磁性液体阻尼减振实验台的设计和实验分析

　　1　问题的提出

　　磁性液体出现之后,提出了将磁性液体应用于阻尼的想法[1],美国NASA最先开发了一种无线电天文探测卫星用磁性液体阻尼器[2],随后活塞式磁性液体阻尼器[3]和调谐磁性液体阻尼器[4]等多种阻尼器被提出。

　　航天器中大挠性空间结构(如太阳能帆板)由于动具有频率低、位移小和加速度小等特征[5],并且航天器处于空气阻尼很小的太空环境中,空间结构的振动会持续很长时间。具有上述特征的振动问题会对航天器的运行造成严重影响,因此必须要采取有效的振动控制措施。笔者针对这种特征的振动,提出一种对惯性力非常敏感的磁性液体阻尼器,此阻尼器具有不需要外界提供能量、可靠性高和寿命长等优点。

　　磁性液体用于阻尼减振器的工作原理如图1所示,在一个非导磁性的轻金属壳体内充满磁性液体,里面放置一块永磁体。根据磁性液体的二阶浮力原理[6],永磁体悬浮在磁性液体中,若壳体作加速度变化的往复振动或旋转振动,永磁体受到变化的惯性力作用会在磁性液体中做相应的运动,从而带动磁性液体剪切流动,利用磁性液体的黏性[7]进行耗能,最终转变为热量散发出去,达到减振效果。

　　目前,电子、液压和机械等振动装置的结构复杂、成本较高,不能满足航天器中部件的局部振动要求。为此,根据磁性液体阻尼器的工作原理,专门设计一套满足频率低、位移小和加速度小等条件的实验台来测试磁性液体阻尼器的减振效果及各种参数对阻尼器减振效果的影响。

　　2　实验台设计

　　根据被减振物体比如航天器上的太阳能帆板的安装特点,选用弹性悬臂梁作为振动源,实验方案对减振实验台的要求包括:振动频率为0.8～5 Hz,工作振幅为5～20 mm;磁性液体阻尼器方便安装与拆卸;实验装置能够显示电压数据、加速度数据和实验时间;能够把加速度信号处理成位移信号,并过滤掉不需要的信号。

　　设计的实验台主要包括黄铜板、固定黄铜板的支架、振动测试系统(振动传感器、数据采集器、振动测试软件)、电源、万用表、磁性液体阻尼器模型和计算机等。实验装置如图2所示。采用三角钢焊接的支架作为支撑装置,支架用螺钉与地面固定,并采取弹性隔振措施消除地面振动对支架的影响。将铜板的一端固定在支架上,另一端处于自由状态,且可以通过选择不同长度的铜板来实现不同的振动频率。传感器固定于铜板自由末端的某一位置,然后与数据采集器连接,再将数据采集器与计算机连接。这样,铜板自由末端产生的信号通过传感器采集后传输给数据采集器,经数据采集器的模数转换后输入到计算机,由计算机中的振动测试软件输出电压数据文件,这些数据经过编写的Matlab程序处理可得到振动的加速度和位移等所需参数。