一种减振器的MSMA性能实验和研究*

涂福泉，刘谋泽，李 恒，刘浩杰

(武汉科技大学 机械自动化学院冶金装备与控制教育部重点实验室，武汉 430081)

0 引言

在航天航空精密设备、大型组装机械结构、高精度研究仪器以及高速运转机械中，外界因素影响产生的结构振动或者设备运转产生的机械振动会对设备的正常工作产生较大的干扰，甚至造成结构变形以及精度校准失焦等不利影响。因此，针对高精度精密仪器的主动减振器以及耗能阻尼器等防振结构，国内外学者进行了不同程度的研究。BabakEbrahimi[1]等运用混合式电磁减振器减少飞机主动悬架系统安全失效问题，并通过有源部分引入涡流阻尼效应，降低设备功耗，提升耗能阻尼效果，在残余变形处理方面存在缺陷；Z Skorupka[2]等以磁流变液作为阻尼流体，基于MRF的主动控制减振器设计可以达到11.8%的减负荷，但是在材料部分损耗较大；K ZHANG[3]等运用形状记忆合金棒作为核心构建的基础，设计了一种不同于以往的液压系统减振器，有着结构紧凑、材料利用率高等优点，能够单独或者组合的作为车辆减振器或者隔振部件，不过响应速度不够迅速。现有的减振系统利用形状记忆金属、粘弹性材料、黏滞流体等常规材料，都有着材料老化迅速、可靠性急剧降低、残余变形过大以及维护过程复杂等各式问题[4]。本文设计一种基于MSMA的主动减振器，阐述了其设计要点，最后通过MATLAB仿真验证了其可能性。

1 MSMA减振器的特性

磁控形状记忆合金(Magnetically Controll-ed Shape Memory Alloy，简称MSMA)是一种新型智能的形状记忆合金材料，在垂直于元件材料方向施加磁场可以导致材料内部变体重组，造成马氏体孪晶界偏移，形成宏观上的变形，利用该特性可制成振动控制器。与压电陶瓷、超磁致伸缩材料和形状记忆合金相比，利用MSMA制成的主动减振器具有机电耦合系数较高、伸缩应变较大、工作频带较宽、响应较快和输出力应力较大等优点，因而不仅仅能在高频、大冲击力等减振场合有着良好运用，在精度要求高的小范围振动控制部分也能得到有效应用[5]。作为铁磁性形状记忆合金的代表合金材料Ni-Mn-Ga合金，有着良好的磁场磁性控制形状记忆效应变形，兼具较大的恢复应变以及快速响应频率，而其中最大的恢复应变甚至可以达到6%以上(单晶接近10%)，响应频率也高达5000Hz[6-9]。赫尔辛基工业大学的AdaptMat公司在比较早的时间中对MSMA的特性进行了较为全面的开发研究，并成功的研制出基于MSMA的作动器、减振器等元件器材[10]。

图1所示为MSMA减振器结构原理图，使用直流电源给缠绕在铁芯两侧处的励磁线圈通电，由于铁芯的作用产生垂直穿过MSMA元件的可控磁场，在磁场的作用下，MSMA元件发生宏观变形使顶杆有着对外的作用力以及位移。其中预紧螺栓以及弹簧保证MSMA元件与导杆的充分接触，弹簧作用力可保证在外界磁场消失后MSMA元件恢复原状，水冷部件能维持MSMA工作环境的温度。

图1 MSMA减振器结构原理图

在给励磁线圈输入电流后，作用在MSMA元件上的磁场强度E为：

E=CI/L

(1)

其中，C为励磁线圈的匝数；I为控制输入的电流大小；L为空气气隙的长度。

因而，我们可以推导出元件磁感应强度B为：

B=μmμ0E

(2)

其中，μm为样品元件相对于空气的磁导率；μ0为空气的磁导率。

2 MSMA性能研究

2.1 实验样品及实验设备

设备运行时产生的振动或者相邻设备由于工作传递的振动会对技术性以及精度要求较高的设备有着重大影响，因此将其进行隔离、减小甚至做到完全消除，减少振动对设备运行产生的危害十分必要。MSMA减振器的实际工作效果取决于MSMA元件的形变特性，预加应力场、控制磁场、工作温度场等多种因素直接影响MSMA元件的形变率，因此需要对其进行多场耦合作用的初步模拟分析。

本实验采用MSMA合金样品为NiMnGa合金，是采购于Goodfellow公司，外观如图2所示，外形尺寸5×5×15mm3。MSMA样品主要由Ni、Mn、Ga合金元素组成，其中Ni元素所占的相对原子质量百分比为49%，Mn元素所占的相对原子质量百分比为26%，Ga元素所占的相对原子质量百分比为25%。根据提供的相关性能数据，本设计使用的MSMA样品的参数如下：样品常温状态的密度为为8.3g/cm3；所用样品的居里温度的范围为95～105℃，马氏体相变温度为20～32℃，晶体熔点为1130℃；常温下的温度系数为0.003/K；膨胀系数为20×10-6/K；弹性模量为8～20GPa；晶体的难磁化轴的相对磁导率为90，易磁化轴的相对磁导率为2。

图2 样品合金

本实验是在南京航空航天大学的机电学院力学实验室进行的，采用力磁热多场耦合加载测量系统(图3)进行性能测量实验。同时为了确保实验过程中负载载荷的输出稳定，采用液压系统进行载荷力加载，用力传感器对载荷的大小进行测量，实验中预加的加载载荷范围控制在0～2.5MPa区间之内；采用通电的电流控制外加磁场的变化，实验中预加的外加磁场控制在0～1.5T区间之内，外加磁场与输入通电电流呈正比关系；采用循环油浴温度加载系统对外加的温度控制场进行调节，在设定温度和反馈温度的控制下加载丝对硅油进行加热处理，实验中预加的控制温度变化范围在16～36℃区间之内。通过外接的显示设备，将力场、磁场、温度场的加载情况和实验数据显示输出，并进行处理。

图3 力磁热多场耦合加载测量系统

2.2 MSMA实验数据分析

MSMA的磁感应形变在宏观上表现是外加磁场导致合金样品的轴向结构形变，从微观上是由于外加磁场诱导合金内部马氏体晶体发生了晶体重组，因此在实验过程中可以保持工作温度、控制磁场不变，改变负载应力在0～2.5MPa区间之内变化调节，或者保持工作温度、负载应力不变，改变控制磁场在0～1T区间之内变化调节，利用应变片对MSMA合金样品的形变率进行测量。

为了探究负载应力对MSMA材料的形变影响，在实验过程保持负载应力与控制磁场平行作用时，保证恒温恒磁场的条件下，设置测试的工作温度为25℃，得到了MSMA形变率与负载应力之间的关系曲线如图4所示。由图可知，在0～2.5MPa负载应力变化区间内，随着负载压力的持续增加，整个合金样品的形变率呈现下降的总体变化趋势。在0～1MPa时，曲线下降趋势较为迅速；1～2MPa时，曲线下降逐渐平缓；2～2.5MPa时，曲线趋于平稳。负载压力越接近于0MPa时，样品合金的变形程度越大，负载压力越接近于2.5MPa时，样品合金的变形程度越小。因此，在以MSMA制作主动减振器时，预加的负载应力过大会削弱实际工作效果，同时为了保证减振器的稳定运行，负载应力不能过小。

图4 负载应力与MSMA形变关系曲线

为探究控制磁场对MSMA形变影响，在实验过程保持控制磁场与负载应力平行作用时，保证恒温恒应力的条件下，设置测试的工作温度为25℃，得到的MSMA形变率与控制磁场之间的关系曲线如图5所示。由图可知，在温度以及压力保持一定的条件下，在0.2T～0.61T控制磁场作用下，MSMA合金样品的形变率随着磁场的逐渐增加呈一定的线性增长，在接近0.6T时形变率接近峰值；在0.61T～1.0T时，MSMSA的形变率有一定程度缓慢降低过程，随后又有小范围的起伏，最后趋于平稳几乎不变。由此实验现象表明改变控制磁场可以对主动减振器的实际工作效果进行较为精确的调节。

图5 控制磁场与MSMA形变关系曲线

同样，为探究温度场对MSMA形变影响，实验过程中保持控制磁场与负载应力平行作用时，保证恒压恒磁场的条件下，利用加温装置对样品材料进行加温处理，并利用温度传感器对温度进行实时监测，并进行数据测量记录，得到MSMA形变率与温度场变化之间的关系曲线如图6所示。由图可知，在工作温度在16℃～28℃时，样品合金内部组织随着温度升高逐步由马氏体向奥氏体进行转变，转变过程中内部全部由马氏体和奥氏体组织混合，MSMA合金材料的形变率也伴随着温度升高而增加；当工作温度在28℃～32℃时，MSMA材料的形变率趋于平稳。因此在考虑MSMA样品制作减振器时，需考虑工作环境温度对其影响，使MSMA样品的工作温度范围处于相变温度附近时，可以使其达到最优处理效果。

图6 工作温度与MSMA形变关系曲线

由实验数据分析可知，在进行减振器主动控制时，负载应力过小，会造成控制减振器时稳定性较差，负载应力过大时，会降低运行时减振效果；控制磁场在0～0.6T之间时，便于对减振器的输出进行控制；较低的工作温度会影响减振器的工作效率，保持工作温度处于28℃～32℃时，能够提高减振器的工作效率。

3 仿真实验分析

主动减振器是一种能够主动减少设备振动幅度以及频率的装置，它在设计时考虑以一定的方式对振源的能量和频率进行减少或者消除，因此我们通过该装置在被控系统中引入抑制力控制振源，并通过较为简易高效的控制方式进行调节，使之产生抑制效果达到减振目的。

本文模拟仿真实验以单自由度振动系统作为研究对象，则有：

(3)

其中，F为振源产生的激振力，M为等效质量，C为等效阻尼系数，K为等效刚度系数，f为主动减振器提供的抑制力。

振源产生的激振力对设备影响产生振动位移，由传感器检测得到信号并输送给外部控制器处理，输出反馈结果给主动减振器，使其输出相应的抑制力，达到主动减振的目的。使用Matlab软件中Simulink模块进行仿真实验，选取参数如下：冲击激振力F=100N，分别采用等效质量100kg和50kg，等效阻尼C=50N.s/mm，等效刚度系数K=600N/mm。

由图7和图8仿真实验结果可知，采用主动减振器进行主动减振控制以后，在4～6s内有明显减振效果，抑制初始振源效果接近80%，对于等效质量较大的目标则需要减振控制时间较长，因此该主动减震器主要适合运用于中小型机械运行设备。

图7 振动仿真结果(50kg)

图8 振动仿真结果(100kg)

4 结论

本文首先设计了一种应用MSMA样品的主动减振器，阐述了其基本构造和工作原理，通过材料性能实验研究了MSMA样品的多场作用下的变形性能和参数取值，寻求最优控制条件下的减振器工作环境，最后对比Matlab仿真研究了减振效果分析，得出以下结论：

(1)MSMA材料性能测试实验表明，在一定范围内样品合金的形变呈现近似于线性增长的趋势，负载应力会影响减振器的控制稳定性，外加磁场会影响减振器的精度准确性，工作温度场会影响减振器的运行效率；实验数据中出现的波动是合金本身存在的磁滞现象对形变产生的影响，相关的磁滞补偿有待进一步研究。

(2)Matlab仿真实验表明，该主动减振器对振动具有一定的减振效果，能够在短时间内进行反馈抑制，但随着减振目标的等效质量增加，减振控制的效果逐渐减弱，说明该装置对中小型机械设备有着良好的运行效果，因此可进一步研究考虑减振器对大型设备作用效果，确保其泛用性。