磁性液体阻尼减振器的设计与试验研究

　　1引 言

　　理想条件下长期载人空间站在轨期间处于失重状态，这种环境下引起振动的因素很多，而且受失重环境和真空环境影响，这些振动难以消除，如果解决不好会对空间站的运行产生严重影响。特殊的工作须结构简单、体积小、质量轻且可靠性高。其次，因为航天器中较长物体（如太阳能帆板、卫星天线等）的局部振动具有频率低、位移小、加速度小的特征[1]，所以要求减振器对惯性力非常敏感。由于普通减振器的结构复杂，不能满足空间环境的特殊要求，而基于磁性液体二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器恰好能满足这样的要求，它具有不需要外界提供能量、寿命长等优点。

　　磁性液体二阶浮力原理是指磁性液体可以将沉浸在其中的比重比其大的永久磁铁悬浮起来。磁性液体是由纳米级的磁性固体颗粒，用表面活性剂对其进行特殊的处理，使其均匀地分散在基载液中形成胶体溶液，具有一般液体所不具备的磁性[2]。它具有两大特性：一方面磁微粒子在载液中不停地做布朗运动，即使在重力、磁力、离心力作用下也不磁性，在外加磁场下，会出现相应的磁特性、粘滞性，流变性和双折射性等独特的性能，因此具有很强的实用性[3]。

　　2 试验过程

　　由于磁性液体被吸附在永久磁铁周围，且振动的振幅和频率都比较低，所以可认为磁性液体和永久磁铁为一体，若壳体作加速度变化的往复振动或旋转振动，磁性液体包附的永久磁铁受到惯性力作用会在磁性液体中做相应的运动，磁性液体与减振器上下表面的摩擦生热来消耗机械能，同时磁性液体与永久磁铁发生相对运动时摩擦做功，磁性液体与减振器内壁发生相对运动时减振器内壁对磁性液体施加的运动阻力做负功两种形式耗能减振[4]。

　　2.1 磁性液体选择

　　本试验选用粘度为 232mpa·s 的氟碳化合物基磁性液体，因为其具有良好的稳定性，耐酸碱性和抗辐射性，可以很好的应用到失重环境下的磁性液体阻尼减振器中。

　　2.2 永久磁铁的选择

　　本项目中在磁性液体阻尼减振器中使用烧结钕铁硼永久磁铁。铷铁硼(NdFeB)属第三代稀土永磁材料，是当代磁性最强、性能最好的永磁材料。它不仅具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积等优异特性，而且容易被加工成各种形状。并且经过特殊处理的永久磁铁，其最高工作温度可达 200℃。而且人们前期在太空的射线收集试验中也是使用了这种永久磁铁，实践证明它能够应用于在宇宙空间环境中工作的宇航设备上。

　　永久磁铁主要分为圆柱形和圆环形，试验室已有永久磁铁 44 种。永久磁铁的形状及性能不仅影响减振器内磁性液体的自悬浮能力，而且永久磁铁的形状与性能还决定磁场的分布，磁场分布会影响磁性液体内部的运动状态，所以减振器内永久磁铁的形状对减振效果有重要的影响。由于试验是利用永久磁铁在 N-S 两极所吸附的磁性液体与减振器的上下两个面的压力来产生速度梯度，进而产生摩擦力，消耗能量。圆柱形永久磁铁吸附磁性液体时，磁性液体首先聚集在磁性较强的 N-S 极上，然后再逐步向圆柱面聚集，在永久磁铁周围形成磁性液体包覆层；且圆周面和上下两个面的磁性液体也比较饱满，这样在试验过程中产生的压力大，磁性液体的速度梯度大，减振效果也更明显，所以根据减振器的大小选取合适的圆柱形磁铁作为永久磁铁[5]。