螺旋流道磁流变阻尼器的设计、建模与性能分析

提出了一种螺旋流道磁流变阻尼器，通过优化磁路设计和流道结构，在约束体积下显著提升阻尼性能。基于COMSOL建立磁流耦合及温度特性仿真模型，预测2A电流下阻尼力6.048kN、动态调节范围24.5%。实验测得阻尼力5.939kN、动态调节范围30.6%，相对误差1.8%和19.9%，验证了设计的有效性。

张家伟|胡国亮|钟俊辉|吴欢|李伟华

华东交通大学机电与车辆工程学院，中国江西省南昌市330013

摘要

为了解决磁流变（MR）阻尼器增加阻尼力通常会导致整体体积增大的问题，开发了一种螺旋流道MR阻尼器，以在严格受限的体积内提供更好的阻尼性能。构建了磁路并建立了阻尼力模型。使用COMSOL软件进行了磁流耦合仿真和温度特性仿真。仿真结果显示，在2.0 A的电流作用下，阻尼力为6.048 kN，动态可调范围为24.5。与传统MR阻尼器相比，螺旋流道MR阻尼器表现出更优越的阻尼性能。搭建了试验台来研究所提出的MR阻尼器的动态性能。实验结果显示，在2.0 A的电流作用下，阻尼力为5.939 kN，动态可调范围为30.6。实验结果与仿真结果的相对误差分别为1.8%和19.9%，证实了所提出的MR阻尼器在提高阻尼性能方面的有效性。

引言

现代工程设备正逐步向更高的速度和更重的负载发展，这使得冲击和振动问题变得越来越突出。MR阻尼器是一种半主动控制装置，具有结构简单、响应速度快、能耗低和动态范围大的优点[1]、[2]、[3]。由于其出色的动态性能，MR阻尼器被广泛应用于工程机械、铁路车辆和民用基础设施领域的振动抑制[4]、[5]、[6]。此外，MR阻尼器还被用于旋转系统中，以减轻高速机械的振动[7]、[8]、[9]。然而，安装空间的限制和阻尼力不足在一定程度上阻碍了MR阻尼器的应用。

为了提高MR阻尼器的阻尼性能，研究人员对结构设计进行了广泛的研究，主要集中在激励线圈优化、磁路设计和流道配置上。通常，扩大可控磁通区域可以显著提高MR阻尼器的阻尼性能。因此，提出了许多多线圈配置。胡等人[10]设计了一种双线圈MR阻尼器，并分析了七种不同活塞配置对阻尼器性能的影响。杨等人[11]、[12]开发了一种三线圈MR阻尼器，并进行了内部磁场测试、阻尼性能评估和机械模型参数识别。王等人[13]设计了一种具有多个平行泄压孔的四级电磁线圈MR阻尼器，并分别在不同冲击速度和电流下对有泄压孔和无泄压孔的MR阻尼器进行了实验研究。Cruze等人[14]提出了一种多线圈自供电MR阻尼器，该阻尼器的活塞杆中集成了十个线圈。与相同尺寸的单线圈MR阻尼器相比，结果表明多级线圈结构有效提高了阻尼性能。尽管多线圈MR阻尼器可以增强阻尼力，但同时也会增加其轴向体积和能耗。

除了增加线圈数量外，许多研究还通过设计MR阻尼器的磁路来提高阻尼性能。程等人[15]提出了一种具有蜿蜒磁路的MR阻尼器，以改善阻尼力。磁通路径由磁性和非磁性组件引导。结果显示，阻尼力高达3.4 kN。刘等人[16]开发了一种具有折叠电阻间隙和弯曲磁路的新型MR阻尼器，通过弯曲磁路激活了传统的非磁性磁通区域。实验结果显示，与传统的MR阻尼器相比，阻尼力和动态范围分别提高了55.82%和62.21%。严等人[17]开发了一种双环形阻尼间隙MR阻尼器，通过合理布置高磁导率和低磁导率材料提高了磁场利用率。结果表明，所提出的MR阻尼器比传统阻尼器具有更好的阻尼性能。吴等人[18]设计了一种全通道有效MR阻尼器，具有并联和弯曲磁路。活塞头上的三个电阻环使磁路弯曲，增加了阻尼通道的有效工作长度。结果显示，这种MR阻尼器的平均磁场强度比传统MR阻尼器提高了100.89%。尽管弯曲磁路可以提高MR阻尼器的磁场利用率，但它也会引起磁泄漏问题。

此外，一些研究人员还通过改变MR阻尼器的流道结构来提高阻尼性能。白等人[19]设计了一种带有串联环形径向通道的环形径向通道MR阻尼器，将其集成到流体流道中。可控阻尼力可达到3.149 kN，显著提高了MR阻尼器的性能效率。Kim等人[20]提出了一种具有折叠流体通道的MR阻尼器，连接内外流体通道，从而延长了有效通道。结果表明，其阻尼性能优于传统阻尼器。王等人[21]开发了一种带有双折阀的MR阻尼器，作为内部旁路。与相同体积的MR环形阀阻尼器相比，所提出的MR阻尼器可以实现更低的关闭场阻尼力和更大的开启场阻尼力。胡等人[22]设计了一种具有多个轴向流体流道的MR阻尼器，并通过合理布置激励线圈和非磁性导电单元形成了四个有效的轴向间隙。所提出的MR阻尼器在1.8 A的电流下可以达到5.98 kN，表明阻尼性能有了显著提高。后来，胡等人[23]设计了一种混合流体流MR阻尼器，它在活塞处集成了轴向环形流道和径向盘流道。实验结果表明，混合流体流MR阻尼器在受限体积大小下可以获得更好的阻尼性能。然而，之前的MR阻尼器的流道中存在急转弯，容易导致堵塞故障。

上述提高MR阻尼器阻尼性能的方法主要是通过增加磁通密度、提高磁场利用率和延长有效流道长度来实现的。此外，长时间连续运行过程中的热积累也会影响MR阻尼器的阻尼性能。为了研究MR阻尼器的温度特性，进行了许多相关研究。Priya等人[24]研究了MR阻尼器运行过程中的温度特性及其对阻尼器滞后的影响。结果表明，MR阻尼器在较高输入电流下的运行会导致温度升高，从而导致峰值力下降。梁等人[25]研究了不同工作环境温度对MR阻尼器机械性能的影响，并提出了一种新的温度修正的双曲线滞后模型。朱等人[26]设计了一种带有内部温度传感器的单杆直缸MR阻尼器，并研究了温度对阻尼器性能的影响。Delijani等人[27]研究了工作温度对MR阻尼器性能的影响，并提出了一个考虑温度影响的参数模型。研究结果表明，当阻尼器受到较高速度和电流的影响时，其性能显著下降。

为了更好地满足工程机械振动抑制的实际需求，本文设计了一种螺旋流道MR阻尼器。通过用传统的轴向环形流道替换螺旋流道，在不增加MR阻尼器整体尺寸的情况下延长了有效阻尼间隙。同时，通过在活塞头中布置非磁性环，磁通线垂直穿过整个螺旋流道长度，从而提高了磁场利用率和阻尼性能。建立了螺旋流道MR阻尼器的阻尼机械模型和温度升高模型。此外，还建立了多物理场耦合仿真模型，并分析了阻尼性能和温度特性。最后，制造了所提出的MR阻尼器的原型，并搭建了试验系统来研究其性能，包括阻尼力、动态可调范围和温度特性。

结构设计和工作原理

为了在受限体积内提高MR阻尼器的阻尼性能，如图1所示，设计了一种螺旋流道MR阻尼器，主要包括端盖、端罩、活塞杆、气缸、活塞头等。活塞头将充满MR流体的气缸分成左右两个腔室。当受到外部振动激励时，活塞杆驱动活塞头在气缸内往复运动。MR流体被活塞头压缩后，在左右腔室内来回流动。

磁流耦合仿真模型

使用COMSOL软件建立了螺旋流道MR阻尼器的仿真模型，如图7所示。模型的材料属性主要由四部分组成：磁性材料、非磁性材料、激励线圈和MR流体。对于仿真分析，网格质量和网格数量对仿真结果至关重要。因此，螺旋通道流体区域使用了更细的网格尺寸，其他地方则使用较大的元素。

温度仿真模型

在建模方法中，MR阻尼器被分为流体域和固体域，以考虑它们不同的热传递特性。阻尼器中的MR流体区域属于流体域，其热传递主要通过热对流和热传导进行。相比之下，其余区域被归类为固体域，其中热传递主要通过热传导进行。流体域的热传递方程可以表示为：$\left(\begin{array}{c}{\rho }_L{C}_{\mathrm{pL}}\frac{\partial T}{\partial t}+{\rho }_L\end{array}\right)$

MR阻尼器原型和试验台设置

图27显示了所提出的MR阻尼器的原型。所提出的MR阻尼器具有紧凑的整体设计，外部尺寸相对较小。

为了验证MR阻尼器的动态性能和温度特性，搭建了如图28所示的试验台。在该试验台中，MR阻尼器的下端连接到阻尼器测试系统的执行器杆，而上端连接到同一系统的横梁。直流电源提供电力

结论

本文设计并制造了一种螺旋流道MR阻尼器。在流道中布置了螺旋挡板，形成螺旋通道。同时，在线轴上安装了磁隔离环，迫使磁通线穿过整个螺旋通道的长度，从而延长了阻尼间隙并提高了磁场利用率。

进行了磁流耦合仿真和温度特性仿真。仿真结果

作者贡献声明

张家伟：撰写——原始草稿、验证、研究、资金获取、正式分析。胡国亮：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。钟俊辉：软件、资源、研究、正式分析、数据管理。吴欢：资源、研究、数据管理。李伟华：方法论、正式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52475057）、江西省国际科技合作重点项目（编号：20232BBH80010）、江西省自然科学基金（编号：20252BAC250046）以及江西省研究生创新专项基金（编号：YC2024-B203）的财政支持。