超声波在悬浮液中的传播机理，提出一种基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器，可以实现磁流变阻尼器的磁流变液的自主调控和抗沉降。

Description

基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器

技术领域

本发明涉及磁流变阻尼器领域，具体是基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器。

背景技术

磁流变液(Magnetorheological Fluid,简称MR流体)属可控流体，可以通过外加磁场控制器表观粘度，从而制作成各种具有可控阻尼特性的器件，如阻尼器、离合器、制动器等。磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的Bingham体特性。

铁磁性颗粒作为磁流变液中的分散相，粒径为1-20μm，属于粗分散体系，布朗运动弱而重力场强，由于分散相与分散介质的密度失配，磁流变液的沉降问题无法避免，在添加剂的作用下，实用化的磁流变液具有一定的抗沉降稳定性，但仍然无法适应可能的长期静置条件。

为了克服磁流变液的沉降问题，人们使用各种添加剂和分散相表面改性等方法试图改善这一问题。最广泛使用的添加剂为触变剂，其原理在于，触变剂形成微弱的三维结构来辅助支撑磁性颗粒。触变剂在低剪切率下的黏度较大，此时有利于沉降稳定性。而在高剪切率下，这些微弱的空间结构轻易被破坏，黏度下降，有利于维持较好的磁流变效应。触变剂的加入改善了磁流变液的沉降问题，使发生肉眼可见的沉降静置时间延长至1个月或以上，但无法完全解决。对磁性颗粒表面进行修饰或包覆，形成核壳结构，可以减小颗粒整体密度，增大颗粒表面积，从而提高颗粒在载体液中的悬浮稳定性；受包覆层隔离，减小了颗粒之间的吸附作用，可以提高磁流变液的可再分散能力。这种方法可以一定程度上改善磁流变液的沉降问题。

为了表征磁流变液的沉降性能，人们开发了多种磁流变液沉降状态的检测装置，主要有电感/电容法等，它们将磁流变液盛放于竖直放置的玻璃试管内，利用介电常数与磁流变液沉降状态(铁磁颗粒体积分数)之间的关系进行测量。这种方法可以较好的确定从磁流变液液面到底部的沉降状态，但不能应用于磁流变阻尼器等器件内部。随着磁流变阻尼器技术的发展，人们对磁流变液在阻尼器内部的沉降状态提出了在线监测的需求。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器，主要包括磁流变阻尼器、超声波换能器和处理电路。

所述磁流变阻尼器包括工作缸和实现磁流变液分散的电机。工作缸内装有磁流变液。

所述超声波换能器贴置在工作缸底部的侧壁。

超声波换能器为超声波发射换能器和超声波接收换能器或收发一体的超声波换能器。

超声波发射换能器和超声波接收换能器关于工作缸的中心轴对称。

超声波发射换能器和超声波接收换能器之间的距离记为L。L>0

收发一体的超声波换能器以工作缸正对的缸筒面为反射面，以超声波换能器在反射面的投影为反射点。

收发一体的超声波换能器和反射点的连续过工作缸的中心轴线。

所述超声波换能器的线束连接处理电路。

所述处理电路通过线束接收超声波换能器的接收电压Ex，得到t时刻超声波传播通道的磁流变液分散相体积浓度a_t，以下简称磁流变液分散相体积浓度为浓度。

浓度a_t满足下式：

a_t＝a₀+a_x。 (1)

式中，a₀为初始状态浓度。a_x为因沉降引起的浓度变化。

初始状态浓度a₀满足下式：

a₀＝(lnE0-lnEr)/L。 (2)

式中，E0为磁流变液初始状态时超声波换能器的接收电压。当磁流变液处于初始状态时的接收电压E0存储在所述处理电路中。E_r为磁流变液初始状态时超声波换能器的发射电压。

因沉降引起的浓度变化a_x如下所示：

a_x＝(lnE0-lnEx)/L。 (3)

式中，若超声波换能器为收发一体超声波换能器，则L为工作缸缸筒直径的两倍。若超声波换能器为超声波发射换能器和超声波接收换能器，则L为超声波发射换能器和超声波接收换能器之间的距离。

所述处理电路根据式(3)求取沉降浓度变化a_x，判断是否需要对磁流变液进行分散。当判断浓度变化a_x大于某一阈值k时，则通过处理电路对外输出电激励信号，若否，则不产生电激励信号。磁流变阻尼器基于处理电路输出的电激励信号，驱动电机对磁流变液进行分散。

本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明针对竖向使用的磁流变阻尼器，基于超声波在悬浮液中的传播机理，提出一种基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器，可以实现磁流变阻尼器的磁流变液的自主调控和抗沉降。

附图说明

图1为基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器结构示意图；

图2为磁流变阻尼器结构示意图I；

图3为触发电路图；

图4为LM1812的工作原理图；

图5为变压器其匝数比设置原理图；

图6为磁流变阻尼器结构示意图II；

图7为磁流变阻尼器底盖的结构示意图；

图8为转子的结构示意图；

图9为定子的结构示意图；

图10为顶盖的结构示意图；

图11为工作缸的结构示意图；

图12为处理电路流程图；

图中：液筒12、底盖13、圆环I131、圆盘I132、圆孔I1321、沉头孔1322、定位柱14、通孔II141、转子15、伸出轴151、鼠笼152、螺旋筋肋153、定子16、外筒161、内筒162、通槽II1621、磁极163、绕组164、绕组引线165、顶盖17、台阶圆环171、圆盘II172、圆孔II1721、辐条173、工作缸11、通槽I111、通孔I112、活塞组件18、活塞杆19、磁流变阻尼器1、超声波换能器2、处理电路3和超声波换能器线束21。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1和图2，基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器，主要包括磁流变阻尼器1、超声波换能器2和处理电路3。

所述磁流变阻尼器1包括工作缸11和实现磁流变液分散的电机。工作缸11内装有磁流变液。

磁流变阻尼器1在接收到处理电路3的电激励信号后，驱动电机对磁流变液进行分散。

所述超声波换能器2贴置在工作缸11底部的侧壁。

所述超声波换能器2的线束21延伸出磁流变阻尼器1，并连接处理电路3。

磁流变液沉降在缸筒底部，使分散相具有最高体积分数，超声波换能器位于缸筒底部，紧贴缸筒圆周面进行布置，使声发射方向通过缸筒轴线，当超声波发射器发出特定频率的超声波后，由其对面的超声波接收器接收。

超声波换能器2为超声波发射换能器和超声波接收换能器或收发一体的超声波换能器。

优选的，超声波发射换能器和超声波接收换能器关于工作缸的中心轴对称。

超声波发射换能器和超声波接收换能器之间的距离记为L。L>0

优选的，收发一体的超声波换能器以工作缸正对的缸筒面为反射面，以超声波换能器在反射面的投影为反射点。

收发一体的超声波换能器和反射点的连续过工作缸的中心轴线。当超声波换能器接收到反射回来的超声波信号时，携带了超声波在沉降状态的磁流变液中传播后的衰减信息，通过线束21传输给处理电路进行处理后进行输出。

当磁流变阻尼器处于静置状态时，磁流变液发生沉降，所述处理电路3通过线束21接收超声波换能器2的接收电压Ex，得到t时刻超声波传播通道的磁流变液分散相体积浓度a_t。

t时刻磁流变液浓度a_t满足下式：

a_t＝a₀+a_x。 (1)

式中，a₀为磁流变液处于初始状态，即尚未发生沉降的状态时的浓度。若超声波换能器2为收发一体超声波换能器，则L为工作缸11缸筒直径的两倍。若超声波换能器2为超声波发射换能器和超声波接收换能器，则L为超声波发射换能器和超声波接收换能器之间的距离。E0为磁流变液初始状态时超声波换能器2的接收电压。

初始状态浓度a₀满足下式：

a₀＝(lnE0-lnEr)/L。 (2)

式中，E0为磁流变液初始状态时超声波换能器的接收电压。当磁流变液处于初始状态时的接收电压E0存储在所述处理电路中。E_r为磁流变液初始状态时超声波换能器的发射电压。

a_x为因沉降引起的浓度变化，如下所示：

a_x＝(lnE0-lnEx)/L (3)

本实施例采用收发一体超声波探头，并安装于直径为3cm的工作缸筒内时，L＝6cm，可得表格如下：

表1磁流变液中铁磁颗粒体积浓度变化a_x

E0/EX	1	2	3	4	5
						a<sub>x</sub>	0	0.1155	0.1831	0.2310	0.2682

此时将阈值k设置为0.1831时，由于磁流变阻尼器1处于静置状态，则代表因静置沉降导致的浓度变化达到18.31％时，通过处理电路(3)对外输出电激励信号。磁流变阻尼器接收到电激励信号后，驱动电机对磁流变液进行分散。

磁流变阻尼器1得到驱动信号后，在定子旋转磁场的激励下使转子旋转，并在转子外圆面螺线的帮助下，磁流变液可以在阻尼器内部形成流动回路，从而克服磁流变阻尼器长期静置面临的沉降问题。因此，需要对磁流变阻尼器底部的磁流变液沉降状态开展在线监测，从而确立反馈机制，使磁流变阻尼器在长期静置时适时启动电机。

所述处理电路3可以采用LM1812专业集成电路，不仅外围元件较少，电路简单，而且有更好的稳定性及可靠性。超声波集成电路LM1812芯片内部包括一个脉冲调制C类振荡器，需要一个具有周期性的触发信号来触发电路的时序，本实施例利用555定时器构成占空比一定的多谐振荡器。触发电路如图3所示。该电路中，充电回路和放电回路是相互独立的，是利用电容C11的充电放电来获取方波信号的。充电回路由R3和C11组成，输出高电平。放电回路由R4和C11组成，输出低电平。

LM1812的工作原理如图4所示。1脚外接L1、C1，构成脉冲调制C类振荡器，这决定了发送器和接收器的工作频率，其工作频率可达325kHz，可根据所需要的超声波频率决定L1、C1的值。8脚为发送控制端，与555定时器构成的多谐振荡器的3脚相连，当8脚为高电平时，芯片处于发送模式，此时L1、C1振荡槽路被切换成振荡模式，振荡信号经驱动放大之后，通过13脚和6脚输出，一般6脚、13脚之间要接变压器，以便与超声波发送器阻抗相匹配，以40kHz和200kHz为例，可按图5设置变压器其匝数比。搭建好输出变压器后，应测试6脚电流大小，保证6脚最大电流值不能超过1A。否则可能因电流过大出现过载现象导致芯片损坏。如果实际需要更大的功率，则可以采用外加脉冲放大器的方法来实现所需，输出电流最高可以达到5A。

当8脚为低电平时，LM1812处于接收模式。8脚的输入电流设计在1-10mA范围内。在本实施例设计里，因为LM1812的供电电压为12V，所以选择在8脚加一个10k的电阻。由于超声波信号经过磁流变液传播后，其声波强度衰减很大，回波信号幅值很微弱。采用AD637均方根检波电路分别对超声波的发射和接受信号获取有效值后进行标定，可以获取输出电压与磁流变液浓度之间的关系。

如图12所示，处理电路3调取电压E0和长度L，并获取超声波回波电压值，计算得到磁流变液浓度变化a_x，若浓度变化值大于15％-25％，则触发抗沉降磁流变阻尼器的主动分散装置对磁流变液进行分散，分散T时间后，继续监测超声波换能器2。本实施例设定T＝3min。主动分散装置，也即电机，包括抗沉降磁流变阻尼器的定位柱14、转子15和定子16。本实施例设定阈值k的范围为[0.15，0.25]。

实施例2：

参见图6至图11，磁流变阻尼器1主要包括工作缸11、液筒12、底盖13、顶盖17、活塞组件18、活塞杆19和电机。电机包括定位柱14、转子15和定子16。

所述液筒12为中空圆柱体，其下端的敞口处具有螺纹。

所述液筒12与所述底盖13之间通过O型圈进行密封。

所述底盖13的上端为圆环I131。所述圆环I131外壁具有螺纹。所述底盖13的下端为圆盘I132。所述圆盘I132的端面中心具有圆孔I1321。所述圆盘I132的端面上设有处于同一圆周的若干个沉头孔1322。

所述底盖13的上端安装在所述液筒12下端的敞口处。

所述定位柱14安装在所述沉头孔1322的台阶上。

所述定位柱14内部具有通孔II141。所述通孔II141与所述底盖13的沉头孔1322接通。

所述转子15为圆柱体，其两端的端面中心具有伸出轴151。所述转子15内部嵌入有鼠笼152。所述转子15的外圆周壁上设置有螺旋筋肋153。

所述转子15位于所述液筒12内，其下端的伸出轴151支承在所述底盖13的圆孔I1321中。

所述转子15由软磁材料制作。

所述定子16采用硅钢片叠合制成。

所述定子16包括外筒161和内筒162。

所述内筒162位于所述外筒161内部。所述内筒162与所述外筒161之间布置有若干个磁极163。每一个磁极163上均绕制有绕组164。

所述内筒162的内壁上均布有若干个贯穿内筒162两端的通槽II1621。在相邻的磁极163所对应的内筒162的内壁上，均具有一个通槽II1621。

所述定子16外套于所述转子15上，并位于所述液筒12内，其下端固定在所述定位柱14上。

所述定子16与所述转子15之间形成一个内通道。所述定子16与所述液筒12之间形成一个外通道。所述定子16通过定位柱14支承，形成一个接通内通道和外通道的空间。

优选的，所述定子16的绕组引线165通过所述定位柱14上的通孔II141引出，并通过所述沉头孔1322穿出所述底盖13。

所述顶盖17包括台阶圆环171和圆盘II172。

所述圆盘II172位于所述台阶圆环171内，其端面中心具有圆孔II1721。所述圆盘II172通过与所述台阶圆环171之间通过辐条173接连。

所述顶盖17安装在所述定子16的上端。所述转子15上端的伸出轴151支承在所述顶盖17的圆孔II1721中。

所述工作缸11为圆筒状。所述工作缸11的周向均布有若干个通槽I111和若干个通孔I112，其中通槽I111位于所述工作缸11的内圆面，其位置记为平衡位置。

所述工作缸11位于所述液筒12内，其下端套装在所述台阶圆环171的台阶上。所述工作缸11装有磁流变液。

所述活塞组件18位于所述工作缸11内，并与所述工作缸11之间具有间隙。

所述活塞杆19的安装在活塞组件18上，能够推动活塞组件18在工作缸11内做往复运动。

所述绕组164接收到处理电路3的电激励信号后，所述定子16内形成旋转磁场，所述转子15的鼠笼152切割磁力线产生感生电流而受到磁力作用，带动转子15旋转。

当所述转子15转动时，所述螺旋筋肋153带动磁流变液在内通道做旋转流动和轴向流动，并流向外通道。

当所述活塞组件18处于平衡位置时，流向外通道的磁流变液经过所述工作缸11与所述液筒12之间的间隙，通过所述通槽1701和所述通孔I112流入工作缸11内部，当所述活塞组件18脱离平衡位置做上下往复运动时，流向外通道的磁流变液经过所述工作缸11与所述液筒12之间的间隙，通过所述通孔I112流入工作缸11内部，形成流动回路，从而实现有效的磁流变液再分散作用。

当磁流变阻尼器正常运行时，此时可以改变定子16内绕组164的励磁方式，使其生成均一同向的磁场分布，将使内通道内充满一致均匀的磁场，从而有效调控活塞组件8运行时的磁流变阻尼力。

优选的，所述转子15两端的伸出轴151通过滚动轴承或者轴套支承，轴套采用聚四氟乙烯制作，便于减少两端的伸出轴151与顶盖17和底盖13的摩擦。

Claims (4)

1.基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器，其特征在于，主要包括磁流变阻尼器(1)、超声波换能器(2)和所述处理电路(3)。

所述磁流变阻尼器(1)具有工作缸(11)；工作缸(11)内装有磁流变液；

所述超声波换能器(2)贴置在工作缸(11)底部的侧壁；

所述超声波换能器(2)的线束(21)连接处理电路(3)；

所述处理电路(3)通过线束(21)接收超声波换能器(2)的接收电压Ex，得到t时刻超声波传播通道的磁流变液分散相体积浓度a_t；

浓度a_t满足下式：

a_t＝a₀+a_x； (1)

式中，a₀为初始状态浓度；a_x为因沉降引起的浓度变化；

初始状态浓度a₀满足下式：

a₀＝(lnE0-lnEr)/L； (2)

式中，E0为磁流变液初始状态时超声波换能器(2)的接收电压；当磁流变液处于初始状态时的接收电压E0存储在所述处理电路(3)中；Er为磁流变液初始状态时超声波换能器(2)的发射电压；因沉降引起的浓度变化a_x如下所示：

a_x＝(lnE0-lnEx)/L； (3)

式中，若超声波换能器(2)为收发一体超声波换能器，则L为工作缸(11)缸筒直径的两倍；若超声波换能器(2)为超声波发射换能器和超声波接收换能器，则L为超声波发射换能器和超声波接收换能器之间的距离；

所述处理电路(3)根据式(3)求取的沉降浓度变化a_x，判断是否对需要对磁流变液进行分散，若需要，则产生电激励信号，并传递至磁流变阻尼器(1)。

2.根据权利要求1所述的基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器，其特征在于：超声波换能器(2)为超声波发射换能器和超声波接收换能器或收发一体的超声波换能器。

超声波发射换能器和超声波接收换能器关于工作缸(11)的中心轴对称；

超声波发射换能器和超声波接收换能器之间的距离记为L；L＞0

收发一体的超声波换能器以工作缸(11)正对的缸筒面为反射面，以超声波换能器在反射面的投影为反射点；

收发一体的超声波换能器和反射点的连线过工作缸(11)的中心轴线。

3.根据权利要求1或2所述的基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器，其特征在于，处理电路(3)产生电激励信号的方法为：判断浓度变化a_x是否大于阈值k，若是，则通过处理电路(3)对外输出电激励信号，若否，则不产生电激励信号。

4.根据权利要求3所述的基于在线监测的抗沉降磁流变阻尼器，其特征在于：磁流变阻尼器(1)还包括实现磁流变液分散的电机；磁流变阻尼器(1)在接收到处理电路(3)的电激励信号后，驱动电机对磁流变液进行分散。