本發(fā)明涉及一種磁流變阻尼器，尤其是一種具有電磁主動(dòng)去沉聚功能的磁流變阻尼器及去沉聚的方法。

背景技術(shù)：

磁流變液是一種應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)良的智能材料，以其具有屈服強(qiáng)度高，阻尼調(diào)幅寬，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，能耗低等優(yōu)點(diǎn)，成為橋梁、建筑、車(chē)輛、機(jī)械等各工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。磁流變阻尼器(Magnetorheological Damper，MRD)是磁流變液工程應(yīng)用的重要領(lǐng)域，根據(jù)磁流變液在磁場(chǎng)作用下的磁流變效應(yīng)，即外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液可以在固體與液態(tài)之間進(jìn)行毫秒級(jí)快速可逆轉(zhuǎn)化，其粘度保持連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)主動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置進(jìn)行減振的目的。

由于磁流變液(Magnetorheological Fluid,MRF)易發(fā)生沉降而失去預(yù)期對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的本構(gòu)特性響應(yīng)，從而導(dǎo)致MRF裝置喪失正常使用性能。解決MRF沉降問(wèn)題的方法大體可分為兩類(lèi)，即增強(qiáng)MRF穩(wěn)定性和去沉聚。目前，針對(duì)增強(qiáng)MRF穩(wěn)定性的方法無(wú)法從根本上解決沉降問(wèn)題，并且大多會(huì)削弱MRF在磁場(chǎng)下的屈服強(qiáng)度，從而導(dǎo)致MRF無(wú)法發(fā)揮其最佳特性。去沉聚則是在MRF沉降已發(fā)生后，將聚集的微小顆粒再分散。去沉聚方法分為主動(dòng)去沉聚方法和被動(dòng)去沉聚方法。被動(dòng)去沉聚方法是指MRF裝置通過(guò)附加特定機(jī)械結(jié)構(gòu)等，在裝置開(kāi)始工作時(shí)，利用其自身往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)加速微小顆粒再分散過(guò)程，但此方法勢(shì)必會(huì)對(duì)MRF裝置啟動(dòng)時(shí)的正常工作狀態(tài)有不利影響，并且在裝置工作開(kāi)始一段時(shí)間后才生效，這一限制不僅會(huì)影響MRF裝置啟動(dòng)時(shí)的工作狀態(tài)，甚至可能發(fā)生嚴(yán)重安全事故。主動(dòng)去沉聚方法是指不依靠MRF裝置本身的工作運(yùn)動(dòng)來(lái)輔助加速M(fèi)RF沉降微粒再分散的一種去沉聚方法，時(shí)間上發(fā)生在MRF裝置工作開(kāi)始前。由于主動(dòng)去沉聚過(guò)程不依賴(lài)裝置本身的工作過(guò)程，因此此類(lèi)方法更為可靠、迅捷。本發(fā)明即為一種利用交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)MRF的電磁主動(dòng)去沉聚方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出了一種具有電磁主動(dòng)去沉聚功能的磁流變阻尼器，有利于解決磁流變液的沉降問(wèn)題，提高磁流變阻尼器的可靠性和安全性。

本發(fā)明的另一目的在于提出一種使用具有電磁主動(dòng)去沉聚功能的磁流變阻尼器去沉聚的方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

具有電磁主動(dòng)去沉聚功能的磁流變阻尼器，包括彈性元件安裝盤(pán)2、活塞桿3、前端蓋4、缸筒5、活塞6、后端蓋7、活塞桿罩8和磁芯13；

缸筒5是空心圓柱體，缸筒5內(nèi)腔中滑動(dòng)安裝有活塞6，缸筒5兩端分別與前端蓋4和后端蓋7密閉連接；

缸筒5內(nèi)壁上設(shè)置冷卻槽；

活塞桿3包括前段桿體和后段桿體，活塞桿3通過(guò)缸筒5從前端蓋4、后端蓋7伸出，前段桿體的前端具有內(nèi)螺紋，彈性元件安裝盤(pán)2套接在前段桿體的前端，外螺紋耳環(huán)1與前段桿體螺紋連接；后段桿體伸出后端蓋7，活塞桿罩8與缸筒5和后端蓋7連接，內(nèi)螺紋耳環(huán)9與活塞桿罩8后端螺紋連接；

活塞6為中空，具有密閉空間，磁芯13置于該密閉空間內(nèi)；

磁芯13包括電樞鐵芯14和勵(lì)磁線圈15，其中，電樞鐵芯14包括多個(gè)疊加固接的硅鋼片，每個(gè)硅鋼片均開(kāi)有偶數(shù)道梨形槽；

勵(lì)磁線圈15為四極的三相交流線圈，是由漆包線采用三相交流繞制方法繞制而成，即單層同心式繞組，繞于電樞鐵芯14上的梨形槽中，繞組選用△-Y混合接法；

活塞6與活塞桿3過(guò)渡配合，活塞桿3上設(shè)有軸肩，活塞6通過(guò)活塞桿3的軸肩定位；勵(lì)磁線圈15與電源連接；

磁流變液注入缸筒5內(nèi)。

溫度傳感器預(yù)埋在活塞6內(nèi)部，活塞桿3前端安裝有單軸向加速度傳感器。

缸筒5與前端蓋4采用內(nèi)螺紋整體式連接，與后端蓋7連接采用法蘭焊接式結(jié)構(gòu)，前端蓋4、后端蓋7均為打孔蓋，各有四道環(huán)槽，從內(nèi)向外的順序：第一道裝有斯特封10，第二道裝有非金屬導(dǎo)向環(huán)11，第三道裝有斯特封10，第四道裝有雙唇形密封圈12。

前段桿體和后段桿體通過(guò)內(nèi)螺紋連接而成，前段桿體為實(shí)心桿體，后段桿體為空心桿體，后端桿體開(kāi)有出線口。

梨形槽的數(shù)目是根據(jù)硅鋼片的尺寸選盡可能大的對(duì)數(shù)。

一種使用具有電磁主動(dòng)去沉聚功能的磁流變阻尼器進(jìn)行去沉聚的方法，包括如下步驟：

(1)啟動(dòng)具有電磁主動(dòng)去沉聚功能的磁流變阻尼器；

(2)檢測(cè)磁流變液的沉降狀態(tài)；

(3)根據(jù)磁流變液的沉降狀態(tài)，通入預(yù)先設(shè)定模式下的交變電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的交變磁場(chǎng)；

(4)磁流變液在電磁力的作用下發(fā)生電磁攪拌，逐漸解聚；

(5)針對(duì)磁流變阻尼器的不同工作狀況，確定滿(mǎn)足其工作要求的沉降狀態(tài)，滿(mǎn)足則結(jié)束去沉聚過(guò)程，否則重復(fù)步驟(3)～(5)。

在步驟(2)中，可選用電感法、電容法、透光率法測(cè)量方法檢測(cè)磁流變液的沉降狀態(tài)。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)磁流變液軟性沉降基的快速均勻混合，可簡(jiǎn)化磁流變阻尼器內(nèi)的附加機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低阻尼器對(duì)磁流變液的要求，對(duì)原有磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)改動(dòng)小，具有參數(shù)自監(jiān)控功能，有助于改善磁流變阻尼器的工作特性，進(jìn)一步拓展磁流變液的應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的磁芯結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明磁流變阻尼器的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布正向示意圖；

圖4為本發(fā)明磁流變阻尼器的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布側(cè)向示意圖。

附圖標(biāo)記：

1、外螺紋耳環(huán) 2、彈性元件安裝盤(pán) 3、活塞桿

4、前端蓋 5、缸筒 6、活塞

7、后端蓋 8、活塞桿罩 9、內(nèi)螺紋耳環(huán)

10、斯特封 11、非金屬導(dǎo)向環(huán) 12、雙唇形密封圈

13、磁芯 14、電樞鐵芯 15、勵(lì)磁線圈

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，具有電磁主動(dòng)去沉聚功能的磁流變阻尼器，包括彈性元件安裝盤(pán)2、活塞桿3、前端蓋4、缸筒5、活塞6、后端蓋7、活塞桿罩8和磁芯13。

缸筒5是空心圓柱體，缸筒5內(nèi)腔中滑動(dòng)安裝有活塞6。缸筒5兩端分別與前端蓋4和后端蓋7密閉連接，缸筒5與前端蓋4采用內(nèi)螺紋整體式連接；缸筒5與后端蓋7固接，優(yōu)選采用法蘭連接固定。所述前端蓋4、后端蓋7均為打孔蓋，各有四道環(huán)槽，從內(nèi)向外的順序：第一道裝有斯特封10，第二道裝有非金屬導(dǎo)向環(huán)11，第三道裝有斯特封10，第四道裝有雙唇形密封圈12。

缸筒5內(nèi)壁上設(shè)置冷卻槽，用于保證阻尼器在工作過(guò)程中避免過(guò)熱。

活塞桿3包括前段桿體和后段桿體，前段桿體和后段桿體通過(guò)內(nèi)螺紋連接而成，前段桿體為實(shí)心桿體，后段桿體為空心桿體，后段桿體開(kāi)有出線口；活塞桿3通過(guò)缸筒5從前端蓋4、后端蓋7伸出，前段桿體的前端具有內(nèi)螺紋，彈性元件安裝盤(pán)2套接在前段桿體的前端，外螺紋耳環(huán)1與前段桿體螺紋連接；后段桿體伸出后端蓋7，活塞桿罩8通過(guò)螺釘與缸筒5和后端蓋7連接，活塞桿罩8用于密封后段桿體，活塞桿罩8后端具有突出的外螺紋柱，內(nèi)螺紋耳環(huán)9與活塞桿罩8后端的突出的外螺紋柱連接。

活塞6為中空，具有密閉空間，，磁芯13置于該密閉空間內(nèi)。

如圖2所示，磁芯13包括電樞鐵芯14和勵(lì)磁線圈15，其中，電樞鐵芯14包括多個(gè)疊加固接的硅鋼片，每個(gè)硅鋼片均開(kāi)有偶數(shù)道梨形槽，梨形槽的數(shù)目是根據(jù)硅鋼片的尺寸選盡可能大的對(duì)數(shù)。

勵(lì)磁線圈15為四極的三相交流線圈，是由漆包線采用三相交流繞制方法繞制而成，即單層同心式繞組，繞于電樞鐵芯14上的梨形槽中，繞組選用△-Y混合接法。

活塞6與活塞桿3過(guò)渡配合，活塞桿3上設(shè)有軸肩，活塞6通過(guò)活塞桿3的軸肩定位。磁芯13的勵(lì)磁線圈15通過(guò)出線口從活塞桿3的后段空心桿體拉出，并與電源連接。

磁流變液注入缸筒5內(nèi)。

具有電磁主動(dòng)去沉聚功能的磁流變阻尼器，利用磁芯13產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，在交變電磁力的作用下，磁流變液彌散相顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生類(lèi)似于機(jī)械攪拌的特殊電磁攪拌，對(duì)沉降基解聚。

溫度傳感器預(yù)埋在活塞6內(nèi)部，用于采集磁芯13的溫度信號(hào)；活塞桿3前端安裝有單軸向加速度傳感器(圖中未示出)，用于采集活塞6運(yùn)動(dòng)的加速度，而活塞6運(yùn)動(dòng)的速度和位移可以通過(guò)加速度積分求得；對(duì)阻尼器的溫度信號(hào)、加速度信號(hào)、速度信號(hào)、出力信號(hào)、壓力信號(hào)等進(jìn)行自監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磁流變阻尼器的工作狀態(tài)，從而達(dá)到最優(yōu)控制效果。同時(shí)，阻尼器內(nèi)部不需要額外加裝力傳感器和壓力傳感器，通過(guò)磁流變阻尼器的力學(xué)模型可推算得到出力值和壓力值。磁流變阻尼器采用雙出桿形式，兩邊桿徑相等，在活塞運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，兩邊減少或增加的體積是一樣的，可以避免一端在壓縮之后產(chǎn)生過(guò)高的壓力。

對(duì)勵(lì)磁線圈15通入三相交變電流，具有電磁主動(dòng)去沉聚功能的磁流變阻尼器中的磁流變液處于交變電流激發(fā)的交變磁場(chǎng)中，當(dāng)其它條件不變時(shí)，磁流變液的本構(gòu)特性會(huì)隨著交變電流頻率的變化而變化。根據(jù)發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)局部的磁流變液因交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生本構(gòu)特性改變時(shí)，交變磁場(chǎng)會(huì)在磁流變液中產(chǎn)生交變電磁力，改變磁流變液中彌散相顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于磁流變液整體呈絕緣特性，交變磁場(chǎng)所產(chǎn)生的交變電磁力宏觀上并不滿(mǎn)足麥克斯韋方程組，但卻能夠?qū)崿F(xiàn)類(lèi)似于機(jī)械攪拌的特殊電磁攪拌。由于磁流變液彌散相顆粒在交變磁場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)及磁流變液整體的電磁振動(dòng)，會(huì)對(duì)磁流變液的解沉聚具有積極作用，可利用交變磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁力對(duì)磁流變液中的彌散相顆粒進(jìn)行牽引，對(duì)沉降基解聚。

交變磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈15采用三相交流勵(lì)磁線圈與行波磁場(chǎng)勵(lì)磁線圈復(fù)合的形式，即在三相交流勵(lì)磁線圈的周向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上增加了沿活塞桿3軸向運(yùn)動(dòng)的行波磁場(chǎng)，形成以活塞桿3為軸的螺旋磁場(chǎng)，共同對(duì)磁流變液解聚發(fā)揮效用。

通過(guò)ANSYS Maxwell仿真，在勵(lì)磁線圈15中通入三相交變電流，當(dāng)某相電流角度為90°時(shí)，模型磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布正向示意圖和側(cè)向示意圖分別如圖3、圖4所示，可以得到空間內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向，說(shuō)明滿(mǎn)足設(shè)想的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電磁力能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)磁流變液中彌散相顆粒的牽引攪拌，從而對(duì)沉降基解聚。

三相交變電流主要考慮正弦波、矩形波、三角波和梯形波四種波形，波形的電壓有效值反應(yīng)了其熱效應(yīng)，而平均值則反應(yīng)了其所能夠激勵(lì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度平均水平。從磁流變液去沉聚和磁流變阻尼器出力控制兩個(gè)角度來(lái)說(shuō)，所使用的電流有效值應(yīng)盡可能小，同時(shí)其平均值盡可能大的波形。因此，選擇正弦波作為磁流變液電磁去沉聚激勵(lì)電流較為合適，交變磁場(chǎng)勵(lì)磁電流選用正弦波，降低熱效應(yīng)，提高激勵(lì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，更好地實(shí)現(xiàn)磁流變液去沉聚效果和磁流變阻尼器的出力控制。

在電樞鐵芯14及缸筒5磁飽和時(shí)，阻尼通道處旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所設(shè)計(jì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度至少應(yīng)大于0.6T。

使用本發(fā)明具有電磁主動(dòng)去沉聚功能的磁流變阻尼器進(jìn)行去沉聚的方法，包括如下步驟：

(1)啟動(dòng)具有電磁主動(dòng)去沉聚功能的磁流變阻尼器；

(2)檢測(cè)磁流變液的沉降狀態(tài)；可選用電感法、電容法、透光率法等測(cè)量方法；

(3)根據(jù)磁流變液的沉降狀態(tài)，通入預(yù)先設(shè)定模式下的交變電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的交變磁場(chǎng)；

(4)磁流變液在電磁力的作用下發(fā)生電磁攪拌，逐漸解聚；

(5)針對(duì)磁流變阻尼器的不同工作狀況，確定滿(mǎn)足其工作要求的沉降狀態(tài)，滿(mǎn)足則結(jié)束去沉聚過(guò)程，否則重復(fù)步驟(3)～(5)。