多孔材料在磁流变液阻尼器中的优势应用

在研制磁流变液阻尼器的过程中，常遇到磁流变液的沉淀、易泄漏、加工精度过高以及磁流变液的用量大等问题，这些问题影响了磁流变液阻尼器的使用寿命，同时也使磁流变液阻尼器的造价昂贵，阻碍了其进一步应用推广。

为解决磁流变液的沉淀和泄漏问题，浙江大学的祝长生提出了剪切型磁流变脂阻尼器，将其应用于转子系统，并进行了初步研究，研究结果表明：在外加电流作用下，磁流变脂阻尼器可以产生明显的阻尼力，能够有效控制转子系统的振动。利用泡沫金属良好的缓冲吸振特性，辽宁工程技术大学的徐平和哈尔滨工业大学的李明章、焦映厚等将泡沫金属与磁流变液二者耦合，达到减振目的，结果表明，这种复合减振的方式使磁流变液阻尼器的阻尼性能有了明显的提高。另外，由于泡沫金属有较高的孔隙率并且孔隙很小，磁流变液经过泡沫金属时要克服更大的阻尼力，从而使磁流体泡沫金属阻尼器耗散更多能量，进一步提高了磁流变液阻尼器的减振性能。但在综合解决磁流变液阻尼器的密封、寿命以及造价等问题方面，国内外的研究进展相对缓慢，很多学者对磁流变液或者磁性液体在多孔介质内流动的研究为研制泡沫金属磁流变液阻尼器提供了新的思路。

图1.18　多孔泡沫金属的弯曲管道

另外，由于传统磁流变液阻尼器中线圈浸泡在磁流变液中，活塞不断来回运动会造成线圈磨损，影响了磁流变液阻尼器的寿命。对此，利用多孔泡沫金属的流控特性，美国马里兰大学的Wereley 将多孔泡沫金属作为流体阀门控制磁流变液的流动，设计了一种基于多孔阀门的磁流变液阻尼器以提高阻尼器的性能，并将磁流变液的流动简化为在多孔泡沫金属弯曲管道中的流动，如图1.18 所示；同时，为了研究阻尼器内流体的运动，他们将多孔泡沫金属简化为简单的一系列平行管，并实验验证了其动态特性，等效模型如图1.19 所示。

图1.19　多孔泡沫金属等效流动分析模型

利用多孔泡沫金属的流控特性，虽然能够提高磁流变液阻尼器的性能，但来回运动的活塞与磁性颗粒的磨损仍然会使磁流变液产生泄漏。对此，美国Lord 公司的Calson 和Chrzan 将一种开孔聚氨酯多孔基海绵材料应用于磁流变液阻尼器，如图1.20 所示。在轴的一端，充满磁流变液的多孔海绵围绕在装有线圈的导磁钢筒上形成活塞，沿轴向在导磁钢筒内自由移动，导磁钢筒、活塞构成磁回路。在毛细管力的作用下，磁流变液被储存在多孔海绵的孔隙中，以防止磁流变液泄漏。利用这种设计制作的多孔海绵磁流变液阻尼器不需要任何密封或者轴承，大大简化了磁流变液阻尼器的结构，在解决磁流变液沉淀和密封问题上取得了极大进展，而且仅需3 mL 的磁流变液就能产生100 N 的阻尼力，极大地减少了磁流变液的用量，降低了磁流变液阻尼器的成本。为验证磁流变液阻尼器的阻尼性能，Carlson 还将其应用于洗衣机的振动控制，并取得明显效果。

采用多孔海绵虽然在一定程度上能够解决磁流变液阻尼器在密封和成本等方面的问题，但由于多孔海绵容易磨损且硬度较低，影响了磁流变液阻尼器的使用寿命；并且在活塞运动过程中，剪切间隙会因海绵的厚度的改变而发生变化，输出阻尼力不易控制。利用多孔泡沫金属相对于海绵硬度高、耐磨损且不易变形的优点，Liu 探索性地研究了将多孔泡沫金属材料应用于磁流变液阻尼器的可行性，为研究多孔泡沫金属磁流变液阻尼器提供了有力的理论和实验依据。最近，密歇根理工大学研制了一种利用泡沫铝来储存磁流变液的双出杆阻尼器，可应用于阻尼力较小的振动控制，如图1.21 所示。泡沫铝的孔隙率为80%，厚度为1.27 cm，施加磁场后有足够多的磁流变液产生磁流变效应。理想情况下，阻尼力与电流的关系如图1.22 所示，最大阻尼力约为4 N。使用泡沫铝储存磁流变液的阻尼器虽然不需任何密封，但由于受泡沫金属厚度的影响，其阻尼力可调范围相对较小；并且，活塞杆采用的聚四氟乙烯在长时间连续工作下会发生塑性变形，而且受温度影响较大，容易损坏。

图1.20　多孔海绵磁流变液阻尼器(www.xing528.com)

图1.21　泡沫铝磁流变液阻尼器

但是，这种设计也受到了多方面的限制，主要包括以下两个方面：

①由于多孔海绵的硬度和耐磨性较差，在多孔海绵磁流变液阻尼器工作的过程中，会产生多孔海绵的磨损，影响了磁流变液阻尼器的使用寿命。

②为了增加阻尼效果，需要在多孔海绵内部储存足够多的磁流变液，在多孔海绵孔隙率一定的前提下，只有增加海绵的厚度，才会降低剪切间隙内的磁感应强度，影响阻尼器的性能。

图1.22　阻尼力与外加电流的关系

图1.23　多孔泡沫金属磁流变液阻尼器的概念设计

这些限制使多孔海绵磁流变液阻尼器距离市场化还有很大差距，目前也在实验研究阶段，但是这种新型的设计为本文的工作提供了全新的思路和方向。基于图1.20 中Carlson 设计的多孔海绵磁流变液阻尼器及以上分析，作者提出的多孔泡沫金属磁流变液阻尼器的概念设计如图1.23 所示。为增加剪切间隙内部的磁场，磁路中的导磁圆筒、活塞等采用高磁导率低剩磁材料，多孔泡沫金属片贴在导磁圆筒的内壁，磁流变液储存在多孔泡沫金属里面，并通过真空处理，确保孔隙里面全部充满磁流变液。由于孔隙的毛细管力，磁流变液不会因流动而引起泄露，工作时被磁场从多孔泡沫金属内抽出，进入剪切间隙内产生阻尼力，去掉磁场后，部分磁流变液重新流回多孔泡沫金属内，与图1.3 中的结构相比，不需要密封，降低了磨损，同时，该设计也减少了磁流变液用量，降低了造价。与多孔海绵磁流变液阻尼器相比，由于采用的多孔泡沫金属硬度大，相对磁导率可控，具有耐磨损、输出阻尼力可控性好、寿命长等优点。

综上所述，将多孔材料应用于磁流变技术还处于起步阶段，关于多孔泡沫金属磁流变液阻尼器的相关理论基础及作用机理也没有深入的研究。总之，将多孔泡沫金属材料应用于磁流变液阻尼器并推向实际工程应用还有待深入研究。