挤压式MRE阻尼器减振特性的实验研究

梁志强， 张 赛， 徐文娟， 李广录

(1.黑龙江科技大学 工程训练与基础实验中心， 哈尔滨 150022； 2.天津天海同步科技有限公司传动研究所， 天津 301600； 3.哈尔滨煤矿机械研究所， 哈尔滨 150036)

挤压式MRE阻尼器减振特性的实验研究

梁志强1， 张 赛2， 徐文娟1， 李广录3

(1.黑龙江科技大学 工程训练与基础实验中心， 哈尔滨 150022； 2.天津天海同步科技有限公司传动研究所， 天津 301600； 3.哈尔滨煤矿机械研究所， 哈尔滨 150036)

为了获得自主设计挤压式MRE阻尼器的减振效果，搭建实验测试平台，在分别输入不同控制电流(0～2.0 A)和激振频率(90～170 Hz)的条件下，测试和分析该阻尼器的减振性能。结果表明：在共振区域施加控制电流时，该MRE阻尼器能有效降低隔振系数和振动幅值。施加电流时，若激振频率小于共振频率，则整体的隔振系数随着控制电流的增大而减小；若激振频率大于共振频率，则整体的隔振系数随着电流的增大而增大。不施加电流时，随着激振频率的增大，振幅峰值均呈现先增大后减小的趋势，且振幅均有不同程度的降低。该MRE阻尼器在较宽的激振频段内具有较好的磁控性能和移频减振作用。

阻尼器； 挤压式； 减振性能； 磁流变弹性体

0 引 言

随着现代科学技术的发展，磁流变材料逐渐应用到机械加工设备中[1]，并有着广阔的应用前景。磁流变弹性体(Magnetorheological elastomer,MRE)是由日本科研人员于1995年发现的[2]，它是磁流变材料的一个新分支，既有磁流变材料和弹性体的优点，又克服了磁流变液稳定性差、易沉降等缺点，刚度可通过外加磁场的强度来控制，因此，将其用于机床振动的抑制，可以根据机床振动的变化来自适应调节磁场强度，进而实现机床减振的实时可调。近年来，磁流变弹性体和以其作为吸振元件的隔振装置的研究越来越受到科技工作者的关注，已经成为智能材料及其应用的研究热点[3-7]，部分产品已用于实际工程中，但有关机械加工设备减振方面的研究及应用还处于起步阶段。因此，研究和探索MRE阻尼器在机械加工设备中的应用，对于提高工件的加工质量，特别是复杂曲面工件(如航空整体叶轮)的加工质量具有重要的理论和实践意义。

隔振装置或阻尼器(MRE阻尼器)的磁控性能和减振效果是其重要的评价指标，尤其是动态环境下的磁控性能，直接影响其抑振效果和实际应用。笔者针对自主设计的一款挤压工作模式的MRE阻尼器，搭建振动实验测试平台，建立动态环境下的动力学模型，并对其减振性能进行实验测试和分析研究，旨在为后续研究进行有益的探索。

1 MRE阻尼器结构与工作原理

1.1 结构

文中设计的MRE阻尼器的结构、组成部分如图1所示。

图1 MRE阻尼器装配

该MRE阻尼器中励磁线圈漆包线的直径为0.6 mm，绕组匝数为200圈，允许通过的最大安全电流为Imax=2 A。漆包线引出线用黄腊管套上防止其漏电，为了隔磁，上盖、外壳、底座挡板均采用铝2A17，上盖与上导磁体(选用电工纯铁DT6)用铜质螺钉连接，磁流变弹性体与下导磁体(选用电工纯铁DT6)用硅橡胶固联，底座挡板与外壳用螺钉连接。

1.2 工作原理

该MRE阻尼器的下部通过螺钉与实验平台的振源固连，上盖通过螺钉与抑振对象固连，电源接通后，抑振对象随着MRE阻尼器一起振动。当励磁线圈中通入电流后其周围将产生电磁场，磁流变弹性体的刚度因受到磁致效应的作用而发生变化，整个振动系统的刚度随之发生变化，从而对抑振对象起到抑制振动的作用。MRE阻尼器产生阻尼力的大小与磁流变弹性体上外加磁场的强度有关，磁场强度的大小受励磁线圈中的电流控制，因而可以利用通入励磁线圈中控制电流的大小来控制 MRE阻尼器的刚度。当MRE阻尼器断开电源后，励磁线圈中的电流消失，同时产生的外加磁场也随之消失，由于磁流变弹性体的可逆性及响应迅速，MRE阻尼器的刚度迅速恢复到初始状态。

2 实验系统与动力学模型

2.1 实验系统

为了获得该MRE阻尼器的减振性能，搭建减振实验系统，见图2。

图2 实验测试系统

如图2所示，激振器安装支架固定在实验台基座上用来产生振动信号，实验台基座下面用橡胶垫进行隔振，激振器与功率放大器的输出接口通过专用连接线连接。将MRE阻尼器固定到激振器正上方的简支梁上，直流稳压电源与阻尼器线圈漆包线连接，用来调节其控制电流的大小。MRE阻尼器上通过螺钉固定质量块作为荷载质量，两个加速度传感器分别用来测试激振基础(加速度传感器1)和质量块(加速度传感器2)的振动加速度，数据采集仪将测得的信号进行处理并通过总线传入PC机。

2.2 动力学模型

针对图2所示振动系统建立动力学模型，如图3所示。

图3 动力学模型

假设竖直方向激振力F=F0sinωt，根据图3所示的单自由度隔振系统，可得其运动微分方程：

(1)

式中：m——被隔振系统的质量，kg；c——隔振系统的阻尼，N·m/s；k——隔振系统的刚度，N/m；F0——激振力的幅值，N；ω——激振力的圆频率，rad/s；t——时间，s。

通过化简计算可得到力传递率η：

(2)

式中：FT——实验台对系统的反作用力，N。

从式(2)可以看出，当激振力的圆频率ω发生变化时，隔振系统力传递率的大小可以通过调整其质量m、阻尼c和刚度k这几个参数变量来改变。但是在实际工作中，系统的阻尼c和内部质量m不容易调整，因此，通过改变系统的刚度k来达到此目的。MRE阻尼器中磁流变弹性体的刚度k=k1+k2，其中，k1为零场下的刚度，k2为磁控刚度。

3 实验测试与结果分析

3.1 系统固有频率

通过稳压直流电源将MRE阻尼器的控制电流调至0 A，通过功率放大器使激振器的激振频率从0 Hz依次增大，测得质量块的振动幅值在132.2 Hz时最大，因此，132.2 Hz为系统的固有频率。

3.2 施加电流时振幅峰值

3.2.1 共振区域的振幅峰值

将激振器的激振频率调至130 Hz，使系统处于共振状态。调节直流稳压电源，依次向MRE阻尼器中输入大小为0、0.5、1.0、1.5、 2.0 A的控制电流，分别记录两个加速度传感器测得的激振基础和MRE阻尼器上质量块的振动幅值，结果如表1所示。

表1 共振区域的振幅

以隔振系数和质量块的振幅峰值作为MRE阻尼器减振效果的评价指标。现用A1表示加速度传感器1测得的振幅峰值，用A2表示加速度传感器2测得的振幅峰值，A2与A1的比值为系统的隔振系数，即MRE阻尼器的隔振系数，

(3)

利用Matlab软件对测得的数据进行处理，得到质量块、激振基础的振幅峰值和MRE阻尼器隔振系数随控制电流的变化曲线，如图4所示。

a 振幅

b 隔振系数

Fig. 4 Amplitude and isolation coefficient under different current

由图4可以看出，在共振区域(f=130 Hz)，当MRE阻尼器中施加控制电流时，质量块的振幅峰值和MRE阻尼器的隔振系数均随着控制电流的增大而减小，其中系统隔振系数从0 A时的最大值0.460，下降到2.0 A时的最小值0.390，下降了15.15%；质量块的振幅峰值从0 A时的5.454 μm，下降到2.0 A时的4.502 μm，下降了17.5%。由此可见，施加控制电流，能够明显降低质量块的振幅峰值，有效降低MRE阻尼器的隔振系数。分析表明,通过改变MRE阻尼器中控制电流的大小可以改变振动系统的固有频率，使系统有效避开共振区域，也就是通过移频起到减振作用。

3.2.2 非共振区域的振幅峰值

在共振频率130 Hz的左右两侧各取两个频率，分别为90 、110 Hz以及150、170 Hz，调节直流稳压电源，依次向MRE阻尼器中输入大小为0、0.5、1.0、1.5、 2.0 A的控制电流，分别记录两个加速度传感器测得的激振基础和MRE阻尼器上质量块的振动幅值，如表2、3所示。

表2 加速度传感器1测得的振幅

表3 加速度传感器2测得的振幅

利用Matlab软件对测得的数据进行处理，分别得到系统在不同激振频率下质量块振幅峰值与控制电流的关系,以及MRE阻尼器隔振系数与控制电流的关系，如图5所示。

由图5可以看出，当激振频率为90 Hz和110 Hz时，即激振频率小于阻尼器零磁场下系统的共振频率时，质量块的振幅峰值随着控制电流的增大而减小，整体上隔振系数也是随着控制电流的增大而减小，即通过向MRE阻尼器中输入控制电流，改变了阻尼器的磁控刚度，降低其隔振系数进而达到减振的目的；当激振频率为150 Hz和170 Hz时，此时激振频率大于阻尼器零磁场下系统的共振频率时，质量块的振幅峰值随着控制电流的增大而增大，整体上隔振系数也是随着控制电流的增大而增大。这是由于通入电流后，MRE阻尼器的磁控刚度变化使整个系统的固有频率接近激振器的激振频率，系统接近共振区域。

a 振幅

b 隔振系数

Fig. 5 Relationship between amplitude, solation factors and current under different excitation frequencies

3.3 不施加电流时振幅峰值

在对MRE阻尼器不施加控制电流的情况下，将激振器的激振频率分别调至90、110、130、150、170 Hz，分别记录两个加速度传感器测得的激振基础和MRE阻尼器上质量块的振动幅值，如表4所示。

表4 不施加电流时的振幅

利用Matlab软件对测得的数据进行处理，分别得到传感器1和传感器2的振幅峰值随激振频率变化的曲线，如图6所示。

图6 I=0 A时传感器测得的振幅

由图6可以看出，随着激振频率的增大，传感器1和传感器2测得的振幅峰值均呈现出先增大后减小的趋势，虽然MRE阻尼器中没有施加控制电流，但质量块的振幅都有不同程度的降低，其振幅最大可降低60.8%，说明此时MRE阻尼器可作为常规的阻尼器发挥减振作用。

4 结 论

(1)文中所设计的MRE阻尼器在较宽的激振频段内具有较好的磁控性能和移频减振作用，对系统振动既可进行主动控制也可进行被动控制。在系统的共振区域，当MRE阻尼器中输入最大控制电流时，可以获得最理想的减振效果，使系统有效避开共

振区域。

(2)在低频段(f<132.2 Hz)，如果能为每一激振频率找到MRE阻尼器的最佳控制电流，即可获得理想的减振效果; 在高频段(f>132.2 Hz)，增大MRE阻尼器中控制电流会起到反作用，此时需断开电源采用被动式控制方式，MRE阻尼器起到常规阻尼器的作用对振动进行抑制。

[1] 徐文娟, 张 赛, 王加有. 磁流变材料在现代加工设备中的应用[J], 机械设计与制造, 2015, 43(5)： 246-248.

[2] Shiga T, Okada A, Kurauchi T. Magnetroviscoelastic behavior of composite gels[J]. Appl Polym Sci, 1995, 58(4): 787-792.

[3] 汤春瑞, 赵 灿, 刘丹丹. 一种基于磁流变弹性体的抛光方法与装置: 201310366332[P]. 2013-12-18.

[4] Li W, Zhang X, Du H. Development and simulation evaluation of a magnetorheological elastomerisolator for seat vibration control[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2012, 23(9): 1041-1048.

[5] Jung H J, Eem S H, Jang D D, et al. Seismic performance analysis of a smart base-isolation system considering dynamics of MR elastomers[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2011, 22(13): 1439-1450.

[6] 朱永凯, 时光志, 夏华波, 等. 磁流变阻尼器在船舶减振中的应用[J]. 舰船科学技术, 2014, 36(1): 79-83.

[7] 乔 治. 挤压型MRE隔振装置的性能及应用研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2014.

(编校 荀海鑫)

Experimental study on vibration reduction characteristics of squeeze type MRE damper

LiangZhiqiang1,ZhangSai2,XuWenjuan1,LiGuanglu3

(1.Center for Engineering Training & Basic Experimentation, Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022, China; 2.Transmission Institute, Tianjin Tanhas Technology Co.Ltd., Tianjin 301600, China;3.Harbin Coal Mine Machinery Research Institute, Harbin 150036, China)

This paper is devoted to a better insight into the vibration reduction characteristics of a self-designed MRE damper in a squeeze operation mode. The research involves designing an experiment test platform; and testing and analyzing the vibration reduction effect of the damper under the condition of inputting different control current (0～2.0 A) and exciting frequency (90～170 Hz). Experimental results show that when the control current is applied in the resonant area, the MRE damper could provide an effective reduction in the vibration isolation coefficient and the vibration amplitude; when current is applied, the whole vibration isolation coefficient decreases with the increase of the control current if the excitation frequency is less than the resonance frequency while the whole vibration isolation coefficient increases with the current increase if the excitation frequency is larger than the resonance frequency; and when no current is applied, an increase in the excitation frequency is accompanied by an initial increase and a subsequent decrease in the amplitude peaks, with different degrees of the amplitudes reduction. The MRE damper demonstrates a better magnetic control performance and frequency shift damping effect in a wider excitation frequency range.

damper; squeeze type; vibration attenuation; magnetorheological elastomer

2017-05-20

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541732)

梁志强(1985-)，男，河北省沧州人，工程师，硕士，研究方向：机械设计及理论，E-mail：290251906@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.020

TB535.1

2095-7262(2017)05-0550-05

A