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磁流变阻尼器密封机制研究

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机械设计与制造 78 文章编号:1001—3997(201 1)O7~0078-.-02 Machinery Design&Manufacture 第7期 201 1年7月 磁流变阻尼器密封机制研究术 李钢1,3杜成斌 ( 南京工程学院,南京211167)( 河海大学,南京210098) (。南京理工大学,南京210094) Study of sealing mechanism of a magnetO—rheOIOgical damper LI Gangi,3,DU Cheng一.bin: ( Nanjing Institute of Technology,Nanjing 2 1 1 1 67,China) ( :nohai University,Nanjing,Nanjing 210098,China) (。'Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China) t t— \‘,十十d 一十 / ^| 十 十d/ d J 一十 J ^ \£十’ 1 §d 、 p ^ 1 t 十 十{ t十 ^ 、t l, 十d}一’ 一十d■ ^| \l一十d q、£一十J 【摘要】为解决大型阻尼器工作中传统密封方式磨损老化维护困难问题,针对磁流变阻尼器的工 作特点,在磁流变阻尼器中充分利用新型智能材料磁流变液的优异特性,建立一种新型的非接触式磁 密封机制。探讨非接触式磁密封机制的工作原理和具体结构,使用有限元仿真软件对阻尼器工作部位 磁场进行仿真分析,建立磁密封理论耐压能力的理论计算模型。表明此种非接触式磁密封较传统密封 方法具有高可靠性,超长维修间隔时间,摩擦小,效率高,无方向性的优势。 关键词:磁流变液;磁密封;有限元;耐压能力 【Abstract】,n the magneto一.rheoolgical dolnper,based on the well characteristics ofthe new inteligent material-magneto eo厶 c fluid,。new non--contact sealing mechanism has been&veloped order to solve maintenance problems of trad ̄onal large size damper caused by c1 ng and wear processA eT work— ing principle analyzing and structure designing,electromagnetic inifte element antis has been employed to simulate and analyze the magnetic circuit,and a theoretical computtiaon model fo,r enduring magnetic sealing pressure has been established.which s proven that magneto—rheological luifd sealing arrange— merit has its s ̄iif,,cant advantages comparig nwiht trad ̄nal sealing mechanism with higher relibiality, longer interval tie omf breakdown maintenance,lowerfriction and higher eficifency. Key words:Magneto rheological fluid;Magneto-rheological fluid sealing arrangement;Finite el- ement anaIysis;SeaIing pressure endurance 中图分类号:TH16,TH703.62,TB743文献标识码:A 1引言 长期以来,密封失效泄漏一直是困扰着液压阻尼器生产和使 用单位的一个棘手问题。因为常用橡胶密封件在使用过程中,不可 避免发生磨损和自然老化,如不能及时维修更换,则极易造成泄漏。 磁流变阻尼器是一种利用新型智能材料磁流变液(MRF)在外加强 磁场作用下,屈服强度瞬间改变,在毫秒级内增加几个数量级,由液 态而转变呈现类似固体的力学陛质的特『生研制的,能够实现半主动 被人们所认识,其研究应用一直是世界各国十分关注的前沿课题。在 我国,科研人员做了关于磁流体霍到在水泵中的应用实验研究。科研 人员论述并用实验验证了防液体密封的承压机理和失效机制。科研 人员通过磁流体密封水介质的试验,分析了磁流体密封破裂后的修 复过程。科研人员则又 翻菔体密刻耐压计算力 去作了研究。 2磁流变阻尼器密封机制的结构和工作 原理 如图1所示,大出力复合磁流变阻尼器活塞杆与端盖处采 控制的新型阻尼器。主要用于高楼、桥梁、钻井平台等大型结构和重 型车辆上承担抗震减振任务。现有的大多数磁流变阻尼器仍然沿用 用磁流体密封机制。密封机制的结构,如图2所示。端盖内部有环 ,采用标准液压密封件及其结构。由于 状永磁铁左右侧面与导磁性好钢材制造的三组磁极紧密贴合,磁 使用场合的制约,更换磁流变阻尼器密封部件异常困难且成本巨 极和轴接触部位齿形作成梯形,永磁铁下部、磁极外部都用不导 大。研制既能充分发挥磁流变液的优异特I生,又能适应磁流变阻尼 磁的不锈钢隔套与壳体分隔开。如此,常在永磁铁、磁极与阻尼器 器的使用环境,且具有高度可靠性,超长使用寿命的新的密封机制, 钢制活塞轴之间形成密集的闭合磁场回路口。当磁流变液流到活 是该类阻尼器能否进入实用阶段的—个关键问题。 塞杆与端盖t司隙处,在间隙内强磁场作用下,屈服强度瞬间增加 呈现类似固体的性质,将磁流体紧紧吸在密封间隙 磁流体密封最初美国人为了解决宇航服可动部分的真空密封 几个数量级,形成磁性液体…0’型密封环,把间隙锁住,从而实现密封 。 以及在失重状态下宇宙飞船液体燃料的固定问题而提出。此后逐渐 内,★来稿日期:2010-一09—18★基金项目:江苏省高技术项目资助(BG2007048),南京工程学院重点院级项目资助(QKJA200901) 第7期 李钢等:磁流变阻尼器密封机制研究 79 图1大出力复合磁流变阻尼器 磁极 图2磁流体密封结构 这种非接触式密封相对传统密封方式,几乎可以不考虑密 封件的磨损和老化,磁流体作为一种隋性、稳定、挥发量极低的有 机物,寿命长,可10年无需维修。即便密封在特定情况下产生瞬 时过压击穿时,一旦压力降低至密封可以承受的程度时,密封效 果依然能够保持。还具有摩擦力极小,传输效率高。无方向性,如 果需要改变承压方向,无需增加任何元件就能实现等优点。 3密封机制的磁场分析与理论耐压能力 计算 磁密封装置中,采用聚磁结构,使得密封间隙内磁场强度远 高于间隙外磁场,这样,在密封间隙中注人磁流体后,磁流体被吸 附在密封间隙中并将其充满,并且处于对称的位置。当密封间隙 两侧压力不等时,磁流体在磁场中发生转移,被挤向压力较低的 一侧,从而使高压侧的磁流体表面处于较高的磁场位置,而低压 侧磁流体表面处于较低的磁场位置,由于两表面间磁场强度差而 产生磁压,此磁压与外部压差平衡,从而实现了密封目的。 3.1工作间隙附近磁场有限元仿真 为验证图2所示密封机制正确性。使用ANSYS软件,对工 作间隙附近磁场进行有限元仿真。其磁路分布及磁场强度分布, 如图3所示。 图3密封工作间隙附近磁路分布及磁流密度图 如图3可知,装置中磁力线集中分布在工作间隙附近,磁场 能绝大多数都被利用,间隙处磁场强度较强,说明该密封结构磁 路设计是合理的I6-8/。 3.2理论耐压能力计算 根据Bingham模型,磁流变液的本构关系可用下式表示: r=ry0q) gn(等 (1) 式中:第一项是由磁流变液中磁场产生的剪切屈服应力,是磁场 强度的函数,第二项为磁流变液在不施加磁场情况下牛顿 流体的剪切应力,叩一动力粘度系数;d ,dr剪应变速率 。 工作间隙处任一位置的磁流变液单元可看作是在两块平行 极板间作一维流动(忽略对流),设极板长 ,宽b,间距为工作间 隙h,流体单元受力情况,如图4所示。根据动量守恒定律,流体 内部沿间隙高度方向Y处剪应力与该处压力沿极板长度方向的 梯度存在以下关系: ( ) ‘y (2) 令特定磁场强度下,磁流变液的剪切屈服强度为r',,则将 (2)式带入(1),积分,得 (y)表达式,并通过对速度分布曲线沿Y 积分再乘以极板宽度b(因间隙为环形,故b为周长"rrD),得到极 板间流体流量。 du一: : (3) 叼 暑[h3( 3以 )。 7;] (4) 将P,=AP/L带入上式,并简化整理,得: AP= +J3Lr (5) wDh 式中:△ —压力差,反映密封结构的承压能力大小。 可见磁流变阻尼器磁密封耐压能力,随磁场强度增强而增 强,随接触宽度增加而增大,随径向间隙减小而提高I 。 L / 娌 、 !T //1 一 ’ l/ 一 儿 ::}薯 II I- /rPh| m / / 图4工作间隙内磁流变液速度分布曲线图 4结论 (1)新的磁密封机制能充分发挥磁流变阻尼器内的磁流变 液的优异特性,又能适应阻尼器的特殊使用环境,与传统密封方 法相比,具有以下优点: ①密封眭能好,泄漏少;②寿命长,长期使用,无需维修;③可 l生高,即使正常情况下产生瞬时过压击穿时,一旦压力降低至密 封可以承受的程度时,密封效果依然能够保持;④湿摩擦状态,效 率高,摩擦小,发热低;⑤无方向性密封:自动改变承压方向。 (2)经仿真,磁场能绝大多数都被利用,间隙处磁场强度较 强,该密封结构磁路设计是合理的。 (3)经推导,磁流变阻尼器磁密封耐压能力,随磁场强度增 强而增强,随接触宽度增加而增大,随径向间隙减小而提高 。 机械设计与制造 80 文章编号:1001—3997(201 1)07—0080—03 Machine ̄T Design&Manufacture 第7期 201 1年7月 油气悬架外置机械感应阻尼阀特性研究 王勋 陈思忠 ( 安徽柳工起重机有限公司,蚌埠233000)( 北京理工大学机械与车辆学院,北京10008 1) A study on the outside sensitive damper valve of hydro-pneumatic suspension for vehicles WANG Xun ,CHEN Si-zhong (‘Anhui Liugong Crane Co.Std,Bengbu 233000,China) (2School of Mechanical and Vehicle Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 10008 1,China) 【摘要】设计了一种无需任何电子控制系统就可实现阻尼调节 的外置机械感应阻尼阁,分析了 }其工作原理、内部结构及其外特性。根据流体连续性方程、运动微分方 程以及伯努利方程等理论建立了 外置可调阻尼阀数学模型,研究了该阻尼阀的阻尼特性。并通过仿真 分析对比了外置机械感应阻尼阀 }和普通外置阻尼阀对车辆平顺性和车轮接地性的影响。仿真结果表明 所设计的外置感应阻尼阀可实 现油气悬架阻尼力的两级调节,使车辆平顺性和操纵稳定性得以改善 ,i 关键词:油气悬架;外置感应阻尼阀;外特性 【Abstract】A new outside adjustable damper is developed,which can be controlled by operating on the adjustblae valve without electric control system.The working principle,elements structure and valve be— haviors of the developed valve are studied.A mathematical modelfor outside adjustable damper valve is es- tablished by adopting continuity equation,differential equations of motion,Bernoulli Equation and the damping characteristic is studied.Besides the valve parameters’influence on the ride and wheel ground 一 hesion Q厂‘vehicle is studied by simultiang and comparing the outside sensitive damper valve with common one which results indicate that the outside adjustblae damper developed can be adjusted with hydro-pneu- matic suspension on two stages,which improve the ride and control stability ofthe vehicle. Key words:Hydr0__pneumatic suspension;Outside sensitive damper valve;Outside characteristics ● ~●… “~…… ~ i、-、¨ ¨… i “ ,“ 1 i、 0庸 j i、 1 1 ● ¨ ■ _1 0、 ● 、-/● 中图分类号:TH16,U463.33文献标识码:A 1  日I上’J言 舌 何电子控制系统就可实现阻尼的调节,f 电丁任币q尔现 L叫头 阻 匕州}同l ,满足多种路况下、『呐疋乡 跆 L l、、行驶状 1] 恹 被动悬架系统的阻尼一般是在设计条件下经参数优化而确定 态变化时车辆对阻尼阀的使用要求,其成本也最低,可靠性最高, 的,一经选定,在车辆运行过程中无法针对车辆状态和道路条件等 因此其具有广阔的应用前景和研究价值 。基于某油气悬架设计 因素的变化进行调节,这就限制了悬架性能的进一步提高。 了一种外置机械感应式可调阻尼阀,并建立了该阻尼阀的数学模 而具有阻尼可调特性的悬架可根据道路条件等因素选择合 型。应用该模型可以清楚地描述阻尼阀的阻尼机制,进行阻尼阀的 适的阻尼,使车辆在平顺性和操纵稳定性之间处于一个最优的结 动态性能分析及车辆动力学性能研究。 合点 ”。可调阻尼阀按上作原理可分为四类:机械式、电子控制式、 2阻尼阀结构和工作原理 磁流变和电流变式、压电阻式[21。而机械感应式可调阻尼阀无需任 ★来稿日期:2010—09—20 设计的外詈机械感廊阻尼阀结构.如图1所示.该阻尼阀主 参考文献 [1]彭国君.液J土缸密封装置的分析与研究[J].煤矿机械,2001(1):52—54. [2]魏龙,等.机械密封端面摩擦机制与摩擦状态[J]_润滑与密封,2008(6): 39—42. Technology,2002,129:559-562. [6]李建勋.液压缸活塞密封陛能的有限元分析[D].沈阳:东北大学,2005. [7]李建国,等.油封动密封机制的有限元分析[J]|润滑与密封,2007(1): 97-99. 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