磁流变弹性体阻尼器的设计及其磁路分析

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航空发动机质量的优劣直接决定着整个飞机性能的高低 ，因此被誉为飞机的心脏。同时，-个围家航空发动机的制造水平被认为是这个国家科技水平，军事实力，甚至是综合国力的象征。

对于航空发动机而言，其最关键的基逮是发动机上的叶轮。据专家推测，在未来高性能航空发动机(如歼击机发动机)的发展过程中，高温合金整体叶轮将是其实现结构创新和技术跨越的核心零件。目前，在加工高温合金整体叶轮中最大的问题在于高温合金材料的切Iili T性能不好，而整体叶轮的结构复杂，非常容易变形。并且，在其加工过程中，所产生的残余应力难以及时消除，使得振动往往伴随着整个切削过程且难以得到有效的抑制。振动不仅使叶轮的表面质量不易控制，而且严重影响了叶轮的加T效率，甚至损坏整个切削加工系统。当前 ，如何有效抑制加工高温合金叶轮时产生的振动，提高叶轮加丁的效率和质量 ，已成为世界性的难题，并受到世界各国越来越多研究者的重视。

就现在的科研水平而言，很难准确预测加T高温合金叶轮时的切削稳定域以及优化相关参数 ，六J此，有必要从其它的角度寻找新的抑制振动的有效方法，以扩展高温合金叶轮加工时的切削稳定域，提高高温合金叶轮的加工效率和精度。从振动控制的角度考虑，抑制振动的方法可分为被动控制，半主动控制，主动控制。其中，半主动控制方式对振动的抑制效果与主动控制方式接近 ，成本又低于主动控制方式，故可以通过半主动控制方式来抑制切削过程中产生的振动，提高高温合金整体叶轮的加T效率和表面质量。正是基于上述思想，利用磁流变弹性体设计-款用于半主动控制的阻尼器，以此来抑制加工过程中产生的振动。

2磁流变弹性体及其磁流变效应2.1磁流变弹性体磁流变弹性体(Magne o1o gical Elastomer MRE)是将铁磁性物质均匀的分散在液体橡胶中，并将混合后的液体放置在磁场中静置同化后所形成的新的材料。它是-种新型的磁流变材料。

与磁流变液相同，当对该材料施加磁丑，其材料刚度迅速改变，但当撤去磁丑材料的性能又恢复到原来的状态。其刚度改变的多少与施加在材料上的磁场大小有关。且该材料的响应速度很快。与磁流变液相比，磁流变弹性体将载液由橡胶基代替，因而不必考虑材料颗粒的沉降稳定性，也不需要考虑密封问题，因而在工程应用上有很好的前景。

磁流变弹性体最早是由-些科研人员在 1995年研制出来来稿 日期：2012-06-17基金项目：高档数控机床l基础制造装备”科技重大专项(2010ZX04016-012)；国家自然基金(51075128)；黑龙拖 20 1 2年研究生创新科研项口(YJSCX20 1 2-324HIJ)作者简介：徐义女fj，(1963)，女，辽宁抚顺人，教授，硕 研究方向：机械设计28 徐文娟等：磁流变弹生体阻尼器的设计及其磁路分析 第4期的I。此后，国外多个研究团队开始研究将磁流变弹性体应用于减振装置的可能性 ，并开发了多款基于磁流变弹性体的减振隔振装置。研究表明，基于磁流变弹性的减振装置有明显的减振移频作用，具有很好的应用前景。在国内，中国某大学 I首先开展了有关磁流变弹性体及其应用的研究。并研发出几款基于磁流变弹性体的吸振装置。实验表明，所研制的吸振装置具有较好的减振效果 ，有望在设备减振及降噪领域得到应用↑几年，在国内多所大学也开始了磁流变弹性体方面的研究，并取得了-定的成果。

2.2磁流变弹性体的磁致效应磁致效应是磁流变弹性体阻尼器能够实现减振吸振作用的理论基矗当对磁流变弹性体施加磁场时，磁流变弹性体内部的磁性颗粒会迅速被磁化，并产生相互作用，使材料的刚度发生改变，且刚度的改变量 与施加在磁流变弹性体上的磁场强度有关。

总体来说，在达到磁饱和之前，施加在磁流变弹性体上的磁场强度越大，该材料的刚度改变得越多。而当撤去磁丑，磁流变弹性体的各项性能又迅速恢复到原来的状态，表现出该材料的可逆性。这种现象被称为磁流变弹性体的磁致效应l1。

2.3磁流变弹性体的工作模式目前，常用的磁流变弹性体的工作模式主要有两种，分别是剪切模式和挤压模式。这两种模式是根据磁流变弹性体的受力方向和外加磁场方向来区分的。首先，将磁流变弹性体固定在上下极板之间，且外加磁场的方向应与磁流变弹性体中颗粒的成链方向-致。若两极板的运动方向与外加磁场的方向垂直，则磁流变弹性体受到剪切作用。模式称为剪切模式，如图1所示。若两极板的运动方向与外加磁场的方向-致，则磁流变弹性体受到挤压作用。模式称为挤压模式，如冈2所示。

图2挤压模式Fig.2 Extrusion Mode通过查阅国内外文献可知，目前，国内外的研究人员所设计的减振装置主要是基于剪切工作模式。而近几年，文献t1i臣过对基于不同工作模式的磁流变弹性体阻尼器进行研究后认为，基于挤压工作模式的磁流变阻尼器具有最好的减振和移频效果～针对高温合金叶轮加工过程中的振动问题，设计-款基于挤压工作模式的磁流变弹性体振动抑制阻尼器。并对阻尼器的磁路进行计算和分析，为下-步对该款阻尼器进行优化寻找方向。

3磁流变弹性体阻尼器的设计3.1导磁材料的选择线圈的铁芯、上导磁铁、下导磁铁、套筒应选择磁性材料，因为该类材料通常具有很高的磁导率且能被强烈的磁化。同时，应用磁性材料作为铁芯的线圈通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。

按照磁性物质的磁性能，磁性材料可以分为软磁性材料，永磁材料，矩磁材料。其中软磁性材料具有高的饱和磁感应强度，大的磁导率和较小的矫顽磁力。且它的磁滞回线较窄，当存在外磁场时，有旧能大的磁感应强度B和磁化强度 。当除去外磁场时，磁感应强度曰和磁化强度 会旧能完全消失。比较适用于所设计的挤压式磁流变弹性阻尼器。

经研究，线圈的铁芯，上导磁铁，下导磁体采用软磁性材料中的纯铁(DT6)材料。但加工成零件后会存在残余内应力，降低其磁导率，还需要对零件进行热处理。

32磁流变弹性体的制备制备磁流变弹性体的方法主要有有磁场制备和无磁场制备。研究发现，与无磁场制备的磁流变弹性体相比，采用有磁场制备的磁流变弹性体拥有更为明显的磁致效应。为了提高所设计的磁流变弹性体阻尼器的减振精度，采用有磁场制备的磁流变弹性体。制备磁流变弹性体所使用到的材料有 704硅橡胶及微米级的铁磁性颗粒，其中704硅橡胶在室温环境下就可以固化I”。根据DavisI的研究，当铁磁性颗粒的体积浓度达到27%时，所制备出的磁流变弹性体拥有最佳的磁控性能。所 以按照体积浓度为27%量取两种材料 ，均匀混合后倒人事先准备好的模具内。并对其施加均匀的高磁场，经过 24h混合物固化，即形成了-种新的材料-磁流变弹性体。

3.3结构设计基于挤压工作模式，所设计的磁流变弹性体阻尼器的结构简图，如图 3所示。该阻尼器由铁芯、线圈、上导磁铁 、下导磁铁、套筒、磁流变弹性体等部分组成。在通常情况下，磁流变弹性体的挤压弹性模量会大于它的剪切弹性模量，所以与利用剪切工作模式设计的磁流变弹性体阻尼器相比，基于挤压工作模式的磁流变弹性体阻尼器的拥有更好的移频减振性能和承载能力。

211.线圈 2.(1～2)mm间隙 3上导磁体 4.磁流变弹性体 5.套筒 6.下导磁体图3挤压式磁流变弹性体阻尼器结构简图Fig.3 The Magnetorhelgical Elastomer DamperBased on Extrusion ModeNo.4Apr.2013 机械设计与制造 29工作原理：将线圈通入直流电流，由于电磁感应效应，线圈周围将产生磁场，磁极位于线圈两端，可由右手定则判定。同时，在该磁流变弹性体阻尼器中，将产生闭合磁路。阻尼器中的磁流变弹性体受到磁场的作用 ，其材料本身的刚度将产生变化，从而达到抑制振动的作用。而阻尼器产生阻尼力的大小与施压在磁流变弹性体上的磁场强度有关，而施压在磁流变弹性体上的磁场强度与通入线圈的直流电流大小有关。因而我们可以通过改变电流大小来改变该阻尼器的刚度。

当断开电源后，线圈中失去电流，原本存在线圈周围的磁场也会随即消失。因为磁流变弹性体这-智能材料的可逆性，使得该阻尼器的刚度迅速恢复到初始状态。

3.4线圈设计选择直径为0.8mm的漆包线制作线圈，其中漆包线中可以通过的最大电流 2A，则所制作的线圈可产生磁场强度BIT，已知纯铁的相对磁导- 3ooo，真空绝对磁导率为#o4xl 0 N/A 。

则根据直螺线管磁场公式：Btto#nl (1)可得 ：为了使磁场强度具有更大的可调范围，利用经验公式修正绕组匝数：n (0.65～0.85)133/(0.65～0.85)156～205取匝数为 200则线圈所占的横截面积 S，0.42x2001 O0.48ram所设计的挤压式磁流变弹性体颤振阻尼器线圈凹槽的横截面积 S25x8200mm>l00.48mm，故此尺寸可以接受。

4磁路计算磁流变弹性体阻尼器的磁路主要由上导磁铁、下导磁铁、套筒、铁芯 、磁流变弹性体构成，在磁路计算l1过程中，忽略了漏磁效应。根据所设计的挤压式磁流变弹性体阻尼器的磁路结构和欧姆定律，其磁路可简化为等效串联电路，如图4所示。

R，R图4简化后的等效磁路Fig.4 The Simplified Equivalent Magnetic Circuit图中：Rm-铁芯部分磁阻；尺， -间隙部分磁阻；尺 -上导磁铁部分的磁，阻； -磁流变弹性体的磁阻；R 是套筒的磁阻；R- 下导磁铁部分的磁阻。

磁路中各部分的磁阻可以用下面的公式计算。利用磁路欧姆定律以及磁导公式，可以计算各部分的磁阻。

根据磁路欧姆定律 口J知 ，此磁路的总磁阻 R 为 ：RmR 帆尺n R%磁芯部分的磁阻为：R 瓦 l1 lI其中，/xl3000；ll25mm；1-10mm。

上导磁体部分的磁阻为：/3 13fldr- 丁 r3- r3。) 2其中，/z33000；h10mm；r328ram；r30lOmm磁流变弹性体的磁阻：R 14 14其中，]z43.34；r428mm；r18mm；14--I5mm。

套筒部分的磁阻：t5其中，rs28mm；ro18mm；l55mm；/z53000。

下导磁体部分的磁阻：/6 16dr1 (1o r6- r6。)其中，/%3000；h10mm；r628mm；r6 10ram。

表 1磁饷和分析结果Tab.1 The Magnetic Saturation Analysis(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)R R R R R R磁饱和顺序 2 1 5 3 4 65总结根据对所设计的挤压式磁流变弹性体阻尼器的磁路进行计算和分析可知，在整个磁路中，间隙部分的磁阻最大，该部分也最先达到磁饱和状态。且阻尼器的磁路设计合理，磁场强度符合设计要求 ，且阻尼器具有较大的可调节范围。