实验简介：响应时间定义与应用

动态响应是多孔泡沫金属磁流变液阻尼材料的一个非常重要的性能指标，它直接决定着其潜在的应用范围、控制频率和控制效果，而由磁流变液的性质可知，影响磁流变液响应时间的因素主要有：①磁流变液母液的粘度。由动力学的知识可知，母液的粘度越大，导致内部磁性颗粒的运动阻力增加，从而会延长响应时间。②固体颗粒的体积。总的来说，颗粒的体积越大，响应时间越短。③外加磁感应强度。外界的磁感应强度越大，颗粒间的作用力也越大，因而移动的加速度也越大，其响应时间就越短。

研究表明，磁流变液的响应时间为数毫秒，本文设计的多孔泡沫金属磁流变液阻尼材料的动态响应时间不仅包括了磁流变液的响应时间，还与多孔泡沫金属的材料、结构设计以及工作方式等有关。国外对常用的磁流变液阻尼器的研究主要集中在磁流变液阻尼器设计、控制方法及系统应用等方面，Spencer 等人对用于高层建筑的大尺寸磁流变液阻尼器的动态响应特性进行了研究，建立了磁流变液阻尼器的参数化动态力学模型，采用电流源驱动，将线圈并联，并增大饱和电压值，得到的响应时间为0.2 s；哈尔滨工业大学关新春、欧进萍等人通过改变输入电流对响应时间进行测试，得出磁流变液阻尼器响应时间为数百毫秒，远远大于磁流变液的理论响应时间，同时还有研究表明，磁流变液中的气泡也会影响磁流变液阻尼器的响应时间。

根据多孔泡沫金属磁流变液阻尼材料的工作方式，磁流变液首先通过真空处理，完全填满多孔泡沫金属材料的孔隙，在磁场的作用下，克服磁流变液的重力以及粘滞阻力等外力，被抽到多孔泡沫金属材料和上剪切盘之间而产生阻尼。从线圈通电到出现稳定的剪切转矩信号的这段时间，按照其中磁流变液的运动，分为3 个部分：第一部分为磁流变液被磁场从多孔泡沫金属材料中析出所需的时间，这段时间主要与多孔泡沫金属的结构以及磁场的大小等因素有关。第二段是被抽出的磁流变液到达上剪切盘的时间。由第3 章中磁流变液的上升机理可知，这段时间主要与外加磁场、剪切间隙以及磁流变液的性能有关。第三段是磁流变液发生磁流变效应的时间，主要与磁流变液的性能以及外界磁场有关。其中，这3 段时间可能会有部分重合，但是由于有了这3 个过程，多孔泡沫金属磁流变液阻尼材料的响应时间将会超过结构类似的传统磁流变液阻尼器的响应时间。

国内外在研究磁流变液阻尼器的响应时间时，对响应时间的定义方式有些不同，有的学者将磁流变液阻尼器的动态响应时间定义为从产生阻尼力开始到阻尼力达到稳态阻尼力的63.2%所需要的时间，有的学者定义为从产生阻尼力初始到阻尼力达到稳态阻尼力的95%（或者90%）所需要的时间。考虑到其影响因素很多，在定义动态响应时间时，本文选择63.2%作为参考标准，其中，动态响应时间的测试原理及方法可以参考第4 章中的相关内容。

以实验中的一次典型的实验数据处理过程来分析和定义本文中多孔泡沫金属磁流变液阻尼材料的动态响应时间参数，其中，以计算机系统的即时时间作为响应时间的参考时间，采集到的实时图形如图8.1 所示。

图8.1　响应时间的实时图

图8.1 中，横坐标为计算机系统的时间，从中可以看出输出的电压信号变化的时间点，其中竖线为线圈中电流接通的时刻，即为该磁流变液阻尼材料的动态响应时间参考点，纵坐标为力传感器采集到的电压信号，可以转换成力矩信号。(www.xing528.com)

图8.2　响应时间参数的定义

以图8.2 来定义多孔泡沫金属磁流变液阻尼材料的响应时间参数。测试中所用材料及参数如下：电机转速为17 r/min，磁流变液为MRF-132AD，多孔泡沫金属镍厚度为1.8 mm，孔隙率为110 PPI，电流1.0 A，剪切间隙为1.2 mm。

多孔泡沫金属磁流变液阻尼材料的动态响应主要用3 个时间参数来表示，如图8.2 所示，其中τdelay表示从线圈中通电到产生剪切转矩的时间。在此过程中，磁流变液被磁场从多孔泡沫金属材料中抽出，开始填充剪切间隙，直到被检测到出现剪切转矩；τref是从产生剪切转矩到稳态时剪切转矩的63.2%所需的时间；τresponse为从电流接通到剪切转矩达到稳态时所需的时间。从图8.2 中得知，τdelay为100 ms，τref为140 ms，τresponse为1 520 ms。

根据多孔泡沫金属内部磁流变液的运动，在磁流变液被抽到剪切间隙内产生磁流变效应后，撤掉磁场，由于磁流变液及磁路中存在的剩磁作用，有部分磁流变液不会流回多孔泡沫金属内，根据响应时间中τdelay的定义，可以通过实验来验证。在初次给线圈通电流后，测试出此时的τdelay（测试1）。然后断开电源，5 min 后接着给线圈施加同样大小的电流，得到τdelay（测试2）。同理得到τdelay（测试3）。重复上述试验，得到的τdelay如表8.1 所示。

表8.1　两次重复测试的τdelay

表8.1 表明，在两次分别的实验中，都出现τdelay逐渐减小的现象，这主要是由剪切间隙内存在的部分磁流变液所引起的，也就是部分磁流变液没有流回多孔泡沫金属内。