基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置优化理论与实现技术

针对磁流变液沉降导致磁流变液阻尼器控制特性劣化和自然灾害导致磁流变阻尼器控制系统供电失效问题，利用磁流变脂长期不沉降和流变学特性可控的特点，在研究磁流变脂流变学特性与磁化特性的基础上，提出基于多级径向流动模式的阻尼参数调节方法和基于交变脉冲液流换能器的能量转换原理，建立多级径向流动模式阻尼调节器的动态磁路优化模型与阻尼调节器结构参数优化模型，并对磁路参数和结构参数进行优化，降低励磁输入能量；利用阻尼器中液流压力的交变脉动变化，研究交变脉冲液流换能器磁路与结构参数优化方法，对磁学参数和结构参数进行优化，实现振动能量的高效转换与存储，实现对控制系统的自供电。项目的创新之处：以多级径向流动模式阻尼调节器提高励磁磁场利用率，降低输入能量；以交变脉冲液流换能器研究振动振动能量高效转换与存储，实现磁流变脂阻尼调节装置控制系统自供电，这对推动磁流变技术在振动控制领域的应用具有重要的学术意义和实用价值。

项目针对现有磁流变液沉降导致磁流变液阻尼器控制特性劣化和供电系统失效情况下的控制系统供电问题，利用磁流变脂长期不发生沉降和流变学特性可控的特点，以磁流变脂作为控制介质，研究了具有振动能量转换与耗散双重功能的阻尼调节装置。研究了磁流变脂的流变学特性、本构描述模型及其基于实验数据的模型参数辨识方法；研究了磁流变脂的磁化特性、磁化方程及基于实验数据的磁化模型参数辨识方法。研究了基于多级径向流动模式的阻尼调节单元的磁路结构，选择电工纯铁作为铁芯材料，以阻尼通道磁通密度最大化建立非线性磁路方程，分析磁学参数对磁路性能的影响，以控制效能最大为优化目标函数，确定了磁路约参数，采用有限元方法和实验方法验证了磁路设计的合理性。建立了磁流变脂在径向通道中流动的N-S方程，确定了流动边界和相容条件，得出了磁流变脂在阻尼通道中流动速度分布、压力梯度分布的理论解，采用平均惯性效应法和摄动法分析了惯性效应对磁流变脂流动特征的影响，得出了磁流变脂减振器阻尼力计算方法，以阻尼器调节范围最大为目标，优化了阻尼调节器的参数，研制出了阻尼调节单元。采用实验方法研究了油缸正弦激励下磁流变脂脉冲液流的交变波动特性，以脉冲液流压力能转化为动能的效率最大为目标，确定了脉冲液流马达的参数。利用单向阀设计制作了桥式液压整流回路，实现了工作缸正弦激励下齿轮马达单向旋转，设计飞轮储能系统来减小马达的转速波动。分析了永磁发动机的输出特性，建立了输入动能转换为电能效率最高的目标，优化永磁发电机参数，研制出了基于脉冲液流换能器的振动能量回收装置。研究了自供电磁流变脂阻尼调节装置的系统集成技术，涉及磁流变脂工作缸，磁流变脂的密封结构，管路连接方法，磁流变脂注入方法等。实验测试了磁流变脂减振器的阻尼力调节特性、交变脉冲液流马达的能量转换特性、永磁发动机的输出特性。实验表明，在振幅25毫米正弦激励条件下磁流变脂减振器能量耗散调节系数大于5；当峰值速度为0.05米/秒，磁流变脂减振器的阻尼力调节范围为4.85~24.7千牛；在活塞峰值速度0.11米/秒，负载150欧条件下发电机的瞬时输出功率达234.09W,其转换效率达到了28.37%。项目培养研究生6名，在国内外学术期刊发表论文17篇，其中SCI/EI收录12篇，申请中国发明专利7项，其中授权3项。