一種磁性液體阻尼減振器的試驗研究

常建軍，姚 杰，李德才

（北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京100044）

一種磁性液體阻尼減振器的試驗研究

常建軍，姚 杰，李德才?

（北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京100044）

針對航天器上長直物體的振動問題，基于磁性液體的二階浮力原理與液體的粘性耗能原理，提出了一種新結構的磁性液體阻尼減振器。該減振器由非導磁性殼體、永磁體和磁性液體構成，吸附有磁性液體的永磁體作為工作單元，當有振動產生時，工作單元與非導磁性殼體產生相對運動，從而實現摩擦耗能。試驗表明對數衰減率隨非導磁性殼體長度（177～228 mm）的增加而增大后趨于平穩，且效果明顯；對數衰減率隨注入磁性液體質量（2～22 g）的增加先增大后趨于平穩并略有下降，且效果不明顯。

磁性液體；粘性耗能；阻尼減振器；二階浮力原理

1 引言

航天器運行過程中長期處于微重力環境，很容易受到來自外界和自身振動的影響，而這類振動往往又很難被消除［1］。這些振動包括各類發動機（如遠地點發動機、反推發動機及姿控小發動機等）工作時產生的動力干擾，太陽能帆板的驅動機構、天線指向機構、反作用輪等機構在運行時產生的振動，艙段分離和交會對接引起的劇烈振動，子推進器運行以及軌道控制和姿態控制動作引起的振動，各種設備比如泵、閥門和風扇等的啟動引起的振動，航天員自身的活動所引起的振動等。為了保證航天器的正常運行，當振動頻率高于0.3 Hz時就需要采取適當的減振措施［2］。

磁性液體是一種新型的功能材料，它是由鐵磁性或亞鐵磁性微粒高度彌散于液態載液中構成的一種高度穩定性的膠體溶液，既具有液體的流動性，又具有固體磁性材料的磁性［3］。在磁性液體工程應用之初，人們就提出了將磁性液體應用于阻尼減振的想法［4］。1966年NASA研制了一種無線電天文探測衛星用磁性液體粘性阻尼減振器［5］，這種阻尼減振器能夠有效抑制衛星中穩定系統引起的振動和擾動振蕩；之后國外研究人員相繼提出了為抑制線性振動而設計的磁性液體阻尼減振器［6］、磁性液體旋轉式慣性阻尼減振器［7?8］、活塞式磁性液體阻尼減振器［9?10］、電流變磁性液體阻尼減振器［11?12］、活塞式磁性液體主動阻尼減振器［13?17］、調諧磁性液體阻尼器［18?20］、多孔彈性片狀磁性液體阻尼器［21］、磁性液體動力吸振器［22?23］等多種結構的磁性液體阻尼減振器。

本文提出了一種新型的磁性液體阻尼減振器結構，分析了一端固定一端加裝磁性液體阻尼減振器的銅板的振動模型。通過試驗測得了永磁體所受回復力與永磁體之間距離的關系，并對影響減振效果的結構參數進行了試驗研究。

2 工作原理

本文提出的磁性液體減振器結構由一個圓柱形的非導磁性殼體、固定在非導磁性殼體兩端的圓柱形永磁體和工作單元構成，工作單元由吸附適量磁性液體的三塊永磁體構成，該結構如圖1所示。二階浮力原理使工作單元能夠懸浮在磁性液體之中，同時由于永久磁鐵的強磁場作用，磁性液體被牢牢束縛在磁鐵周圍，即使在失重環境下也不會發生飄逸現象，吸附有磁性液體的工作單元如圖2所示，其所受的懸浮力表達為式（1）［24］：

當外界發生振動時，工作單元由于慣性作用將與非導磁性殼體發生相對運動，使得磁性液體產生粘性摩擦，從而將機械能轉化為熱能，達到消減振動的目的。固定在非導磁性殼體兩端的永磁體保證了工作單元在運動過程中有一個始終指向中心位置的回復力，避免了由于振動過大造成的撞壁現象。此外，通過改變殼體長度l2可以實現對回復力大小的控制。通氣槽避免了工作單元運動時兩端氣壓不等，對回復力造成影響［23］。

3 試驗

本次試驗所用實驗臺如圖3所示。彈性銅板一端固定，另一端呈自由振動的狀態。

本次試驗選用的位移傳感器型號為HL?G108?S?J，其最小分辨率為2.5μm。輸出的位移信號通過型號為DI710的數據記錄儀進行接收，計算機對數據進行處理得到對數衰減率的值。

試驗選用的銅板尺寸為1200 mm×49 mm× 5 mm；磁性液體阻尼減振器的殼體內徑為30 mm；工作單元中永磁體的質量為47.7 g；工作單元中位于兩端的永磁體尺寸為直徑25 mm、厚度5 mm，連接用永磁體的尺寸為直徑9 mm、長度25 mm。試驗所用的磁性液體為酯基磁性液體，其蒸汽壓較低，適用于真空環境。其飽和磁化強度為400 Gs，粘度為0.27 Pa·s。試驗中銅板的振幅為1 mm，頻率為1.4 Hz。

在小位移的情況下，該系統的振動模型依據傳統振動的兩自由度系統簡化得到如圖4所示的原理圖。

該二階系統的微分方程為式（2）：

式中的k1，C1分別為振動系統的等效剛度和等效阻尼，C2為減振器工作單元的等效阻尼，Fm為永磁體所受兩邊回復力磁鐵的磁力，m1為磁性液體阻尼減振器外殼加彈性銅板的質量，m2為吸附有磁性液體的永磁體的質量。

4 試驗結果及分析

圖5展示了工作單元與單塊回復力永磁體之間的斥力關系。

由圖可知，在60～200 mm的范圍內，任意1 mm振幅情況下都可認為回復力Fm與永磁體距離呈線性關系，即：為減振器工作單元的等效剛度。

圖6展示了殼體長度l2對減振效果的影響，試驗所注入的磁性液體為20 g。根據圖5可以計算得到不同殼體長度l2所對應的等效剛度k2，如表1所示。

表1 不同殼體長度下的k2值Table 1 The equivalent stiffness k2w ith the various lengths l2

由圖6可知，隨著殼體長度的增加，對數衰減率增大，在長度為228 mm時，對數衰減率達到了最大值0.0157。磁性液體阻尼減振器的減振效果呈增大的趨勢，原因是隨著殼體長度l1的增加，殼體端面永磁體對工作單元提供的磁力減小，工作單元晃動時所受外力減小，一個周期內運動的距離增加，由于磁性液體所加質量一定，與殼體的接觸面積一定，當距離增加時，粘性耗能作用增強。從圖中可以看出，當殼體長度從183 mm變為188 mm時，對數衰減率有大幅度提升，這是因為當殼體長度是177 mm與183 mm時，工作單元與端面永磁體初始距離小，永磁體之間的斥力較大，當振動產生時，工作單元在端面永磁體的作用下幾乎不能運動，因此此時的對數衰減率接近于不加磁性液體阻尼減振器時的對數衰減率。圖6也說明了增大殼體長度對數衰減率有明顯提高。

圖7展示了磁性液體注入量對減振效果的影響，選取殼體長度l2為228 mm。

由圖7可知，隨著中部永磁體兩端注入磁性液體質量的增加，對數衰減率增大，當注入的磁性液體質量為4 g時，達到0.0147，原因是開始時刻隨著磁性液體質量的增加，磁性液體與殼體的接觸面積增大，且振動時隨中部永磁體晃動的磁性液體數量增大，粘性耗能的能力加強。繼續注入磁性液體時減振效果趨于平穩并略有下降，趨于平穩的原因是因為注入的磁性液體達到一定質量時，再繼續注入磁性液體，后注入的磁性液體沒有被吸附到工作單元兩端，而是附著在工作單元附近的殼體內壁，增多的附著磁性液體在工作單元晃動過程中反而會起一個阻礙的作用，這也解釋了阻尼效果趨于平穩之后會有略微下降。當注入磁性液體質量達到16 g后又出現了一個上升趨勢，當注入質量為22 g時，對數衰減率達到最大值0.0167。此時由于不被工作單元吸引的磁性液體中和了一部分端面永磁體的作用，中和的這部分力大于這部分磁性液體起到的阻礙力，減振效果繼續增強。從圖中可以看出，當注入的磁性液體質量從2 g增加到4 g時，對數衰減率大幅度提升，這是因為實驗選用的工作單元質量較大，當注入的磁性液體質量為2 g時，工作單元難以在二階浮力原理的作用下浮起，當懸臂梁開始振動時，工作單元與殼體干摩擦，此種情況下磁性液體的粘性耗能作用已經很低。圖7也說明了增加注入磁性液體質量，對數衰減率提高不明顯。

圖8展示了實驗中優化后的磁性液體阻尼減振器對數衰減率與不加磁性液體阻尼減振器情況下的對比情況，由圖可知，采用磁性液體阻尼減振器的減振效果明顯，通過計算，優化后的對數衰減率是不加減振器的3.48倍。

7 結論

提出了一種磁性液體阻尼減振器，試驗研究了殼體長度以及注入的對磁性液體阻尼減振器減振效果的影響：

1）加裝經過優化后的減振器的對數衰減率為不加裝減振器的3.48倍；

2）殼體長度在177～228 mm范圍內變化時，加裝磁性液體阻尼減振器振動系統的對數衰減率最大值為0.0157，殼體長度對減振效果的影響明顯；

3）注入的磁性液體質量在2～22 g范圍內增大時，加裝磁性液體阻尼減振器振動系統的對數衰減率最大值為0.0167，注入的磁性液體質量對減振效果的影響不明顯。

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Experimental Study on Magnetic Fluid Damper

CHANG Jianjun，YAO Jie，LIDecai?
（School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

A new type ofmagnetic fluid damper based on the rule ofmagnetic fluid’s second?order buoyancy and the rule of themagnetic fluid＇s vicious energy dissipation was proposed to solve the vi?bration problem of the long and straightobjects on the spacecraft.Themagnetic fluid damper is com?posed of a non?magnetic shell，threemagnets and themagnetic fluid.There will be friction between the working unitwhich is composed of threemagnetswithmagnetic fluid and the non?magnetic shell when vibration occur due to the relativemotion between them.Experimental results showed that the log decrement rate increased with the increase of the length of the non?magnetic shell（increasing between 177 mm to 228 mm），and then became stable.The effect was obvious.Experimental re?sults also showed that the log decrement rate increased with the increase of the length of themass of the injected liquid（increasing between 2 g to 22 g），then tended to be stable and decreased slight?ly.The effectwas not obvious.

magnetic fluid；viscous dissipation；damper；second?order buoyancy

TH7

A

1674?5825（2017）01?0051?05

2015?09?28；

2017?01?09

國家自然科學基金（51375039）；長江學者創新團隊基金（IRT13046）

常建軍，男，碩士研究生，研究方向為磁性液體阻尼減振。E?mail：13121250＠bjtu.edu.cn

?通訊作者：李德才，男，博士，職稱，研究方向為機電液磁一體化理論及應用。E?mail：dcli＠bjtu.edu.cn