基于可变刚度和阻尼的采煤机旋转接头研究

马 凯

（山西乡宁焦煤集团富康源煤业有限公司， 山西 乡宁 042100）

引言

针对采煤机旋转接头的抗冲击和振动问题，提出了磁流变流体，该材料是一种智能材料，由于其响应速度快、阻尼范围宽、可逆性、低能耗等优点，被广泛应用于机器人、汽车和机械工程中。磁流变流体的优点引起了学者对基于磁流变的设备开发的极大兴趣[1-3]。线性磁流变阻尼器已获得普及，并证明了其增强悬架系统性能的潜力，但线性阻尼器的设计存在一定的局限性，例如安装空间需求大以及无法适应旋转条件[4]。由于线性阻尼器的缺点，旋转阻尼器可被视为线性阻尼器的补充，特别是在需要连续旋转的应用中，例如变速箱[5]。

刚度或阻尼的可控性是减振重点之一，因为它对于隔离振动非常有效。目前，已经针对各种振动控制对可变刚度概念进行了广泛研究。本文的目的是开发一种具有可变刚度和阻尼的旋转挠性接头，以减少扭转动力传递条件下的振动和冲击。通过对变刚度和阻尼系统原理的分析，介绍了结构设计和磁场设计，并对实验结果与理论分析结果进行了对比。

1 磁流变挠性接头的可变刚度和阻尼原理分析

一种新的单自由度可变刚度和阻尼系统模型如图1 所示，具有两个可控磁流变阻尼器（阻尼器1 和阻尼器2 对应于C1和C2阻尼系数）和两个弹簧（弹簧1 和弹簧2 对应的刚度为Ks1和Ks2）。阻尼器2 和弹簧2 包括一个活格元Voigt 元件，Voigt 元件和弹簧1 是串联的，两个弹簧的刚度值是恒定的。但是，可控制的阻尼器2 可以改变网状系统的有效刚度，系统的阻尼取决于独立的磁流变阻尼器1。系统的等效模型，这里KS和CS分别是等效刚度和阻尼系数。

图1 可变刚度和阻尼的机械配置

2 挠性接头的结构设计

2.1 挠性接头的设计

基于可变刚度和阻尼系统的原理，两个磁流变阻尼器和两组弹簧集成在柔性接头上。如图2 所示，内缸体由外缸体和中间轴构成磁流变阻尼器1 和磁流变阻尼器2，分别在两侧设置用于实现高旋转刚度的辐条弹簧结构输入和输出的Str.1 和Str.2，输入轴Str.1 用螺钉固定在的外缸和圆形皮带轮上。同时，Str.1的三个轮辐组件在中间轴上相对于圆形皮带轮旋转，并通过六个弹簧（Ks1）与之耦合。Str.1 和Str.2 的三个组件都通过钥匙连接到中间轴，内缸和输出轴通过Str 的圆形组件直接连接。此外，这种非磁性材料需要提供足够的摩擦力，以防止内筒的两个部分相对旋转。中间轴上有两个线圈，内缸上有三个线圈。线圈的直流电产生可控的磁场，因此两个阻尼力可分别由电流I1和I2产生的磁场传递。

图2 挠性接头的分解图

在磁流变阻尼器的设计中，材料的选择与阻尼器的性能直接相关。作为磁流变阻尼器的主要导磁部件，中间轴和内筒由高磁导率材料电熨斗制成，而轴承、输入轴和输出轴则由低磁导率材料制成。

2.2 可变阻尼的制定

系统的等效阻尼主要由磁流变阻尼器1 确定，磁流变阻尼器1 主要由外圆柱，内圆柱和励磁线圈组成。磁流变流体填充在内缸和外缸之间，而剪切模式的有效区域发生在旋转缸的径向间隙中。剪切模式的性能高低依赖于有效面积的多个参数，例如磁场强度、间隙和工作速度等。由于通常间隙和有效面积是设计约束的一部分，因此在有效面积中操纵磁场强度是操作和控制磁流变阻尼器的唯一方法。为了改善磁流变阻尼器的性能，三重线圈用于优化径向间隙内和周围的有效面积以增强磁场。当直流电流I1施加到励磁线圈时，磁流变阻尼器通过改变可控电流来实现可变的阻尼能力。

采用ANSYS 软件建立了简化的磁流变挠性接头二维轴向对称模型。接头中磁流变接头阻尼器的磁路图，阻尼单元的详细参数如表1 所示。

表1 阻尼单元的参数 mm

施加到线圈上以产生磁场强度的电流密度J 可以通过式（1）近似计算:

式中：N 为线圈的匝数；I 为施加的电流；S 为线圈的横截面积。

如图3 所示磁流变F 和低碳钢的B-H 曲线。

图3 材料的B-H 曲线

3 结果与讨论

如图 4 显示了在 I1分别为 0 A、0.4 A、0.8 A、1.2 A、1.6 A，I2为2 A。此外，频率变化的影响范围分别为0.2 Hz、0.4 Hz。随着控制电流的持续增加，转矩和角度所包围的面积增加，这表明阻尼力随着控制电流从0.5 N·m 增大到18 N·m 而显着增加，并且在相同的范围内由阻尼力执行的功循环位移也增加。从0°～30°，尽管围绕扭矩和角度的圆的面积增加，但曲线的斜率保持在同一水平。在旋转过程中，系统的刚度不会随着阻尼器1 的变化而变化。从30°～50°的旋转角度，转矩和角度曲线的斜率不再保持水平，而是呈非线性关系。这种现象可以解释为弹簧的应力超出比例极限，并且应力与应变之间存在非线性关系，但卸载后变形将完全消失。在实际使用中，最好适当限制接头的旋转角度，使弹簧处于弹性阶段。应该注意的是，阻尼的动态范围约为30 倍。

图4 可变阻尼特性

为了揭示阻尼力与负载频率之间的关系，选择负载频率为 0.2 Hz、0.4 Hz，其中 I1=0 A 和 I2=1.6 A。如下页图5 所示的分析结果，可以清楚地看到，当频率为0.2 Hz、0.4 Hz 时，有效阻尼与负载频率近似无关。

图5 不同电流下的阻尼和频率之间的关系

等效阻尼系数是阻尼器的重要因素，因为它可以显示磁流变阻尼器的性能。图5 提供了由等式（1）计算的理论结果与等效阻尼系数C1的实验结果的比较。可以看出，等效阻尼系数随着电流I1的增加而显着增加。当施加的电流增加到1.6 A 时，实验结果和理论结果之间出现了差异。原因是理论结果没有考虑大电流情况下温度和磁饱和的影响。因此，可以看出，所提出的接头具有将等效阻尼系数从0.83 kN·s/m 更改为 3.6 kN·s/m 的能力。

4 结语

本文提出了一种由两个可控磁流变阻尼器和两个弹簧组成的旋转可变刚度和阻尼系统。分析得出系统的等效刚度和等效阻尼。基于可变刚度和阻尼原理的柔性接头设计，采用有限元方法计算了磁场强度，实验结果表明，阻尼器的等效刚度可以在5.15 Nm/rad～12.27 Nm/rad 之间变化，而等效阻尼系数可以从 0.83 kN·s/m 变为 3.6 kN·s/m。