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磁流變阻尼器

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阻尼器,是以提供運動的阻力,耗減運動能量的裝置。利用阻尼來吸能減震不是什麼新技術,在航天、航空、軍工、槍炮、汽車等行業中早已應用各種各樣的阻尼器(或減震器)來減振消能。從二十世紀七十年代后,人們開始逐步地把這些技術轉用到建築、橋樑、鐵路等結構工程中,其發展十分迅速。特別是有五十多年歷史的液壓粘滯阻尼器, 在美國被結構工程界接受以前,經歷了一個大量實驗,嚴格審查,反覆論證,特別是地震考驗的漫長過程。

1 磁流變阻尼器 -基本概念

  大家知道,使自由振動衰減的各種摩擦和其他阻礙作用,我們稱之為阻尼。而安置在結構系統上的「特殊」構件可以提供運動的阻力,耗減運動能量的裝置,我們稱為阻尼器。

2 磁流變阻尼器 -發展過程

  ·在航天、航空、軍工、機械等行業中廣泛應用,幾十年成功應用的歷史

  ·上世紀80年代開始在美國東西兩個地震研究中心等單位作了大量試驗研究, 發表了幾十篇有關論文

  ·90年代,美國國家科學基金會和土木工程學會等單位組織了兩次大型聯合,由第三者作出的對比試驗,給出了權威性的試驗報告,供教授和工程師們參考

  ·在肯定以上成果的基礎上被幾乎各有關機構,規範審查,肯定並規定了應用辦法

  ·管理部門通過,帶來了上百個結構工程實際應用。 這些結構工程,成功地經歷了地震、大風等災害考驗,十分成功。

3 磁流變阻尼器 -工程結構減震與阻尼器

  二十世紀,特別是近二、三十年人們對建築物的抗振動的能力的提高已經做了巨大的努力,取得了顯著的成果。這一成果中最引以為自豪的是「結構的保護系統」。人們跳出了傳統增強梁、柱、牆提高抗振動的能力的觀念,結合結構的動力性能,巧妙的避免或減少了地震,風力的破壞。基礎隔震(Base Isolation),各種利用阻尼器(damper) 吸能,耗能系統, 高層建築屋頂上的質量共振阻尼系統(TMD)和主動控制( Active Control)減震體系都是已經走向了工程實際。有的已經成為減少振動不可少的保護措施。特別是對於難於預料的地震,破壞機理還不十分清楚的多維振動,這些結構的保護系統就顯得更加重要。

  這些結構保護系統中爭議最少,有益無害的系統要屬利用阻尼器來吸收這難予預料的地震能量。利用阻尼來吸能減震不是什麼新技術,在航天航空,軍工,槍炮,汽車等行業中早已應用各種各樣的阻尼器來減振消能。從二十世紀七十年代后,人們開始逐步地把這些技術轉用到建築、橋樑、鐵路等工程中,其發展十分迅速。到二十世紀末,全世界已有近100多個結構工程運用了阻尼器來吸能減震。到2003年,僅Taylor公司就在全世界安裝了110個建築,橋樑或其它結構構築物。

  泰勒Taylor公司從1955年起經過長期大量航天、軍事工業的考驗,第一個實驗將這一技術應用到結構工程上,在美國地震研究中心作了大量振動台模型實驗,計算機分析,發表了幾十篇有關論文。結構用阻尼器的關鍵是持久耐用,時間和溫度變化下穩定,泰勒公司的阻尼器經過了長期考驗和各種對比分析,其他公司的產品很難望其向背。美國相應設計規範的制定都是基於泰勒公司阻尼器的產品。其產品技術先進,構造合理可靠,技術的透明度高,而且可以按設計者的要求製造適合各種用途的阻尼器。每個產品出廠前都經過最嚴格的測試,給出滯回曲線。泰勒Taylor公司從世界上130多個工程,32座橋樑的實際應用中,積累了大量的實際經驗。

4 磁流變阻尼器 -阻尼器分類

  Damper:用於減振;

  Snubber:用於防震,低速時允許移動,在速度或加速度超過相應的值時閉鎖,形成剛性支撐。

  阻尼器只是一個構件.使用在不同地方或不同工作環境就有不同的阻尼作用.Damper:用於減振;Snubber:用於防震,低速時允許移動,在速度或加速度超過相應的值時閉鎖,形成剛性支撐。

  目前各種應用中有:彈簧阻尼器,液壓阻尼器,脈衝阻尼器,旋轉阻尼器,風阻尼器,粘滯阻尼器等

5 磁流變阻尼器 -可控被動式電磁阻尼器的原理

引 言

  高速旋轉機器的振動問題是一個比較突出且難以解決的問題。這類機器的轉速高,都在超過臨界乃至幾階臨界轉速以上運行。因此為了保證其安全運行,除了保證仔細的設計和精確的製造安裝外,通常還使用阻尼器以減小振動。擠壓油膜阻尼器和電磁阻尼器就是兩種常用的阻尼器。本文設計了一種新的可控型被動式電磁阻尼器。

  可控型被動式電磁阻尼器的結構和工作原理

  圖1為可控被動式電磁阻尼器的示意圖。它沒有位移感測器。其結構與擠壓油膜阻尼器類似:旋轉機械的轉子(1)通過滾動軸承(2)或滑動軸承支承在鐵芯(3)上。該鐵芯再通過彈簧(4)支承在機座(5)上。彈簧的支承剛度可按使用要求設計,為支承系統的主剛度。在機座上環繞鐵芯同心放置有四隻電磁鐵(6)。各磁鐵線圈上都作用相同大小的直流勵磁電壓。

  圖2示出可控被動電磁阻尼器所產生的附加剛度和阻尼隨頻率變化的情況。可以看出在整個頻率範圍內附加剛度的值是負的,且隨著頻率的升高負的剛度值降低。在高頻區剛度值幾乎為零。這種阻尼特性剛好符合旋轉機械所要求的低頻大阻尼高頻小阻尼的特性。在可控被動電磁阻尼器的尺寸確定后,剛度和阻尼值就僅取決於靜態勵磁電流或勵磁電壓。改變勵磁電壓值就能改變剛度和阻尼,因而這種阻尼器是可控的。

實驗裝置

  圖3a為實驗裝置:一根細長軸,一端支承在普通的剛性滾珠軸承上,另一端支承在圖1所示的電磁阻尼器支承上。轉子由直流電機驅動。軸的振動和轉速分別由渦流感測器和光電感測器檢測。振動信號和轉速信號由計算機通過AD板採集。圖3b為提供主支承剛度的平板徑向彈簧。該彈簧以彈性鋁為材料,線切割加工。其剛度值由有限元計算和優化。在一隻電磁阻尼器支承上有兩隻並排放置的彈簧,以保證對稱性,利於系統建模。理論計算和實驗測試均表明該轉子的第一階臨界轉速約為3900revs/min。

實 驗

  在不同勵磁電壓下測試轉子的振動隨轉速的變化。圖4給出了實驗數據。圖中的四條曲線代表勵磁電壓分別為0伏、9伏、12伏和15伏的情況。可以看出隨著勵磁電壓的增大,電磁阻尼器提供的阻尼也增大。這使得轉子的振幅得到抑制,從0.185mm降到0.56mm,減振效果是很明顯的。從圖中還可以看出,由於負的電磁剛度的存在,轉子的臨界轉速有所降低。這和圖2中的結果很一致,在65HZ臨界轉速附近,電磁附加負剛度很小因而它對臨界轉速的影響很小。當勵磁電壓為15伏時,轉子的臨界轉速僅下降到3780revs/min。

結 論

  被動式電磁阻尼器用於轉子系統取得了較好的減振效果。這種阻尼器的阻尼產生機理是被動的而阻尼的大小則是隨勵磁電壓的大小可控的。與擠壓油膜阻尼器相比,被動式電磁阻尼器具有電磁軸承相對於普通軸承的大部分優點;與主動式電磁阻尼器相比,被動式電磁阻尼器的總體結構簡單、造價低、可靠性更高。因而這是一種很有發展前途的行之有效的高速轉子的減振阻尼裝置。

  本文介紹了被動式電磁阻尼器在線性範圍內的原理和僅進行了被動式電磁阻尼器的初步的減振實驗,更多的非線性特性的研究和優化設計將在今後陸續報道。

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