磁流變液在離心機(jī)過(guò)臨界技術(shù)中的應(yīng)用

摘要：磁流變液是一種新型智能材料,其獨(dú)特的流變性使其在很多領(lǐng)域中備受關(guān)注。離心機(jī)過(guò)臨界技術(shù)是離心機(jī)研制中的關(guān)鍵技術(shù)。為了探索離心機(jī)過(guò)臨界的新方法,該文將磁流變液引入離心機(jī)下阻尼器的設(shè)計(jì)中,從理論和實(shí)驗(yàn)2方面對(duì)使用磁流變液下阻尼器的離心機(jī)轉(zhuǎn)子在通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)特性進(jìn)行研究。結(jié)果顯示:通過(guò)調(diào)節(jié)磁流變液阻尼器的外加磁場(chǎng),可以使離心機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)共振通過(guò)系統(tǒng)二階臨界轉(zhuǎn)速;磁流變液阻尼器比傳統(tǒng)的離心機(jī)阻尼器具有更為顯著的減振效果。
　　關(guān)鍵詞：離心機(jī);磁流變液;臨界轉(zhuǎn)速;不平衡響應(yīng)
　　中圖分類號(hào)：O328文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-0054(2008)03-0388-05
　　氣體離心法分離同位素從產(chǎn)生至今已經(jīng)有70多年的歷史,在離心法的發(fā)展過(guò)程中,如何提高離心機(jī)的單機(jī)分離能力是最突出的技術(shù)問(wèn)題。研究表明,要提高離心機(jī)的分離能力主要有2個(gè)途徑:一是提高轉(zhuǎn)子的線速度,二是增加轉(zhuǎn)子的有效長(zhǎng)度,而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和長(zhǎng)度的增加就可能使離心機(jī)需要工作在超臨界狀態(tài)[1]。
　　磁流變液(magnetorheologicalfluid)是在20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的可控流體,在外加磁場(chǎng)的作用下,其力學(xué)特性,即彈性、塑性和有效黏度等會(huì)產(chǎn)生連續(xù)、可逆、可控的變化,響應(yīng)時(shí)間在ms量級(jí)[2]。本文從磁流變液的流變性在振動(dòng)控制中的應(yīng)用出發(fā),通過(guò)改進(jìn)離心機(jī)現(xiàn)有阻尼器的結(jié)構(gòu),利用磁流變液代替原來(lái)的阻尼油,對(duì)離心機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)特性進(jìn)行研究,討論磁流變液阻尼器在離心機(jī)過(guò)臨界技術(shù)中的具體應(yīng)用。
　　1　磁流變液簡(jiǎn)介
　　1.1　磁流變液
　　磁流變液由3種主要成分組成:分散的鐵磁顆粒、絕緣載液和穩(wěn)定劑。第1個(gè)組成部分鐵磁顆粒是直徑大約為1～10μm的小球,比較常見(jiàn)的磁性顆粒是具有高磁導(dǎo)率的羥基鐵軟磁粉末。第2個(gè)組成部分是絕緣載液,一般優(yōu)先考慮的載液有硅油和合成油。磁流變液的第3個(gè)組成部分是穩(wěn)定劑,其作用是使鐵磁性顆粒在載液中保持懸浮狀態(tài)。
　　1.2　本文使用的磁流變液
　　考慮到離心機(jī)系統(tǒng)的特殊性,本文采用的磁流變液必須滿足以下要求:在無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)初始黏度與原擠壓油膜阻尼器的阻尼油黏度相當(dāng),真空性能高,時(shí)間穩(wěn)定性好。
　　針對(duì)以上要求,本文選擇具有較低黏度的甲基硅油作為載液,使用這種硅油配制的磁流變液在具備良好的流變特性的同時(shí),其初始黏度可以滿足實(shí)驗(yàn)需要。另外這種硅油在原擠壓油膜阻尼器中也作為阻尼油使用,真空性能高。在磁性顆粒的選擇上,常見(jiàn)的羥基鐵磁粉末就能滿足實(shí)驗(yàn)需要。為提高磁流變液的時(shí)間穩(wěn)定性,本文選用油酸作為表面活性劑對(duì)羥基鐵磁粉末進(jìn)行處理,并在磁流變液中加入少量的硅凝膠作為添加劑來(lái)進(jìn)一步改善磁流變液的穩(wěn)定性。使用上述材料,通過(guò)高速球磨摻混機(jī)的作用,最終配制出的磁流變液在室溫(20℃)時(shí)初始黏度μi=0.52Pa.s,與原阻尼油的μo=0.46Pa.s相差不大。
    2　磁流變液下阻尼器的設(shè)計(jì)
    2.1　離心機(jī)下支承結(jié)構(gòu)優(yōu)化
    離心機(jī)下支承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要表現(xiàn)在阻尼芯的支承形式和油膜結(jié)構(gòu)。按照擠壓油膜理論,要減小阻尼力系數(shù)和附加質(zhì)量,應(yīng)當(dāng)減小擠壓膜長(zhǎng)度和加大擠壓膜間隙。調(diào)整擠壓膜長(zhǎng)度和間隙一定可以找到一組結(jié)構(gòu)參數(shù),使下阻尼器的質(zhì)量和阻尼力系數(shù)分別達(dá)到各自的最佳值。擠壓膜長(zhǎng)度改變對(duì)于附加質(zhì)量的影響比對(duì)阻尼力系數(shù)的影響明顯,而改變擠壓膜間隙對(duì)于調(diào)節(jié)阻力系數(shù)更為有效。通常,利用上述更改擠壓油膜的厚度和長(zhǎng)度等手段來(lái)調(diào)節(jié)阻尼器動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)的手段稱為離心機(jī)下阻尼器傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法[3]。
    2.2　磁流變液下阻尼器的設(shè)計(jì)
    在設(shè)計(jì)磁流變液阻尼器的過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)考慮以下幾個(gè)主要問(wèn)題:首先要保證在外加磁場(chǎng)條件下磁流變液會(huì)產(chǎn)生流變效應(yīng);其次在原阻尼器中阻尼油同時(shí)起到潤(rùn)滑小軸的作用,而磁流變液顯然不能滿足這一要求,所以必須使阻尼液和小軸潤(rùn)滑油分開(kāi);最后要考慮磁流變液阻尼器在無(wú)外加磁場(chǎng)的條件下的初始性能要與原普通阻尼油下阻尼器相當(dāng)。
    實(shí)驗(yàn)表明,在下阻尼器底部施加磁場(chǎng)可以保證磁流變液流變效應(yīng)的產(chǎn)生,而且磁流變液黏度和屈服應(yīng)力相應(yīng)于磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化也可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。為達(dá)到使磁流變液與小軸潤(rùn)滑油分隔的目的,適當(dāng)增加了阻尼芯油膜作用面的高度,并對(duì)其形狀進(jìn)行了必要的改動(dòng),同時(shí)將小軸所在的阻尼芯部分進(jìn)行單獨(dú)處理,使之與充滿磁流變液的阻尼器其他部分進(jìn)行隔離。
    擠壓油膜理論表明,擠壓膜長(zhǎng)度的增加會(huì)使阻尼力系數(shù)和附加質(zhì)量增大,為了保持阻尼器的性能應(yīng)適當(dāng)增大擠壓膜間隙[4]。通過(guò)調(diào)整擠壓膜長(zhǎng)度和間隙,找到一組結(jié)構(gòu)參數(shù)使磁流變液下阻尼器無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的性能達(dá)到與原阻尼器性能相當(dāng)。
    經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的磁流變液下阻尼器結(jié)構(gòu)與原下阻尼器結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1所示。
                        
                        
                          圖1磁流變液下阻尼器與原阻尼器結(jié)構(gòu)對(duì)比簡(jiǎn)圖
    3　離心機(jī)轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)過(guò)臨界實(shí)驗(yàn)
    3.1　轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的臨界頻率和振型
    離心機(jī)轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)不同于一般的力學(xué)結(jié)構(gòu),它有其自身的特殊性。一般來(lái)說(shuō),轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程可以寫為
    Mz..+(C+G)z.+(K+S)z=F.
    式中:M為質(zhì)量矩陣;C是阻尼矩陣;G是回轉(zhuǎn)矩陣;K是剛度矩陣的對(duì)稱部分;S是剛度矩陣的不對(duì)稱部分;z是系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)矢量;F是作用在系統(tǒng)上的廣義外力[5]。經(jīng)過(guò)計(jì)算,可以得出長(zhǎng)度為0.85m的整體轉(zhuǎn)子在給定實(shí)驗(yàn)條件下前幾階的臨界頻率和振型,如圖2所示。第1階振型表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子上端擺動(dòng),系統(tǒng)一階模態(tài)可以近似將轉(zhuǎn)子當(dāng)作剛體、下端鉸支和忽略上阻尼器質(zhì)量組成的單自由度系統(tǒng)。第2階振型表現(xiàn)為上阻尼器振動(dòng),可以將轉(zhuǎn)子看成是固定的,將上阻尼器振動(dòng)近似成單自由度系統(tǒng)。第3階振型表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子上端和下端同時(shí)偏擺,為系統(tǒng)二階振動(dòng)。第4階振型表現(xiàn)為下阻尼振動(dòng)。
                      
                      
                              圖2轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)臨界振型
    本文針對(duì)轉(zhuǎn)子通過(guò)系統(tǒng)二階臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究。根據(jù)前面的分析,轉(zhuǎn)子在通過(guò)系統(tǒng)二階臨界時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子上端和下端同時(shí)擺偏,實(shí)驗(yàn)中主要對(duì)離心機(jī)轉(zhuǎn)子下端蓋處的振動(dòng)進(jìn)行跟蹤測(cè)量,以下記錄和分析所采用的振幅、相位等數(shù)據(jù)都是轉(zhuǎn)子下端蓋的測(cè)量結(jié)果。
    3.2　下阻尼器阻力系數(shù)對(duì)臨界頻率的影響
    采用磁流變液的下阻尼器在受到不同外加磁場(chǎng)作用時(shí),其中磁流變液的黏度會(huì)發(fā)生變化。磁流變液黏度的改變首先會(huì)使阻尼器的阻力系數(shù)隨之變化,同時(shí)也會(huì)使下阻尼附加剛度和附加質(zhì)量發(fā)生一定變化[6],而阻力系數(shù)變化的幅度遠(yuǎn)大于剛度和質(zhì)量的改變。下面的理論計(jì)算結(jié)果表明了不同的阻力系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的臨界頻率的影響。
           
　　同樣,可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子的不平衡量選擇為上蓋:187mg/272°、下蓋:147mg/242°時(shí),不同阻力系數(shù)轉(zhuǎn)子下蓋的不平衡響應(yīng)即幅頻(a-w)曲線見(jiàn)圖3。
           
    3.3　整體轉(zhuǎn)子離心機(jī)過(guò)臨界實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)
    采用的系統(tǒng)是轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度為0.85m的整體轉(zhuǎn)子離心機(jī)。圖4給出了在無(wú)外加磁場(chǎng)和外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為120Gs時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w從0到100r.s-1的幅頻和相頻曲線對(duì)比。轉(zhuǎn)子在通過(guò)臨界時(shí),振幅和相位會(huì)發(fā)生急劇的變化。從圖4可以看到,在無(wú)外加磁場(chǎng)條件下,系統(tǒng)二階臨界頻率為44Hz,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為120Gs的外加磁場(chǎng)作用下,系統(tǒng)的二階臨界頻率變?yōu)?1Hz。有外加磁場(chǎng)時(shí),轉(zhuǎn)子在通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振幅相對(duì)無(wú)磁場(chǎng)時(shí)發(fā)生了明顯的變化。從前面的分析可知,正是由于在外加磁場(chǎng)作用下磁流變液的黏度變化引起阻尼器阻力系數(shù)的改變,從而造成轉(zhuǎn)子臨界頻率的偏移和振動(dòng)特性的不同。
                    
                   
            圖4無(wú)外加磁場(chǎng)和有磁感應(yīng)強(qiáng)度為120Gs的外加磁場(chǎng)時(shí)下蓋幅頻和相頻曲線
　　為進(jìn)一步研究不同支承條件對(duì)離心機(jī)轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響,進(jìn)行了不同強(qiáng)度外加磁場(chǎng)作用下系統(tǒng)通過(guò)二階臨界的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖5給出了在磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為75、90、120和150Gs的外加磁場(chǎng)條件下,轉(zhuǎn)子從0到100r.s-1升速過(guò)程中的幅頻和相頻曲線。從圖5中可以看出,不同強(qiáng)度磁場(chǎng)作用下系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速和振幅的變化趨勢(shì)與前面進(jìn)行的理論計(jì)算結(jié)果是一致的。
                      
                     
　　從實(shí)驗(yàn)得知,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為150Gs的磁場(chǎng)作用下,系統(tǒng)二階臨界頻率由無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)的44Hz變?yōu)?3Hz。由此可以設(shè)計(jì)這樣的實(shí)驗(yàn):在磁感應(yīng)強(qiáng)度為150Gs的外加磁場(chǎng)作用下,將轉(zhuǎn)子升速至48r.s-1,然后撤掉磁場(chǎng)繼續(xù)升速。此時(shí)轉(zhuǎn)子還未到達(dá)有外加磁場(chǎng)作用下的臨界轉(zhuǎn)速,但是已經(jīng)通過(guò)了無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的臨界轉(zhuǎn)速,繼續(xù)在無(wú)磁場(chǎng)條件下從48r.s-1升速的話就會(huì)實(shí)現(xiàn)無(wú)共振過(guò)臨界。圖6分別給出了在無(wú)外加磁場(chǎng)、有外加磁場(chǎng)(150Gs)和在轉(zhuǎn)子升速至48r.s-1時(shí)撤掉外加磁場(chǎng)(150Gs)3種條件下,轉(zhuǎn)子升速的幅頻和相頻曲線。
                     
                     
                         圖 6 3種實(shí)驗(yàn)條件下轉(zhuǎn)子下蓋幅頻和相頻曲線
　　從圖6的相頻曲線中可以看出,在轉(zhuǎn)子升速過(guò)程中撤掉外加磁場(chǎng)之前,轉(zhuǎn)子下蓋的相頻曲線跟外加磁場(chǎng)一直存在時(shí)基本重合;當(dāng)撤掉磁場(chǎng)之后,轉(zhuǎn)子下蓋的相頻曲線瞬間變?yōu)榕c無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)相吻合。這一現(xiàn)象也從另一個(gè)角度說(shuō)明了磁流變液獨(dú)特的流變特性,即在去掉外加磁場(chǎng)后,其性能在瞬間完全恢復(fù)到無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)的狀態(tài)。從幅頻曲線可以直觀地看到,利用這種方法,轉(zhuǎn)子在通過(guò)系統(tǒng)二階臨界轉(zhuǎn)速的過(guò)程中,下蓋振幅基本保持不變,原來(lái)存在的共振峰被抹平。這說(shuō)明利用磁流變液阻尼器運(yùn)行過(guò)程中改變外加磁場(chǎng)可以使離心機(jī)轉(zhuǎn)子“躲”過(guò)系統(tǒng)臨界從而實(shí)現(xiàn)無(wú)共振過(guò)臨界轉(zhuǎn)速。
    4　結(jié)　論
    重新設(shè)計(jì)的磁流變液離心機(jī)下阻尼器在整體轉(zhuǎn)子離心機(jī)通過(guò)系統(tǒng)二階臨界轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變外加磁場(chǎng),使轉(zhuǎn)子振幅得到了有效的控制,甚至可以實(shí)現(xiàn)無(wú)共振過(guò)臨界。將磁流變液引入同位素分離用氣體離心機(jī),利用其流變性實(shí)現(xiàn)離心機(jī)過(guò)臨界的技術(shù)是可行的。利用磁流變液的流變特性實(shí)現(xiàn)支承條件的改變,也可用于其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)控制。