磁流变材料与磁流变阻尼器的潜在工程应用.pdf
磁流变材料与磁流变阻尼器的潜在工程应用廖昌荣,余 淼,陈伟民,黄尚廉(重庆大学光电工程学院智能结构研究中心,重庆 400044)摘要:磁流变材料由悬浮于载体液中的磁化微粒和稳定剂构成,是一种智能材料,在工程上有较大的应用前景。简要介绍了磁流变效应的机理及磁流变体的特性,阐述了磁流变器件的工作原理,归纳了磁流变技术在工程中的一些应用,展望了磁流变技术的应用前景。关键词:磁流变效应;磁流变体;磁流变器件中图分类号:TB381文献标识码:A文章编号:1000-3738(2001)01-0031-03Magnetorheological Materials and Potential Application ofMagnetorheological Damping Devices in EngineeringLIAO Chang-rong,YU Miao,CHEN Wei-min,HUANG Shang-lian(Chongqing University,Chongqing 400044,China)Abstract:Magnetorheologyical fluid,which consist of suspensions of magnetic particle and stabilizer in acarrying fluid,are regarded as one of the most versatile materials available for applications in engineering.Theprinciple of magnetorheological effect(MRE)and the properties of magnetorheological fluids(MRF)are brieflyintroduced in this paper.The work principles of magnetorheological damping devices are illustrated and some ap-plication of magnetorheological technique in engineering are presented.The future of magnetorheological techniqueis prospected.Key words:magnetorheological effect;magnetorheological fluid;magnetorheological device1引言磁流变效应(magneto-rhelogical effect,简称MRE)是磁流技术的基础,在 20 世纪 40 年代 Rabi-now J 首次发现磁流变现象 1:在外加磁场的作用下,某些流体的粘度会迅速发生显著变化,流体的流动屈服应力增大,从而改变其流变特性,当去掉外加磁场时,流体又灰复到原来的状态,其响应时间仅为几毫秒,这种现象称为磁流变效应。能产生磁流变效应的流体称为磁流变体(magneto-rheological fluid简称MRF),磁流变化由三部份组成:可在磁场中产生极化的离散微粒、载体液和稳定剂。可极化微粒是铁磁性和顺磁性的球形微粒(如铁、镍、钴、铁氧体和石榴石等),其直径一般为 110L m;载体液要求具有良好的温度稳定性、阻燃性和不易产生污染,一般采用硅油、煤油和合成油等;稳定剂的作用是确保磁流 变 体 良 好 的 沉 降 稳 定 性 和 凝 聚 稳 定 性,因为磁流变体是分散相,直径为微米级的粗分散体收稿日期:1999-12-07;修订日期:2000-02-28作者简介:廖昌荣(1964-),男,高级工程师,重庆大学博士生系,在重力和离心力的作用下容易产生沉降现象,磁性微粒由于化学和物理作用易发生凝聚现象。当磁流变体处于外加磁场中,其粘滞系数明显增加,其主要原因是结构元的变化,在经典理论中,用磁偶极矩和磁性微粒成链作为结构元来解释磁流变效应,Shulman 和 Kordonskii 对磁流变效应作了解释 2:悬浮相是按一定角度定向排列互不影响的粒子剪切流动,当受到外加磁场作用时,悬浮液粘滞性的增加是由于附加能量被结构元的载流分子介质所消耗,机械能消耗的程度(磁流变体粘性的增加)是由磁流变体的微结构(微粒伸长和定向排列的程度)、外加磁场强度和剪切率大小等因素所决定。磁流变体的流变学特性与诸多因素有关,主要是下列几方面:(1)磁流变体的剪应力与饱和磁化强度的关系Carlson 等 3利用偶极子相互作用模型来描述磁流变体的特性,与 Ginder 4采用有限元方法研究结果是一致的:最大剪应力与饱和磁化强度的平方成正比。(2)磁流变体的屈服应力与磁化率的关系Rosenwig 等 5将磁流变体看作一种非对称弹性和31第 25 卷第 1 期2001 年 1 月机械工程材料MaterialsforMechanicalEngineeringVol.25No.1Jan.2001磁性应力状态的连续体,研究了屈服应力与体积分数之间的关系,在悬浮相体积分数一定的情况下,随着磁化率的增加,屈服应力会增大。(3)温度对磁流变体的影响复旦大学的潘胜等 6建立了一个实验装置,测试了温度对由羟基铁配制的磁流变体静态屈服应力的影响,研究结果表明,静态屈服应力在不同温度(室温+150 C)变化非常小。(4)磁流变体的剪切应力与悬浮相尺寸的关系Lemaire 7对磁流变体的屈服应力与悬浮相微粒尺寸的关系进行了研究,悬浮相微粒直径对屈服应力的影响取决于耦合系数的大小,研究也发现,一定尺寸的单分散比多分散系试样具有更佳的磁流变体效应,这种效果来自无流动条件下的布朗运动引起的结构起伏,该运动使单链中两端临近微 粒之间距离大于多分散系的平均距离,而链结构对流体流动的阻力恰恰来自于这种加大的间隙。(5)磁流变体在剪切流作用下的结构变化Cutillas 的研究表明,在剪应力作用下磁场中的磁流变体由六方密排向层状结构转变,发生该结构的转变的临界应变为 0.15。(6)添加剂对磁流变体性能的影响添加剂增大了磁流变体的粘度,有助于克服磁性微粒的沉降,用不同载体液配制磁流变体必须考虑添加剂的不同比例,采用预处理的磁性微粒来配制磁流变体已使分散相的不稳定性有所改善,添加剂的比例应相应减少,或者采用对载体液的粘度不敏感的添加剂,使磁流变体的零场粘度下降。2磁流变阻尼器件的工作模式适用于制作磁流变阻尼器件的磁流变体应具有下列特性:在加磁场作用下有较高的屈服应力;在零场作用时具有较低的粘度;较宽的工作温度范围;长期的沉降稳定性和凝聚稳定性;较好的化学稳定性;响应时间短;与密封元件不发生化学作用。磁流变体能制成各种各样的阻尼器件,其工作原理有下面三种形式,见图 1。图 1磁流变阻尼器工作原理Fig.1Principle diagram of MR fluid damper3磁流变阻尼器件及其工程应用3.1汽车座椅悬架磁流变阻尼器图 2 为 Lord 公司开发的汽车座椅悬架阻尼器 8,该阻尼器为单筒式,采用压缩氮气作补偿,阻尼孔环形分布与电磁线圈绕制都在活塞上,通过活塞杆引出电源线,该阻尼器直径 4.1cm,两连接孔中心距离为 17.9cm,活塞行程为2.9cm,阻尼器消耗磁流变体为 70cm3,在活塞中发生流变的流变液为 0.3cm3,在输入电流为1A 时输入功率为 5W。该阻尼器使用 5106次无故障发生,磁流变阻尼器寿命的长短决定于密封设计、材料选择和磁流变体的化学稳定性。3.2建筑结构中使用的磁流变阻尼器建筑结构的振动是造成重大灾害的重要原因,对其振动进行控制是当今世界研究的重要课题,磁图 2汽车座椅悬加磁流变液阻尼器Fig.2Schematic of MR fluid damper流变阻尼器是一种先进的执行器,为此 Lord 公司的研究人员开发了建筑结构抗振的阻尼器 911,见图3,其最大阻尼力为20t,可调阻尼系数为10,它将筒体作为磁路的一部分,外筒与活塞之间的间隙作为阻尼通道,为了增大阻尼力采用了三组活塞进行串联,电磁线圈绕制于活塞上,同时设计了专用的补偿装置,阻尼器行程为8cm,内径为 20.3cm,总长约为 100cm,耗用磁流变体为 5L。32廖昌荣,等:磁流变材料与磁流变阻尼器的潜在工程应用图 3磁流变阻尼器结构Fig.3Schematic of M R fluid damper与汽车座椅悬架阻尼器的使用环境不同,建筑结构振动控制阻尼器绝大多数时间是静止不动的,密封和磨损不是重点考虑的问题。Dyke S J 等 12对磁流变阻尼器的应用进行了研究,通过模拟和实验室模型实验表明:采用加速度反馈控制策约,可以得到较为理想的控制效果,有关研究人员正致力于开发类似的磁流变阻尼器,为智能建筑结构提供新型的执行器。3.3微型磁流变阻尼器可用于实时控制和主动控制的磁流变阻尼器由Lord 公司开发成功 9,见图 4,该阻尼器的活塞为圆盘,电磁线圈绕制在外筒上,由于行程较小,可用有弹性的橡胶元件进行密封,不需要考虑动力密封和滑动密封。由于阻尼器被全部密封因而可采用水基磁流变体,这样便解决了油基(碳氢化合物)磁流变体与橡胶的化学作用。由于水基磁流变体有更多的稳定剂和表面活化剂可选择。但是这种结构的阻尼器行程受到限制(该阻尼器的行程为3mm)。这种磁流变阻尼器可用于锁紧装置,在阻尼器的外面装上弹簧元件便可制成可调阻尼的发动机机座,为抑制发动机引起的机械设备振动提供了新的途径。图 4微型磁流变阻尼器Fig.4A mini-damper based on MR fluid3.4直升飞机旋转叶片磁流变阻尼器由于飞行状态的变化和气候的变化,直升飞机的旋转叶片容易引起振动,给飞机和乘驾人员造成了极大的威胁,传统的方法是在叶片的后翼和襟翼之间安装被动的液力阻尼器或安装弹性阻尼器来减小振动,但这种方法不能提供有效的阻尼来抑制叶片的振动。美国宾夕法尼大学的研究人员将传统的液力阻尼器改为磁流变阻尼器 14,见图 5。图 5直升飞机旋转叶片磁流变阻尼器Fig.5A M R fluid damper for helicopter blade研究人员采用开关控制和线性反馈控制方法对其振动进行了测试,结果表明:磁流变阻尼器比传统阻尼器更能有效地控制叶片振动,剪切模式的磁流变阻尼器比同样大小的弹性阻尼器能产生更大的阻尼,更能有效地抑制叶片共振。另外美国马里兰大学的研究人员也对直升飞机旋转叶片用的磁流变阻尼器的特性进行了研究 1518,对磁流变阻尼器在零场和磁场中进行了单一频率和两种复合频率的测试,建立了磁流变阻尼器的非线性粘弹-塑性模型,为磁流变阻尼器的应用奠定了相应的技术基础。3.5其它磁流变阻尼器磁流变阻尼器在汽车领域的应用主要集中在汽车悬架减振 19,这种减振器的行程较大,为此德国萨尔大学的研究人员 13设计了一个长行程的磁流变阻尼器,见图 6,并在减振器试验台上进行了测试。同时他们设计了一种行程为 100Lm 的阻尼器,并对其性能进行了测试。研究表明:在长行程减振器中,剪切率达到一定的数值以后,磁流变体在阀中的压力损失与剪切率基本无关,活塞速度太大将影响磁流变效应。图 6长行程磁流变阻尼器Fig.6A long-stroke MR fluid damper4结束语由于磁流变体具有非常优良的可控性能,在 工程上有广阔的应用前景,引起了有关工程技术领域33廖昌荣,等:磁流变材料与磁流变阻尼器的潜在工程应用的高度重视,在我国已有不少研究人员致力于开发各种磁流变器件,主要应用在下列几个技术领域。(1)汽车制造行业利用磁流变体可以成功地开发许多新型的汽车零部件,如可控阻尼的悬架减振器,提高汽车的安全性和舒适性;汽车风扇调速离合器,使发动机处于更理想的工作状态;汽车离合器和汽车制动器,提高传动效率。(2)液压控制行业利用磁流变效应可开发各种流量控制阀和压力控制阀,这些液压元件没有相对运动的阀芯,制造成本低,无磨损,寿命长,易于控制,有较大的市场前景。(3)机械制造行业利用磁流变体在磁场作用下发生固化的特性,可对形状结构较为复杂的工件进行定位和夹紧,以便进行机械加工,这便可以开发磁流变夹具。(4)机器人领域利用磁流变体可以制造出作用力大、响应快、动作灵活、无磨损、易于控制的活动关节,这比传统的电-液控制关节更优越。(5)建筑结构领域由于地震和风震的影响,高层建筑和大型桥梁易产生振动,利用磁流变体可以制造阻尼可调的阻尼器,实现振动的半主动控制。参考文献:1 Rabinow J.The magnetic fluid clutch J.AIEE T rans,1948,67:13081315.2 Shulman Z P,et al.Physical properties and dynamics of mag-netorheological suspensions J.Int.J.M ultiphase Flow,1986,12(6):935955.3 Mark R Jolly,et al.A Model of the behavior of magnetorhe-ological materialsJ.Smart M ater Struct,1996,5:607614.4 Ginder J M,et al.Shear stresses in magnetorheological fluid J.Appl Phys Lett,1994,65:34103418.5 Rosensweiing R E.FerrohydrodynamicsM.Cambridge Uni-versity Press,1985.6 潘胜,等.磁流变液的屈服应力与温度效应 J.功能材料,1997,28:264266.7 Lemaire E,et al.Influence of the particle size on the rheologi-cal fluids J.Rheol.1995,39:10111020.8 Carlson J D,et al.Commerical magnetorheological fluid de-vices C.5th Int.Conf on ER,M R.Suspensions and Associ-ated Technology,Sheffield,July,1995.9 Carlson J D,et al.T he promise of controllable fluidC.Ac-tuator 94 4thInt.Conf.on New Actuator,1994,266270.10 M ark R Jolly,et al.Porperties and applications of commer-cial magnetorheolog ical fluids J,SPIE,1998,3327:262275.11 Dyke S J,et al.A New semi-ative control device for seismicresponse reduction C.Proc.11thASCE Engrg.M ech Spec.Conf,New York,1996.12 Dyke S J,et al.M odeling and control of magnetorheologicaldamper for seismic response Reduction J.Smart Mater.Strust,1996,5:565575,13 Balf Bolter,et al.Design rules for MR fluid actuators in dif-ferent working modes J.SPIE,1998,3045:148159.14 Sameer Marathe,et al.Helicopterbladeresponseandaeromechanical sstability with a magnetorheological fluidbased lag damoerJ.SPIE,1998,3329:390401.15 Gopalakrishna M Kamath,et al.Characterization of semi-ac-tive magnetorheological helicopter lag mode dampers J.SPIE,1998,3329:356377.16 Panda,B et al.Application of passive dampers to modem he-licopters J.Smart Mater.Strust,1996.5:509516.17 Kamath G M,et al.Analysis and testingofamode-scalemagnetorheolog ical fluid lag mode damper C.53rd AnnualForum of T he American Helicopter Society.Virgina Beach,VA.1997,13251335.18 Hurt M K,et al.Controllable fluid damper helicopter rotorstability auggmentationC.the AIAA/ASM E/AHS,Adap-tive Structure Forum,Salt Lake City,U tah,April,1996.19 Carlson J D,et al.Magnetorheological Fluid DevicesP,U S Patent,5,284,330,1994.(上接第 30 页)应模式来描述,反应产物 Al2O3在 SiO2一方原位生长,反应包括孕育期、反应期及反应后期。反应放出热量。(2)利用 SiO2固体与铝液反应可制备出与SiO2制品尺寸一样的 Al-Al2O3基复合材料制品。参考文献:1 吴学锋.金属陶瓷发展情况J.金属材料研究,1998,4:23.2 Huda D,El Baradie M A,Hashmi J M S.Meal-matrix com-posites:Manufacturing aspects J.Part.Journal of M ate-rials Processing 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