河南省煙草公司鄭州市公司 劉英杰 劉劍君 劉文

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 趙漢雨 丁攀

農(nóng)業(yè)機(jī)械磁流變復(fù)合阻尼器磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

河南省煙草公司鄭州市公司 劉英杰 劉劍君 劉文

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 趙漢雨 丁攀

當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械駕駛員座椅大多沒(méi)有良好的減振裝置或僅僅靠普通座墊或彈簧充當(dāng)減振裝置，駕駛員在農(nóng)田作業(yè)時(shí)就會(huì)處于低頻高振幅全身振動(dòng)狀態(tài)中，對(duì)駕駛員的身體健康帶來(lái)極大的損害。磁流變阻尼器以其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，低能耗，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，并具有可調(diào)節(jié)的輸出力等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用中越來(lái)越廣泛。因此，將磁流變阻尼器運(yùn)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械座椅上有可能減輕駕駛員在操作拖拉機(jī)時(shí)的振動(dòng)。

自適應(yīng)磁流變阻尼器是基于磁致伸縮（Giant Magnetostrictive Material，簡(jiǎn)稱為GMM）逆效應(yīng)和磁流變液 (Magnetorheological Fluids，簡(jiǎn)稱為MRF)效應(yīng)的新型阻尼器，無(wú)需能源裝置，具有負(fù)載自適應(yīng)的功能。該阻尼器需要能夠?qū)⑼獠控?fù)載力的變化傳遞給GMM棒，再通過(guò)磁致伸縮逆效應(yīng)引起的磁路變化控制通過(guò)MRF阻尼通道的磁場(chǎng)變化，最終使MRF輸出相應(yīng)變化的阻尼力。要實(shí)現(xiàn)上述功能，就需要設(shè)計(jì)特定的磁路結(jié)構(gòu)。

一、永磁體構(gòu)成方式的選擇

自適應(yīng)磁流變阻尼器采用永磁體提供偏置磁場(chǎng)，永磁體的構(gòu)成形式主要有4種，如圖1所示。

圖1 永磁體與GMM的磁路構(gòu)成方式

永磁體構(gòu)成方式a采用圓盤形狀的永磁體，和一根完整的GMM棒，并將永磁體分別置于GMM棒的兩端，然后分別與兩端的磁軛相連，在外圍設(shè)置一個(gè)圓筒狀的軟磁體用于構(gòu)成磁回路。永磁體構(gòu)成方式b與方式a相類似，采用圓片形狀的永磁體，不同的是采用了多個(gè)永磁體與多個(gè)圓片形狀的GMM間隔布置。永磁體構(gòu)成方式c采用圓筒形狀的永磁體，包圍在一整根GMM棒的周圍，由它產(chǎn)生的磁力線經(jīng)兩端的磁軛，一部分從GMM棒通過(guò)，另一部分從最外圍的圓筒狀軟磁體中通過(guò)。永磁體構(gòu)成方式d與方式c相類似，采用圓環(huán)形的永磁體，不同的是采用了多層永磁體與多層圓片形狀的GMM間隔布置。以上4種永磁體構(gòu)成方式，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。綜合以上各個(gè)因素，最終選擇方式a作為永磁體的構(gòu)成方式。

二、磁流變復(fù)合阻尼器工作原理

根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)制作了自適應(yīng)磁流變阻尼器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。阻尼器初始狀態(tài)下受預(yù)壓力，當(dāng)活塞桿受到外力作用時(shí)，通過(guò)彈簧使力加載到GMM上，使用牌號(hào)為N35的永磁體，MRF在間隙處磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生阻尼力。

圖2 自適應(yīng)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)圖

由永磁體產(chǎn)生的磁回路可以分為①②兩種。工作過(guò)程中當(dāng)活塞桿受拉力時(shí)，由GMM逆效應(yīng)，其內(nèi)部磁疇沿軸向偏轉(zhuǎn)，相對(duì)磁導(dǎo)率變大，使磁回路①的磁通量增大，進(jìn)而使MRF間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，導(dǎo)致由MRF產(chǎn)生的阻尼力增大，如圖3（a）所示。當(dāng)GMM受壓力時(shí)，其內(nèi)部磁疇垂直于軸向偏轉(zhuǎn)，相對(duì)磁導(dǎo)率變小，進(jìn)而使MRF間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，導(dǎo)致由MRF產(chǎn)生的阻尼力減小，如圖3（b）所示。

圖3 自適應(yīng)磁流變阻尼器原理圖

三、結(jié)論

超磁致伸縮與磁流變復(fù)合阻尼新技術(shù)在微機(jī)器人、空間機(jī)器人、野戰(zhàn)用軍械和土木工程等領(lǐng)域的被動(dòng)阻尼和主動(dòng)阻尼控制中具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，為磁流變技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用提供了新思路。

河南省煙草專賣局（公司）科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（HYKJM201315），河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（17B416001），河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（172102310737），河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（162102210271），河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究項(xiàng)目（142300410294），國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510466001）】