农业机械磁流变复合阻尼器磁路结构设计

河南省烟草公司郑州市公司 刘英杰 刘剑君 刘文

河南农业大学机电工程学院 赵汉雨 丁攀

农业机械磁流变复合阻尼器磁路结构设计

河南省烟草公司郑州市公司 刘英杰 刘剑君 刘文

河南农业大学机电工程学院 赵汉雨 丁攀

当前我国农业机械驾驶员座椅大多没有良好的减振装置或仅仅靠普通座垫或弹簧充当减振装置，驾驶员在农田作业时就会处于低频高振幅全身振动状态中，对驾驶员的身体健康带来极大的损害。磁流变阻尼器以其简单的结构，低能耗，对环境无污染，并具有可调节的输出力等特点，在农业机械制造领域的应用中越来越广泛。因此，将磁流变阻尼器运用到农业机械座椅上有可能减轻驾驶员在操作拖拉机时的振动。

自适应磁流变阻尼器是基于磁致伸缩（Giant Magnetostrictive Material，简称为GMM）逆效应和磁流变液 (Magnetorheological Fluids，简称为MRF)效应的新型阻尼器，无需能源装置，具有负载自适应的功能。该阻尼器需要能够将外部负载力的变化传递给GMM棒，再通过磁致伸缩逆效应引起的磁路变化控制通过MRF阻尼通道的磁场变化，最终使MRF输出相应变化的阻尼力。要实现上述功能，就需要设计特定的磁路结构。

一、永磁体构成方式的选择

自适应磁流变阻尼器采用永磁体提供偏置磁场，永磁体的构成形式主要有4种，如图1所示。

图1 永磁体与GMM的磁路构成方式

永磁体构成方式a采用圆盘形状的永磁体，和一根完整的GMM棒，并将永磁体分别置于GMM棒的两端，然后分别与两端的磁轭相连，在外围设置一个圆筒状的软磁体用于构成磁回路。永磁体构成方式b与方式a相类似，采用圆片形状的永磁体，不同的是采用了多个永磁体与多个圆片形状的GMM间隔布置。永磁体构成方式c采用圆筒形状的永磁体，包围在一整根GMM棒的周围，由它产生的磁力线经两端的磁轭，一部分从GMM棒通过，另一部分从最外围的圆筒状软磁体中通过。永磁体构成方式d与方式c相类似，采用圆环形的永磁体，不同的是采用了多层永磁体与多层圆片形状的GMM间隔布置。以上4种永磁体构成方式，各有各的优缺点。综合以上各个因素，最终选择方式a作为永磁体的构成方式。

二、磁流变复合阻尼器工作原理

根据以上原理设计制作了自适应磁流变阻尼器，其结构如图2所示。阻尼器初始状态下受预压力，当活塞杆受到外力作用时，通过弹簧使力加载到GMM上，使用牌号为N35的永磁体，MRF在间隙处磁场的作用下产生阻尼力。

图2 自适应磁流变阻尼器结构图

由永磁体产生的磁回路可以分为①②两种。工作过程中当活塞杆受拉力时，由GMM逆效应，其内部磁畴沿轴向偏转，相对磁导率变大，使磁回路①的磁通量增大，进而使MRF间隙处的磁感应强度增大，导致由MRF产生的阻尼力增大，如图3（a）所示。当GMM受压力时，其内部磁畴垂直于轴向偏转，相对磁导率变小，进而使MRF间隙处的磁感应强度减小，导致由MRF产生的阻尼力减小，如图3（b）所示。

图3 自适应磁流变阻尼器原理图

三、结论

超磁致伸缩与磁流变复合阻尼新技术在微机器人、空间机器人、野战用军械和土木工程等领域的被动阻尼和主动阻尼控制中具有重要的学术价值和应用价值，为磁流变技术在现代农业机械的应用提供了新思路。

河南省烟草专卖局（公司）科学研究与技术开发项目（HYKJM201315），河南省高等学校重点科研项目（17B416001），河南省科技攻关项目（172102310737），河南省科技攻关项目（162102210271），河南省基础与前沿技术研究项目（142300410294），国家级大学生创新创业训练计划项目（201510466001）】