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磁流变阻尼器的磁路分析

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《磁性材料及器件杂志》2016年第二期

摘要:

为了掌握影响某新型固定阀式磁流变阻尼器输出阻尼力的因素,利用ANSYS软件,对不同结构参数磁流变阻尼器进行建模,并进行了静磁场分析,得到了磁感应强度云图及磁力线分布。分析结果显示,对于固定阀式磁流变阻尼器,线圈匝数、励磁电流强度、工作间隙、圆环盘内径、圆齿盘齿根半径、缸体磁流变液流道宽度都会影响阻尼器输出阻尼力。六个参数中,线圈匝数、励磁电流强度的影响较大,其余四个参数的影响较小。研究结果对固定阀式磁流变阻尼器初始设计提供一定参考。

关键词:

固定阀式磁流变阻尼器;磁路分析;输出阻尼力;ANSYS

1引言

磁流变阻尼器是一种可以根据工况改变输出阻尼力的阻尼可调减震器,由于其具有响应速度快、输出阻尼力大、功耗小等优点,已经被应用于桥梁、建筑、车辆和军事领域。目前普遍使用的剪切阀式磁流变阻尼器存在线圈易过热、磁场利用效率低等问题,为解决这些问题,出现了一种新型结构的磁流变阻尼器[1],这种磁流变阻尼器采用固定阀式结构,线圈与活塞分离,直接与阻尼器筒壁接触,有效解决了线圈易过热的问题。采用固定阀式结构,也延长了磁流变液在磁场中的有效流动时间,提高了磁场利用效率。目前,对于剪切阀式磁流变阻尼器磁路的设计及分析研究较多[1-5],而对于固定式磁流变阻尼器磁路的设计却鲜有研究,而固定阀式磁流变阻尼器有诸多优点,所以通过开展固定阀式磁流变阻尼器磁路的分析研究,来指导该类磁流变阻尼器的初始设计具有十分重要的意义。本文将对这种新型磁流变阻尼器的磁路进行分析。

2结构

图1是剪切阀式磁流变阻尼器磁路示意图,该结构主要由活塞、缸筒、线圈组成,由活塞和缸筒形成工作间隙,线圈安装在活塞上。当活塞在外力作用下运动时,磁流变液受到挤压而进入间隙,由于线圈通电产生工作磁场,磁流变液在流过间隙时发生磁流变效应而产生阻尼力,控制线圈电流大小就可以控制阻尼力。剪切阀式结构的优点,一是可以有效减小阻尼器的轴向长度,更适合在有限空间安装;二是结构简单、设计方便。同时缺点也很突出:一是线圈散热差,主要是因为与线圈直接接触的是磁流变液,而磁流变液也在不断运动中,本身就会产生热量;二是控制导线布置困难,线圈缠绕在活塞上,需要在活塞和活塞杆上留有导线孔,在高压条件下,密封困难,磁流变液容易沿导线泄露。图2是新型固定阀式磁流变阻尼器磁路示意图,该结构主要由内筒、外筒、线圈、齿形圆盘、环形圆盘以及间隙环组成,由齿形圆盘和环形圆盘形成工作间隙,线圈缠绕在内筒上。其工作原理和剪切阀式相同,都是磁流变液受到挤压进入工作间隙,受到磁场作用而发生磁流变效应而产生阻尼力。这种结构与剪切阀式的区别在于:一是线圈与活塞分立,且直接与外筒接触,线圈散热更好;二是采用齿形和环形圆盘结构的间隙有效延长了磁流变液在磁场中的有效流动时间,理论上可以产生更大的输出阻尼力。

3磁路模型

目前,对于磁流变阻尼器的磁场分析,主要有简化磁路法和有限元法两种[2]。由于简化磁路法计算结果与实际情况出入较大,适用于初步估算,在精确设计时,一般还是采用有限元法。新型磁流变阻尼器为一个上下、左右对称的模型,因此在分析中选取模型的1/2作为分析的对象。为了提高磁场利用率,减小漏磁,要特别注意材料的选取。磁力线经过内、外筒时,会向径向漏磁,所以内外筒要选用不易导磁的材料。为了使磁力线尽可能垂直穿过平行的环形缝隙,缸体材料和圆环、圆齿盘也要选取导磁性好的材料。有限元分析的几个重要结构参数主要是:线圈匝数、励磁电流强度、工作间隙、圆环盘内径、圆齿盘齿根半径、缸体磁流变液流道宽度。磁感应强度是影响可控阻尼器的关键参数,所以本文把工作间隙处磁感应强度作为目标,研究结构参数变化对其影响。

4有限元分析

应用ANSYS软件,以表1给出的参数作为结构参数,进行对比验证。根据不同部位磁导率要求,设置缸体相对磁导率为400;圆环、圆齿盘相对磁导率为2000;线圈相对磁导率为1;内筒相对磁导率为1,外筒相对磁导率为600;磁流变液相对磁导率为10。选取单元PLANE13。然后经过网格划分,如图4所示、边界条件设定和励磁加载以及求解。最后得到的磁场强度云图和磁力线分布图分别如图5、图6所示。磁力线分布显示,间隙处磁力线均匀分布,磁流变液在阻尼通道内的流动方向和磁场保持垂直,并且由于增长了磁流变液在阻尼通道内的流动距离,所以大大提高了磁场的利用效率。保持其他结构参数不变,只改变某一个参数,对于磁场强度的影响分析如下:(1)当增加线圈匝数,其他参数不变时,在结构各个部分的磁场强度分布状况相似,当线圈匝数在800的基础上增加100匝后(结构2),阻尼通道上的磁感应强度增加,27根模拟磁力线中有15条垂直穿过平行圆盘。本文中增加线圈匝数的过程中忽略了线圈截面积的变化,当线圈匝数增加时,线圈截面积变大,施加给线圈的电流密度同时减小,会使实际的磁感应强度变小。(2)当电流强度增加为2A(结构3),其他参数不变,各处磁感应强度变为原来2倍。提高电流强度能增强结构磁场强度,线圈通电过程中会产生大量热量,同时通电铜导线具有安全电流,所以通电电流不宜过大。(3)当工作间隙变化为3mm时(结构4),最大磁感应强度增大,但是平行间隙的感应强度显著减小,各间隙减小幅度相同,一般工作间隙设计宽度为1~2mm。(4)当圆环盘内径变化为6mm时(结构5),平行间隙中的磁感应分布发生变化,在第二、三间隙内磁感应强度明显减弱,第一、四间隙的磁感应强度增强。增加圆环盘内径会使间隙中磁场分布不均匀,磁流变液在间隙中流速不稳定,影响磁流变阻尼器的力学性能。(5)当圆齿齿根半径增大为20mm时(结构6),间隙处磁感应强度显著增强,且分布较为均匀。增加圆齿齿根半径能有效增加间隙的磁感应强度,并且不改变磁场在间隙中的分布情况。设计中,齿根半径不宜太大,太大会阻碍磁流变液的流动,造成内部压力增大,增加材料的负荷。在满足压力条件的情况下,可尽可能增加齿根半径来提高间隙的磁感应强度。(6)当增大流道宽度为8mm时(结构7),间隙中磁感应强度减小,第一、四间隙中,磁感应强度变化较小,而二、三间隙中磁感应强度显著减小,同样使磁流变液在间隙中的流速不均匀,影响磁流变阻尼器的力学性能。在设计中,缸体磁流变液流道不宜过大,在满足流速要求的情况下,尽量减小其尺寸。

5结论

(1)增加线圈匝数、励磁电流强度、圆齿盘齿根半径、缸体磁流变液流道宽度能有效提高磁场强度,并且磁场在间隙各处均匀分布;(2)增加圆环盘内径、缸体磁流变液流道会使间隙磁感应强度减小,但各间隙变化不均匀;(3)增加工作间隙磁感应强度减小,且各间隙变化相同。所以,在进行平行盘式磁流变阻尼器的初始设计时,在满足其他条件的同时,应该提高线圈匝数、励磁电流强度、圆齿盘齿根半径、缸体磁流变液流道宽度,来提高间隙处的磁感应强度,从而提升平行盘式磁流变阻尼器的输出阻尼力。

参考文献:

[1]赵晓文,侯忠明,杜彦亭.多自由度减振磁流变阻尼器的设计研究[J].地震工程与工程振动,2011,31(5):178-183.

[2]胡红生,王炅,李延成.火炮磁流变后足阻尼器的设计与磁路分析[J].弹道学报,2009,21(2):78-82.

[3]兰文奎,程飞,张晋源.利用ANSYS的磁流变减振器磁路分析[J].现代制造工程,2013,(3):60-63.

[4]周瑾,吴友海.支承磁悬浮轴承的磁流变阻尼器磁场分析[J].磁性材料及器件,2010,41(6):17-20.

[5]黄亮,侯玉洁,徐建国.磁流变阻尼器在渡槽抗震中的应用研究[J].磁性材料及器件2010,41(3):50-52

[6]王昊,史小梅.磁流变阻尼器的磁场分析[J].液压与气动,2009,(12):67-69.

[7]涂奉臣,周滨,周娟,等.新型磁流变阻尼器的磁路设计和磁饱和分析[J].功能材料,2010,35-37.

作者:王佑君 向书迪 朱海涛 姚凯 赵晓文 单位:第二炮兵工程大学 机械教研室 解放军济南军事代表室 总后勤部建筑工程研究所

磁性材料及器件杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次