磁流变弹性体阻尼器-转子系统的移频特性研究

　　磁流变材料(magneto-rheological materials)是一类具有流变特性的智能材料,在磁场的作用下,其流变特性可发生连续的、迅速的和可逆的变化。近10年来,对磁流变材料(主要是磁流变液)的研究引起了学术界的广泛关注,一些磁流变应用装置(如磁流变液阻尼器、磁流变抛光机)已经在汽车、桥梁结构振动控制与光学元件精密加工等领域获得了成功应用[1-4]。磁流变弹性体是磁流变液的固体模拟,在磁流变弹性体中载液被橡胶或凝胶所代替。与磁流变液相比,使用磁流变弹性体的最大的优点是磁性颗粒不会随时间而沉降,也不需要将磁流变材料保持在一个密封的腔体中[5-6]。

　　文献[7]报道了一种挤压式磁流变弹性体阻尼器(所用磁流变弹性体的铁粉质量分数为50%)以及支承在该阻尼器上的单盘悬臂柔性转子系统的振动特性,其试验结果表明磁流变弹性体阻尼器具有可控的阻尼和刚度。本文此基础上研制了多种具有不同的铁粉质量分数的磁流变弹性体,通过试验研究装有该阻尼器的单盘悬臂柔性转子系统临界转速随弹性体铁粉质量分数的变化关系,并在相同外界磁场作用下,用临界转速的变化量来描述阻尼器移频特性的优劣。

　　1　试验装置和试验过程

　　磁流变弹性体阻尼器的结构如图1所示。它具有2组弹性单元,每组弹性单元由1个移动环和1个静止环组成,环间距为2 mm,在移动环和静止环之间的间隙中粘附着一层磁流变弹性体。该弹性体由室温固化硅橡胶、铁粉和硅油按一定比例混合后在模具中以及室温条件下固化而得。所使用的铁粉为平均直径80Lm的大颗粒还原铁粉和1Lm的小颗粒还原铁粉。弹性体在模具中固化时施加一定磁场以使弹性体沿磁场方向形成链状结构,提高磁流变效应。当转轴回转时,各移动环跟随转轴涡动,与静止环间的磁流变弹性体形成相对挤压表面。线圈通以直流电以产生磁场,控制线圈电流即可控制磁场强度,进而改变阻尼器的刚度和阻尼。壳体、支承套、移动环和静止环作为磁路引导元件,均由低碳钢制造;定位套则由铝合金制造,以保证磁场沿垂直于移动盘表面的方向穿过磁流变弹性体。

　　试验转子系统如图2所示。转轴的直径为9.5 mm,长度为500 mm。悬臂圆盘的直径为76 mm,厚度为19 mm,质量为0.6 kg。转轴通过半刚性联轴器与一直流电动机相连,通过调速器可使转速从0～10 000 r/min连续可调。测试设备由键相光电传感器、电涡流传感器及其前置器、示波器、数据采集器和微型计算机等组成。键相光电传感器对准联轴器上的反光铝箔,用于测量转速,并作为测量相位角的参考标志。2只电涡流传感器用来测量悬臂圆盘对机座的水平和垂直方向的相对位移;另外2只电涡流传感器用来测量阻尼器轴承处轴对机座的水平和垂直方向的相对位移。因转轴较细,故用于测轴振动的2只电涡流传感器在轴的长度方向相互错开20 mm,以防止信号互相干扰。图2中仅示出了2个垂直方向的电涡流传感器。试验前对涡流传感器的灵敏度进行了静态标定。使用美国本特利公司的ADRE forWindows振动分析系统进行位移和转速信号的监视、采集、记录以及分析,以获得转子在悬臂盘和阻尼器轴承处的轴心轨迹、时域波形、波德图(幅频和相频曲线)和瀑布图等。