孔隙式粘滞阻尼器的滞回曲线偏转特性研究

(1. 河北宝力工程装备股份有限公司, 河北衡水 053000； 2. 兰州理工大学能源与动力工程学院， 甘肃兰州 730050)

引言

孔隙式粘滞阻尼器是一种减振装置。结构振动时，流体阻尼器产生阻尼力耗散能量，降低结构在共振频率附近的动态响应，减弱节点的局部受力和变形量，保护结构免受伤害。同时粘滞阻尼器在工程结构中不起支撑作用，检修时便于维护，所以粘滞阻尼器被广泛应用于工程中[1-3]。

20世纪90年代CONSTANTINOU等[4-7]学者在大量试验基础上提出流体阻尼器的输出阻尼力与活塞速度相关，并推导了阻尼力公式。SYMANS[8-9]在引入体积弹性模量的情况下，对半活性阻尼器进行了研究。HOU等[10-12]在考虑了二甲基硅油的剪切细化特性的前提下，研究了阻尼器在间歇激励下的阻尼力输出特性，指出阻尼力的大小与活塞运动的幅值、频率等参数密切相关。

粘滞阻尼器在国内的研究起步晚于国外。叶正强等[13]从粘滞阻尼器的研究设计方法和理论出发，研发出减震性能优良的双出杆式粘滞阻尼器，并通过一系列的试验测试了阻尼器的力学特性。丁建华[14-15]研究了孔隙式、间隙式油缸阻尼器的结构，并在幂律流体的基础上提出了阻尼力的计算模型。何小伟[16]在忽略工作介质粘度变化而考虑体积弹性模量随含气量变化的前提下，从非线性阻尼力和非线性弹性力的串联模型出发，建立了流体阻尼器的线性并联模型，分析了不同含气量工况下的阻尼力输出特性。郭畅等[17]使用流体软件Fluent对考虑油液粘度及自重情况下的粘滞阻尼器模型进行了仿真分析，研究了活塞长度及间隙等因素对阻尼器性能的影响。王琳等[18]使用AMESim软件利用孔口流动原理建立了船用液压阻尼器的数学模型，仿真结果与试验结果对比证明了优化设计结果的有效性。黄镇[19]分别对螺旋孔式粘滞阻尼器和调节阀式粘滞阻尼器进行了阻尼特性的试验和研究。刘斌[20]研究了在硅油中混合固体颗粒改善和力学性能。但上述研究都偏向于阻尼器的力-速度关系推导与阻尼介质物性参数的研究，对阻尼介质压缩性没有做过较为系统的研究。

粘滞阻尼器的位移-负载曲线代表了其耗能能力的大小，是衡量阻尼器性能的重要指标。在上述研究基础上，本研究利用理论分析和实验研究的方法，在考虑介质压缩性的基础上，分析孔隙式粘滞阻尼器的位移-负载曲线偏转的原因。

1 理论分析

对于粘滞阻尼器，工作介质的物性参数直接影响着阻尼器性能好坏，而二甲基硅油的压缩特性对于位移-负载曲线的偏转有着重要的影响。下面以孔隙式粘滞阻尼器为例，建立阻尼力的数学模型，从理论方面分析压缩性对于阻尼特性的影响。

孔隙式粘滞阻尼器的结构简图如图1所示。

1.活塞杆 2.油缸 3.油腔 4.活塞 5.阻尼孔图1 孔隙式粘滞阻尼器结构简图

首先，对阻尼器左右两腔列连续性方程：

(1)

(2)

Q0,Qi—— 阻尼孔流出和流入容积腔的流量

K—— 介质体积弹性模量

V1,V2—— 两腔介质的体积

左右两腔的体积为：

V1=(L1-s)A0

(3)

V2=(L2+s)A0

(4)

式中，L1,L2—— 阻尼器左右两腔的初始长度

s—— 活塞位移

A0—— 活塞有效作用面积

通过阻尼孔的流量为：

(5)

式中，d—— 阻尼孔直径

μ—— 动力黏度

l—— 阻尼孔长度

Δp—— 阻尼器左右两腔压差

c—— 修正系数

(6)

其中：ξ的近似值为：

(7)

雷诺数：

(8)

式中，ρ—— 流体介质密度

v—— 阻尼孔内油液的流速

(9)

阻尼力等于活塞前后压差乘活塞有效作用面积，即：

F=ΔpA0

(10)

因此，阻尼力为：

(11)

由式(11)可知，假定二甲基硅油的密度和黏度均为常数，给定活塞正弦位移激励，此时若忽略工作介质的压缩性，负载-位移曲线应为标准的椭圆。但实际上工作介质的压缩性不可忽略，此时负载-位移曲线必然存在偏转现象。

2 理论计算

根据上述理论公式在MATLAB-Simulink中建立计算模型，给定活塞正弦位移激励信号：s=Asin(2πft)。为分析阻尼孔径与加载频率对于负载-位移特性曲线的影响，分别设定孔径条件为8 mm和13 mm，频率条件为0.4 Hz和1.0 Hz，将孔径与频率两两组合进行仿真，结果如图2所示。

观察图2c、图2d可知，在阻尼孔径为d=13 mm的粘滞阻尼器的负载-位移曲线出现了偏转。随着频率的增加，活塞运动速度增大且阻尼力提高，但由于孔径较大，阻尼孔流通能力强，在活塞运动过程中活塞两端形成的压差不足以使油液被压缩，因此曲线偏转不明显。

观察图2a、图2b可知，当阻尼孔径为d=8 mm时曲线出现了明显的偏转。分析认为由于小孔径的阻尼孔流通能力弱，此时高压腔内油液无法及时流出，滞留在高压腔内油液被压缩且压缩量较大，因此曲线出现明显的偏转。

由仿真结果可知：

(1) 仿真结果与理论分析相一致。在考虑了流体介质压缩性的前提下，负载-位移曲线均出现了一定程度的偏转。

(2) 在同一孔径下，随着频率的增加，曲线偏转程度增大；在同一频率下，随着孔径减小，曲线偏转程度增大，(本质上是通过影响阻尼孔的建压能力强弱来改变油液的压缩率)。

3 实验分析

为验证上述理论的正确性，使用PWS-2000消能减震装置对阻尼器样机进行测试。

双出杆式孔隙式粘滞阻尼器的主要组成部分有：

图2 负载-位移滞回曲线

缸筒、活塞杆、开有阻尼孔的活塞等。当阻尼器工作时，活塞一侧容腔内的液体受挤压并通过阻尼孔流入另一侧的容腔中，介质在流动过程中与阻尼孔内壁发生摩擦，从而完成耗能，一些基本参数如表1所示。

测试装置如图3所示。阻尼器的负载力由电液位置控制系统中的作动器提供，而作动器的位移由内置的磁滞伸缩传感器测量， 阻尼器内活塞的位移由拉线式位移传感器测量，阻尼力由其左端的载荷传感器测量。力传感器和2个位移传感器的最大采样频率均为1000 Hz。实验中给定活塞位移激励信号s=Asin(2πft)，通过改变活塞运动的频率，可获得不同运动速度下的阻尼力输出特性。每次实验开始前使用红外热成像仪测量活塞缸外壁的温度，每个工况记录4～6个循环(同一频率下的滞回曲线数)。

表1 阻尼器及介质主要参数

图3 PWS-2000减震消能机

图4是d=8 mm,d=13 mm的阻尼器在不同频率下的实验和理论计算的负载-位移曲线。

由图4a、图4b可知，小孔径时，随着频率增大，实验曲线出现偏转，且偏转程度逐渐增加。对比仿真曲线，偏转程度几近相同；但实验阻尼力与计算阻尼力有所不同，造成此种现象的原因是：流体介质为二甲基硅油，是一种非牛顿流体，其剪切稀化特性(黏度随着剪切速率增大呈非线性变化)使得油液在运动过程粘度呈非线性降低，而在理论计算过程中粘度用定值计算，故使得阻尼力计算偏大。

由图4c、图4d可知，在大孔径时，随着频率的增加，实验曲线偏转越来越明显。在小频率时，实验曲线几乎无偏转，这与仿真计算结果是一致的；在大频率时，实验曲线的偏转程度比仿真计算曲线的程度大，分析认为:在大孔径、高频率时，虽然活塞运动速度快，但阻尼孔流通能力强，较少的油液滞留在容积腔一端，且理论计算中油液的压缩性不是随动变化的，因此在仿真曲线中偏转不明显。

图4 负载-位移曲线

结合上述分析可知，小孔径、高频率时阻尼器滞回曲线的偏转程度更剧烈，为解释该观点，对d=8 mm的阻尼器在频率f=1.0 Hz条件下基础数据进行后处理，绘制作动器位移、活塞位移与阻尼力的对比曲线，如图5所示。

图5 活塞位移、作动器位移、阻尼力曲线

观察图5可知，当作动器运动至一端端点处向反方向运动时，由于作动器与活塞之间存在间隙，此时活塞仍处于静止状态，阻尼器内残存阻尼力，说明在受压一腔的流体具有一定的弹性能，此时作动器需要先克服残存阻尼力，至弹性能消失阻尼力变为0后才能带动活塞运动。正是由于二甲基硅油具有较强的可压缩性，在运动过程中活塞位移与阻尼力的变化并非完全相同，而是存在一定的滞后，即存在相位差，而这一相位差随着阻尼力的增大也逐步提升直至阻尼力达到峰值时，相位差值也达到最大，因此导致了负载-位移曲线的偏转。同时不难发现当加载频率加快时，这种滞后性表现得更加明显且偏转程度更剧烈。

综上所述，实验结果与理论计算结果相一致，在不同孔径、不同频率下的负载-位移滞回曲线均出现了偏转，此偏转本质上是由流体介质的压缩特性引起的。因此油液的压缩性是引起曲线偏转的关键因素。

4 结论

对孔隙式阻尼器的负载-位移特性进行了深入讨论，从理论计算，仿真模拟以及样机实验等多个角度进行分析，说明了阻尼介质的压缩特性是影响负载-位移曲线偏转的关键因素。当阻尼器的孔径越小、活塞运动频率越高时，介质压缩性使得负载-位移曲线偏转的越明显。