一种磁性液体阻尼减振器的试验研究

常建军，姚 杰，李德才

（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044）

一种磁性液体阻尼减振器的试验研究

常建军，姚 杰，李德才∗

（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044）

针对航天器上长直物体的振动问题，基于磁性液体的二阶浮力原理与液体的粘性耗能原理，提出了一种新结构的磁性液体阻尼减振器。该减振器由非导磁性壳体、永磁体和磁性液体构成，吸附有磁性液体的永磁体作为工作单元，当有振动产生时，工作单元与非导磁性壳体产生相对运动，从而实现摩擦耗能。试验表明对数衰减率随非导磁性壳体长度（177～228 mm）的增加而增大后趋于平稳，且效果明显；对数衰减率随注入磁性液体质量（2～22 g）的增加先增大后趋于平稳并略有下降，且效果不明显。

磁性液体；粘性耗能；阻尼减振器；二阶浮力原理

1 引言

航天器运行过程中长期处于微重力环境，很容易受到来自外界和自身振动的影响，而这类振动往往又很难被消除［1］。这些振动包括各类发动机（如远地点发动机、反推发动机及姿控小发动机等）工作时产生的动力干扰，太阳能帆板的驱动机构、天线指向机构、反作用轮等机构在运行时产生的振动，舱段分离和交会对接引起的剧烈振动，子推进器运行以及轨道控制和姿态控制动作引起的振动，各种设备比如泵、阀门和风扇等的启动引起的振动，航天员自身的活动所引起的振动等。为了保证航天器的正常运行，当振动频率高于0.3 Hz时就需要采取适当的减振措施［2］。

磁性液体是一种新型的功能材料，它是由铁磁性或亚铁磁性微粒高度弥散于液态载液中构成的一种高度稳定性的胶体溶液，既具有液体的流动性，又具有固体磁性材料的磁性［3］。在磁性液体工程应用之初，人们就提出了将磁性液体应用于阻尼减振的想法［4］。1966年NASA研制了一种无线电天文探测卫星用磁性液体粘性阻尼减振器［5］，这种阻尼减振器能够有效抑制卫星中稳定系统引起的振动和扰动振荡；之后国外研究人员相继提出了为抑制线性振动而设计的磁性液体阻尼减振器［6］、磁性液体旋转式惯性阻尼减振器［7⁃8］、活塞式磁性液体阻尼减振器［9⁃10］、电流变磁性液体阻尼减振器［11⁃12］、活塞式磁性液体主动阻尼减振器［13⁃17］、调谐磁性液体阻尼器［18⁃20］、多孔弹性片状磁性液体阻尼器［21］、磁性液体动力吸振器［22⁃23］等多种结构的磁性液体阻尼减振器。

本文提出了一种新型的磁性液体阻尼减振器结构，分析了一端固定一端加装磁性液体阻尼减振器的铜板的振动模型。通过试验测得了永磁体所受回复力与永磁体之间距离的关系，并对影响减振效果的结构参数进行了试验研究。

2 工作原理

本文提出的磁性液体减振器结构由一个圆柱形的非导磁性壳体、固定在非导磁性壳体两端的圆柱形永磁体和工作单元构成，工作单元由吸附适量磁性液体的三块永磁体构成，该结构如图1所示。二阶浮力原理使工作单元能够悬浮在磁性液体之中，同时由于永久磁铁的强磁场作用，磁性液体被牢牢束缚在磁铁周围，即使在失重环境下也不会发生飘逸现象，吸附有磁性液体的工作单元如图2所示，其所受的悬浮力表达为式（1）［24］：

当外界发生振动时，工作单元由于惯性作用将与非导磁性壳体发生相对运动，使得磁性液体产生粘性摩擦，从而将机械能转化为热能，达到消减振动的目的。固定在非导磁性壳体两端的永磁体保证了工作单元在运动过程中有一个始终指向中心位置的回复力，避免了由于振动过大造成的撞壁现象。此外，通过改变壳体长度l2可以实现对回复力大小的控制。通气槽避免了工作单元运动时两端气压不等，对回复力造成影响［23］。

3 试验

本次试验所用实验台如图3所示。弹性铜板一端固定，另一端呈自由振动的状态。

本次试验选用的位移传感器型号为HL⁃G108⁃S⁃J，其最小分辨率为2.5μm。输出的位移信号通过型号为DI710的数据记录仪进行接收，计算机对数据进行处理得到对数衰减率的值。

试验选用的铜板尺寸为1200 mm×49 mm× 5 mm；磁性液体阻尼减振器的壳体内径为30 mm；工作单元中永磁体的质量为47.7 g；工作单元中位于两端的永磁体尺寸为直径25 mm、厚度5 mm，连接用永磁体的尺寸为直径9 mm、长度25 mm。试验所用的磁性液体为酯基磁性液体，其蒸汽压较低，适用于真空环境。其饱和磁化强度为400 Gs，粘度为0.27 Pa·s。试验中铜板的振幅为1 mm，频率为1.4 Hz。

在小位移的情况下，该系统的振动模型依据传统振动的两自由度系统简化得到如图4所示的原理图。

该二阶系统的微分方程为式（2）：

式中的k1，C1分别为振动系统的等效刚度和等效阻尼，C2为减振器工作单元的等效阻尼，Fm为永磁体所受两边回复力磁铁的磁力，m1为磁性液体阻尼减振器外壳加弹性铜板的质量，m2为吸附有磁性液体的永磁体的质量。

4 试验结果及分析

图5展示了工作单元与单块回复力永磁体之间的斥力关系。

由图可知，在60～200 mm的范围内，任意1 mm振幅情况下都可认为回复力Fm与永磁体距离呈线性关系，即：为减振器工作单元的等效刚度。

图6展示了壳体长度l2对减振效果的影响，试验所注入的磁性液体为20 g。根据图5可以计算得到不同壳体长度l2所对应的等效刚度k2，如表1所示。

表1 不同壳体长度下的k2值Table 1 The equivalent stiffness k2w ith the various lengths l2

由图6可知，随着壳体长度的增加，对数衰减率增大，在长度为228 mm时，对数衰减率达到了最大值0.0157。磁性液体阻尼减振器的减振效果呈增大的趋势，原因是随着壳体长度l1的增加，壳体端面永磁体对工作单元提供的磁力减小，工作单元晃动时所受外力减小，一个周期内运动的距离增加，由于磁性液体所加质量一定，与壳体的接触面积一定，当距离增加时，粘性耗能作用增强。从图中可以看出，当壳体长度从183 mm变为188 mm时，对数衰减率有大幅度提升，这是因为当壳体长度是177 mm与183 mm时，工作单元与端面永磁体初始距离小，永磁体之间的斥力较大，当振动产生时，工作单元在端面永磁体的作用下几乎不能运动，因此此时的对数衰减率接近于不加磁性液体阻尼减振器时的对数衰减率。图6也说明了增大壳体长度对数衰减率有明显提高。

图7展示了磁性液体注入量对减振效果的影响，选取壳体长度l2为228 mm。

由图7可知，随着中部永磁体两端注入磁性液体质量的增加，对数衰减率增大，当注入的磁性液体质量为4 g时，达到0.0147，原因是开始时刻随着磁性液体质量的增加，磁性液体与壳体的接触面积增大，且振动时随中部永磁体晃动的磁性液体数量增大，粘性耗能的能力加强。继续注入磁性液体时减振效果趋于平稳并略有下降，趋于平稳的原因是因为注入的磁性液体达到一定质量时，再继续注入磁性液体，后注入的磁性液体没有被吸附到工作单元两端，而是附着在工作单元附近的壳体内壁，增多的附着磁性液体在工作单元晃动过程中反而会起一个阻碍的作用，这也解释了阻尼效果趋于平稳之后会有略微下降。当注入磁性液体质量达到16 g后又出现了一个上升趋势，当注入质量为22 g时，对数衰减率达到最大值0.0167。此时由于不被工作单元吸引的磁性液体中和了一部分端面永磁体的作用，中和的这部分力大于这部分磁性液体起到的阻碍力，减振效果继续增强。从图中可以看出，当注入的磁性液体质量从2 g增加到4 g时，对数衰减率大幅度提升，这是因为实验选用的工作单元质量较大，当注入的磁性液体质量为2 g时，工作单元难以在二阶浮力原理的作用下浮起，当悬臂梁开始振动时，工作单元与壳体干摩擦，此种情况下磁性液体的粘性耗能作用已经很低。图7也说明了增加注入磁性液体质量，对数衰减率提高不明显。

图8展示了实验中优化后的磁性液体阻尼减振器对数衰减率与不加磁性液体阻尼减振器情况下的对比情况，由图可知，采用磁性液体阻尼减振器的减振效果明显，通过计算，优化后的对数衰减率是不加减振器的3.48倍。

7 结论

提出了一种磁性液体阻尼减振器，试验研究了壳体长度以及注入的对磁性液体阻尼减振器减振效果的影响：

1）加装经过优化后的减振器的对数衰减率为不加装减振器的3.48倍；

2）壳体长度在177～228 mm范围内变化时，加装磁性液体阻尼减振器振动系统的对数衰减率最大值为0.0157，壳体长度对减振效果的影响明显；

3）注入的磁性液体质量在2～22 g范围内增大时，加装磁性液体阻尼减振器振动系统的对数衰减率最大值为0.0167，注入的磁性液体质量对减振效果的影响不明显。

（References）

［1］ 赵会光，马兴瑞，冯纪生.航天器连接结构减振特性的功率流分析［J］.宇航学报，2001，22（6）：64⁃71. ZHAO H G，MA X R，FENG JS.Power flow analysis for vi⁃bration damping characteristics of interconnected structures in spacecraft［J］.Journal of Astronautics，2001，22（6）：64⁃71.（in Chinese）

［2］ 王珂，顾逸东.空间科学实验柜被动式减振系统研究［J］.空间科学学报，2006，26（6）：470⁃477. Wang K，GU Y D.Study of the passive vibration isolation sys⁃tem for the space scientific experimental rack［J］.Chinese Journal of Space Science，2006，26（6）：470⁃477.（in Chi⁃nese）

［3］ 丁一，李德才，王庆雷.磁性液体阻尼减振器的设计与实验研究［J］.载人航天，2013，19（1）：77⁃80. DING Y，LID C，WANG Q L.The design and experimental study of themagnetic fluid damper［J］.Manned Spaceflight，2013，19（1）：77⁃80.（in Chinese）

［4］ Rosensweig R E.The fascinating magnetic fluids［J］.New Scientist，1966，20：146⁃148.

［5］ AVCO Missiles，Space and Electronics Group.Final report feasibility study andmodel development for a ferrofluid viscous damper［R］.AVSSD⁃0222⁃67⁃CR，NASA⁃CR⁃94173，1967.

［6］ Ezekiel F D.Uses ofmagnetic fluids in bearings，lubrication and damping［C］／／Mechanical Engineering.345 E 47TH ST，New York，NY 10017：ASME⁃AMER SOC Mechanical ENG，1975，97（7）：94⁃94.

［7］ Moskowitz R，Stahl P，Reed W R.Inertia damper using fer⁃rofluid：U.S.Patent4，123，675［P］.1978⁃10⁃31.

［8］ Popplewell J，Charles SW.Ferromagnetic liquids⁃theirmag⁃netic properties and applications［J］.Magnetics，IEEE Trans⁃actions on，1981，17（6）：2923⁃2928.

［9］ Orlov D V，Savost’yanov AM，Samsonov V N，etal.Exper⁃imental studies of ferrofluidic damping devices［J］.Magneto⁃hydrodynamics，1984，20（2）：218⁃221.

［10］ Nakatsuka K，Yokoyama H，Shimoiizaka J，et al.Damper application ofmagnetic fluid for a vibration isolating table［J］. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1987，65（2）：359⁃362.

［11］ Fujita T，Ito R，Kuzuno E，et al.Preparation and properties of silicone oil based magnetic fluid［J］.Journal of the Japan Society of Powder and PowderMetallurgy，1996，43（6）：757⁃760.

［12］ Fujita T，Wada Y，Obinata G，et al.Comparison of frequen⁃cy characteristics in a damper usingmagnetic fluid，ER fluid dispersing smectite，and mixed ER magnetic fluid［J］.Inter⁃national Journal of Modern Physics B，1996，10（23⁃24）：3001⁃3010.

［13］ Shimada K，Kamiyama S.A basic study on oscillatory charac⁃teristics ofmagnetic fluid viscous damper［J］.Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers，Part B，1991，57（544）：4111⁃4115.

［14］ Fukuda H，Ueno K，Kamiyama S，et al.Study on active damper with amagnetic fluid［J］.JSME International Journal Series B，1998，41（4）：822⁃829.

［15］ Kamiyama S，Okamoto K，Oyama T.Study on regulating char⁃acteristics ofmagnetic fluid active damper［J］.Energy Con⁃version and Management，2002，43（3）：281⁃287.

［16］ Shimada K，Kanno H，Ogawa J，etal.New magnetic viscous damper with intelligent or smart fluid for the next generation［C］／／SPIE’s International Symposium on Smart Materials，Nano⁃，and Micro⁃Smart Systems.International Society for Optics and Photonics，2002：241⁃251.

［17］ Sunakoda K，Morishita S，Takahashi S，et al.Development and testing of hybrid magnetic responsive fluid for vibration damper［C］／／ASME 2009 Pressure Vessels and Piping Con⁃ference.American Society of Mechanical Engineers，2009：243⁃248.

［18］ Sudo S，Hashimoto H，Katagiri K.Dynamics ofmagnetic flu⁃id foam［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1990，85（1）：159⁃162.

［19］ AbéM，Fujino Y，Kimura S.Active tuned liquid damper（TLD）with magnetic fluid［C］／／5th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials.International Society for Optics and Photonics，1998：620⁃623.

［20］ Ohno K，Suzuki H，Sawada T.Analysis of liquid sloshing of a tunedmagnetic fluid damper for single and co⁃axial cylindri⁃cal containers［J］.JournalofMagnetism and Magnetic Materi⁃als，2011，323（10）：1389⁃1393.

［21］ Liu Jun.Analysis of a porous elastic sheet damperwith amag⁃netic fluid［J］.Journal of Tribology，2009，131（2）：1⁃5.

［22］ Bashtovoi V G，Kabachnikov D N，Kolobov A Y，et al.Re⁃search of the dynamics of a magnetic fluid dynamic absorber［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2002，252：312⁃314.

［23］ Wang Z，Bossis G，Volkova O，et al.Active control of rod vi⁃brations usingmagnetic fluids［J］.Journal of IntelligentMate⁃rials Systems and Structures，2003，2（14）：93⁃97.

［24］ 李强.一种新型磁性液体加速度传感器的设计及实验研究［D］.北京：北京交通大学，2011. LIQ.The Design and Experiment Study of a New Ferrofluid Acceleration Sensor［D］.Beijing：Beijing Jiaotong Universi⁃ty，2001.（in Chinese）

Experimental Study on Magnetic Fluid Damper

CHANG Jianjun，YAO Jie，LIDecai∗
（School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

A new type ofmagnetic fluid damper based on the rule ofmagnetic fluid’s second⁃order buoyancy and the rule of themagnetic fluid＇s vicious energy dissipation was proposed to solve the vi⁃bration problem of the long and straightobjects on the spacecraft.Themagnetic fluid damper is com⁃posed of a non⁃magnetic shell，threemagnets and themagnetic fluid.There will be friction between the working unitwhich is composed of threemagnetswithmagnetic fluid and the non⁃magnetic shell when vibration occur due to the relativemotion between them.Experimental results showed that the log decrement rate increased with the increase of the length of the non⁃magnetic shell（increasing between 177 mm to 228 mm），and then became stable.The effect was obvious.Experimental re⁃sults also showed that the log decrement rate increased with the increase of the length of themass of the injected liquid（increasing between 2 g to 22 g），then tended to be stable and decreased slight⁃ly.The effectwas not obvious.

magnetic fluid；viscous dissipation；damper；second⁃order buoyancy

TH7

A

1674⁃5825（2017）01⁃0051⁃05

2015⁃09⁃28；

2017⁃01⁃09

国家自然科学基金（51375039）；长江学者创新团队基金（IRT13046）

常建军，男，硕士研究生，研究方向为磁性液体阻尼减振。E⁃mail：13121250＠bjtu.edu.cn

∗通讯作者：李德才，男，博士，职称，研究方向为机电液磁一体化理论及应用。E⁃mail：dcli＠bjtu.edu.cn