磁流变液装置在高速列车领域中的应用

张雅娴，沈景凤，徐 斌

(1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海材料研究所，上海 200437)



磁流变液装置在高速列车领域中的应用

张雅娴1,2，沈景凤1，徐 斌2

(1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海材料研究所，上海 200437)

磁流变液是一种在磁场作用下可以改变其流变特性的智能材料，这种连续可逆可调的磁流变效应使其在汽车、建筑、航空等领域得到了广泛应用，在高速列车领域的减振、制动等方面也得到了新的发展。文中概述了磁流变液及其器件的特性与国内外的研究现状，介绍了磁流变装置在高速列车振动控制等方面的研究与应用概况，讨论了磁流变液装置在高速列车领域未来研究中仍面临的技术问题以及应用前景。

磁流变液；高速列车；阻尼器；减振

磁流变液(Magneto Rheological Fluid， MRF)是一种可控流体，是智能材料研究中较为活跃的一支。磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微米级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情况下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，其可在毫秒内呈现出高粘度、低流动性的Bingham体特性，如图1所示。这种由强磁场的作用引起磁流变液在牛顿流体和类固体之间转变的特性称为磁流变效应。磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、连续的，其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，使它可以实现精准的实时控制，阻尼力可以连续可逆变化。磁流变液具有低电压低能耗、稳定耐久、使用寿命长的优势，因此在车辆减振、土木建筑、航空航天和医疗等领域得到广泛应用。

随着我国高速铁路的发展，运行速度日益提高，引发的动力学和振动问题愈加突出，安全问题就愈加重要。在高速列车的振动控制与动力学研究中，磁流变液凸显出其可调阻尼力的重要性。本文旨在介绍磁流变液及其器件的特性与研究概况、磁流变液在高速列车领域中的一些应用和进展。

图1 磁流变液在无磁场与施加磁场时的磁性颗粒所处的形态

1 磁流变液的研究现状

磁流变液是由美国学者Rabinow[6]在 1948年发明的应用磁流变液的离合器中首次提出。然而，在20世纪50年代到80年代期间,由于没有认识到磁流变液剪切应力的潜在性及其存在悬浮性、腐蚀性等问题，磁流变液发展缓慢。进入90年代，随着制备技术的提高，较之电流变液的低屈服应力、高电压安全性问题，磁流变液研究重新引起了研究人员的兴趣，成为当前智能材料研究领域的一个重要分支。

美国LORD公司的Carlson和Weiss等人在磁流变液性能研究和应用开发方面取得了较为突出的成就，LORD公司在磁流变阻尼器领域一直处于领先地位。我国的磁流变液研究工作起步较晚，近几年来国内先后有复旦大学、重庆大学、上海交通大学、电子科技大学等数十家单位进行磁流变液的研究工作。

2 磁流变阻尼器研究

(Magnetorheological Damper，MRD)磁流变阻尼器是利用磁流变液的磁流变效应而制成的可调阻尼元件。在阻尼器的活塞轴上缠绕电磁线圈，线圈产生的磁场作用于磁流变液，通过控制电磁线圈电流的大小来改变磁流变液的粘度，以实现阻尼可调的目的。 MRD具有结构简单、易安装、响应快、使用范围广、阻尼力大且连续顺逆可调和无噪音等优点，特别突出的是MRD功耗低(<5 OW)，工作电压只需2～25 V。即使能源中断时控制器停止工作,MRD仍可作为被动耗能装置而继续发挥控制作用，因此具有很强的安全可靠性。图2为典型的磁流变阻尼器。

图2 典型的磁流变阻尼器

在磁流变液减振器的研究过程中，有不少学者研究了基于混合或流动模式的直筒型磁流变液减振器，这种减振器的阻尼通道是工作缸与活塞之间的间隙[14]。由于制作和装配误差，常使阻尼通道变成非对称环形通道，不同位置的磁阻差异导致磁场分布不均，磁流变液在通道中的流动特性发生变化，影响到磁流变液减振器的阻尼特性。磁流变液减振器活塞与工作缸之间的偏心率对其阻尼特性有较大影响，从理论上研究非对称环形通道中的磁场分布和磁流变液的流动特性，导出其理论阻尼特性及研究偏心率对阻尼特性的影响，对磁流变液减振器设计与制造具有重要的参考价值。如图3所示，在同一电流下，偏心率越低时阻尼力越大。在设计制作磁流变液减振器中应尽量减小偏心率，以提高阻尼力调节范围[2]。

图3 不同偏心率对阻尼力调节的影响

传统磁流变阻尼器可以随控制电流的变化来改变阻尼的大小，却不可以改变刚度的大小。系统刚度等于模型中单个线性弹簧的刚度，且为一定值。磁流变液构成的可变阻尼与固定刚度的弹簧通过串并联结构的搭配，可以得到变刚度变阻尼的效果。依据不同的模型，科研人员[12-13]做了大量设想,提出了不同的结构。在实际应用中,可通过对于内外筒中控制电流的控制,来使减振器调节到适合的阻尼与刚度,达到最佳的减振效果。

在MRD应用研究中，美国学者Spencer和Dyke等做了许多开创性的工作,系统研究了MRD的性能及在建筑结构振动控制中的应用。1996年以来，Spencer[8]等人研究了MRD的阻尼力模型、结构MRD的地震反应。Dyke[16]提出基于加速度反馈的Clipped-Op-tamale控制策略，并针对一座3层钢框架结构进行MRD控制的振动台研究。国内的周云[7]等人也对MRD在高层建筑风振控制中的应用做出了系列研究。实践证明，将MRD应用于建筑结构的减振控制中能取得良好效果。在医疗技术方面，李辉等人[10]将MRD用于康复机的阻尼部件，能降低噪音、减少污染，延长使用寿命。Biedermann[11]将MRD集成于假肢膝关节，效果稳定，兼具主动关节和被动关节两者的优势，与人腿机理高度匹配。基于MRD的半主动控制在汽车悬架系统中得到了长足发展，Jeon[10]设计制作的流动模式MRD已用于大型载重汽车座椅半主动减振系统，国内的杨绍普教授等已将MRD应用于汽车悬架的控制研究中，并改进了Bingham模型[3]。

3 磁流变液在高速列车上的应用

铁路运输是国民经济的大动脉，我国铁路承担着全国客运总量1/3以上和货运总量1/2以上的运输任务。现代轨道车辆以“高速、重载”作为发展的必然趋势。随着高速列车运行速度的逐渐提高，轮/轨之间、弓/网之间、车体/气流之间的耦合作用不断加强，轮轨作用力和列车的振动愈加剧烈，列车的运行稳定性等动态性能及安全性能逐渐恶化。因此，必须采用有效手段抑制车体振动，提高系统性能。在众多的阻尼器中，与传统的液压式、机械式和充气式减振器的体积大、反应速度慢、结构复杂等特点相比，磁流变阻尼器出力大、范围宽、反应迅速准确，其阻尼力可实现无级调节，变化可逆，适合于实时控制，且能耗非常低，可用于轨道车辆垂向振动控制、横向振动控制、抗蛇行振动控制等领域。

半主动控制技术可以得到与主动控制接近的效果，无需复杂的控制结构和外部动力源，而且能耗和系统性能较之主动控制也极优。MRD是比较合适半主动控制技术的作动器，MRD结合半主动控制技术的这种策略，是近年热点。图4为基于MRD的半主动控制器示意图。Savaresi[15]提出一种天棚阻尼控制(SH)和加速度阻尼控制(ADD)混合控制策略(SH-ADD)，只需要一个加速度传感器就可以实现，在低频及高频区域都能取得较好的控制效果。杨绍普等人[3]采用一种基于MRD的三自由度“开-关式半主动悬挂系统”，在低频时控制效果与主动悬挂接近，可显著降低机车悬挂质量的加速度值。对MRD输入电流进行模糊控制，并根据加速度即控制效果实时调整电流值的自适应模糊控制策略，在5～8 Hz的低频范围内能更有效地衰减车体的横向振动，改善乘坐舒适度。在高速列车中采用时滞较小的MRD，结合适当的半主动控制，可以使得系统的行驶稳定性得到大幅改善。

图4 基于磁流变阻尼器的半主动控制器

由于实际机车系统具有结构复杂和动力学非线性等特征，要准确建立所有部件的动力学详细模型非常困难。研究者们通常要在能描述机车系统主要力学特征和振动特点的基础上，简化系统。马新娜等建立了基于MRD的17自由度和21自由度高速机车横向半主动悬挂系统动力学模型，在高速列车上使用MRD作为抗蛇行减振器和二系横向阻尼器，可以满足设计需求[4]。蛇形运动是铁路车辆运动时的固有属性，在很大程度上决定了车辆能否高速运行。曲线通过和蛇形失稳都和车辆的横向运动关系密切。抗蛇形减振器是高速客车转向架上不可或缺的重要部件，合理使用抗蛇形减震器，对提高车辆整体动力学性能具有重大意义。图5为两种典型的抗蛇行减震器的特性曲线，在高速列车上均有应用。

图5 抗蛇行减震器特性

以往，受结构和成本控制，铁路货车采用弹性旁承代替液压减震器。使用可调阻尼特性的MRD，应用蛇行运动半主动控制装置，替代传统常接触性旁承，车辆可以满足在不同载荷、不同路况下的转向架蛇行运动平稳性、直线运动稳定性以及曲线通过安全性的要求。在直线运行稳定性上，弹性旁承受结构限制，难以再提升空车临界速度，采用MRD后，空车速度得以大幅度提高；在曲线通过性能方面，弹性旁承的摩擦力矩为固定值,而MRD可调节饱和阻尼力的输出[5]。

磁流变制动器具有体积小、质量轻、结构简单轻便、振动小、耐久性能良好的优点，使其在低地板轻轨车上凸显作用。低地板轻轨车的地板距离轨道平面仅35 cm，现代低地板轻轨车辆不断发展，对平稳性和噪声的控制要求越来越高，常规的机械制动方式已难以达到安全环保的先进要求。磁流变液制动技术出现于20世纪中后期，其在城市轨道交通上的应用是一项新兴的研究。磁流变液制动器的制动是利用图6中的剪切工作模式产生的剪切屈服应力来达成的。通过合理的电磁控制和结构设计，利用磁流变液连续无级的变化特性，可以快速、连续地改变剪切屈服应力，从而设计出制动力自动适应和匹配轮轨接触力的制动器，继而实现连续、可逆、响应迅速和易于控制的制动过程，给相对低速的低地板轻轨交通带来新的启发。

图6 磁流变液的剪切工作模式

4 磁流变液在高速列车上的应用前景

虽然目前磁流变液的应用在土木结构和高级汽车上已经日趋成熟，但在高速列车领域，磁流变技术的发展还未完善。磁流变液的零场强度随着转速的增加而增加，导致运行能耗增加，密封性能下降；除少数商业化的磁流变液外,大多数磁流变液的零场粘度较高、稳定性能不理想，具体的制作工艺需要改进；磁流变液在工作的过程中，由于液内摩擦、零部件发热等问题导致磁流变液温度升高，会造成粘度降低、基础液蒸发、磁性颗粒沉淀等一系列问题，进而使磁流变液完全失效。磁流变液应用于高速列车上的设计理论还不完善，而且由于高速列车本身结构复杂，每节车厢之间、各车厢与轮轨之间的动力学分析都不相同,是一个极复杂的多自由度振动系统，要准确建立所有部件的动力学详细模型还需要进一步的完善。磁流变液装置的数学模型及控制技术也有待深入研究。从理论设计到深入实验研究和工程实际应用还有很多问题亟待解决，商业化的磁流变液及应用装置价格偏高，这使得磁流变液装置的广泛应用或在代替某些传统装置方面受到限制；在紧急情况下高速列车可能会断电，磁流变液器件在这些情况下电源问题的解决等，都是投入具体应用前待解决的问题。总体看来，磁流变液在高速列车上的研究取得了许多有价值的理论和实验结果，并在一些场合得到了成功应用。磁流变技术还在不断的发展中，其优异的阻尼性能与运用优势，决定了其今后在高速列车减振以及制动上具备广阔的发展空间和应用前景。

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Applications of Magnetorheological Fluid Devices in High-speed Trains

ZHANG Yaxian1,2, SHEN Jingfeng1,XU Bin2

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093, China;2.Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

Magnetorheological fluid is an intelligent material of variable rheological properties. The property known as the magneto rheological effect is continuous, reversible and adjustable, thus the widespread use of magnetorheological fluids in such fields as automobile, architecture and aviation. Magnetorheological fluids have also made further progress in the damping and brake of high-speed trains. This paper introduces the characteristics of magnetorheological fluid and its devices, reviews the researches and applications in the vibration control of the high-speed trains, and points out the future technical problems and application prospect.

magnetorheological fluid; high-speed trains; damper; vibration

2016- 09- 23

张雅娴(1993-)，女，硕士研究生。研究方向：消能减震。沈景凤(1968-)，女，副教授。研究方向：机械设计与理论等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.048

TB381

A

1007-7820(2017)07-170-04