磁流變液在離心機過臨界技術中的應用

摘要：磁流變液是一種新型智能材料,其獨特的流變性使其在很多領域中備受關注。離心機過臨界技術是離心機研制中的關鍵技術。為了探索離心機過臨界的新方法,該文將磁流變液引入離心機下阻尼器的設計中,從理論和實驗2方面對使用磁流變液下阻尼器的離心機轉子在通過臨界轉速時的振動特性進行研究。結果顯示:通過調(diào)節(jié)磁流變液阻尼器的外加磁場,可以使離心機轉子無共振通過系統(tǒng)二階臨界轉速;磁流變液阻尼器比傳統(tǒng)的離心機阻尼器具有更為顯著的減振效果。
　　關鍵詞：離心機;磁流變液;臨界轉速;不平衡響應
　　中圖分類號：O328文獻標識碼:A文章編號: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)展過程中,如何提高離心機的單機分離能力是最突出的技術問題。研究表明,要提高離心機的分離能力主要有2個途徑:一是提高轉子的線速度,二是增加轉子的有效長度,而轉子轉速和長度的增加就可能使離心機需要工作在超臨界狀態(tài)[1]。
　　磁流變液(magnetorheologicalfluid)是在20世紀40年代出現(xiàn)的可控流體,在外加磁場的作用下,其力學特性,即彈性、塑性和有效黏度等會產(chǎn)生連續(xù)、可逆、可控的變化,響應時間在ms量級[2]。本文從磁流變液的流變性在振動控制中的應用出發(fā),通過改進離心機現(xiàn)有阻尼器的結構,利用磁流變液代替原來的阻尼油,對離心機轉子通過臨界轉速時的振動特性進行研究,討論磁流變液阻尼器在離心機過臨界技術中的具體應用。
　　1　磁流變液簡介
　　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個組成部分鐵磁顆粒是直徑大約為1～10μm的小球,比較常見的磁性顆粒是具有高磁導率的羥基鐵軟磁粉末。第2個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:在無外加磁場作用時初始黏度與原擠壓油膜阻尼器的阻尼油黏度相當,真空性能高,時間穩(wěn)定性好。
　　針對以上要求,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,其初始黏度可以滿足實驗需要。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,常見的羥基鐵磁粉末就能滿足實驗需要。為提高磁流變液的時間穩(wěn)定性,本文選用油酸作為表面活性劑對羥基鐵磁粉末進行處理,并在磁流變液中加入少量的硅凝膠作為添加劑來進一步改善磁流變液的穩(wěn)定性。使用上述材料,通過高速球磨摻混機的作用,最終配制出的磁流變液在室溫(20℃)時初始黏度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計
    2.1　離心機下支承結構優(yōu)化
    離心機下支承的結構優(yōu)化主要表現(xiàn)在阻尼芯的支承形式和油膜結構。按照擠壓油膜理論,要減小阻尼力系數(shù)和附加質(zhì)量,應當減小擠壓膜長度和加大擠壓膜間隙。調(diào)整擠壓膜長度和間隙一定可以找到一組結構參數(shù),使下阻尼器的質(zhì)量和阻尼力系數(shù)分別達到各自的最佳值。擠壓膜長度改變對于附加質(zhì)量的影響比對阻尼力系數(shù)的影響明顯,而改變擠壓膜間隙對于調(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度等手段來調(diào)節(jié)阻尼器動力學性能參數(shù)的手段稱為離心機下阻尼器傳統(tǒng)的結構優(yōu)化方法[3]。
    2.2　磁流變液下阻尼器的設計
    在設計磁流變液阻尼器的過程中,應當考慮以下幾個主要問題:首先要保證在外加磁場條件下磁流變液會產(chǎn)生流變效應;其次在原阻尼器中阻尼油同時起到潤滑小軸的作用,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滑油分開;最后要考慮磁流變液阻尼器在無外加磁場的條件下的初始性能要與原普通阻尼油下阻尼器相當。
    實驗表明,在下阻尼器底部施加磁場可以保證磁流變液流變效應的產(chǎn)生,而且磁流變液黏度和屈服應力相應于磁感應強度的變化也可以滿足實驗要求。為達到使磁流變液與小軸潤滑油分隔的目的,適當增加了阻尼芯油膜作用面的高度,并對其形狀進行了必要的改動,同時將小軸所在的阻尼芯部分進行單獨處理,使之與充滿磁流變液的阻尼器其他部分進行隔離。
    擠壓油膜理論表明,擠壓膜長度的增加會使阻尼力系數(shù)和附加質(zhì)量增大,為了保持阻尼器的性能應適當增大擠壓膜間隙[4]。通過調(diào)整擠壓膜長度和間隙,找到一組結構參數(shù)使磁流變液下阻尼器無磁場時的性能達到與原阻尼器性能相當。
    經(jīng)過改進設計后的磁流變液下阻尼器結構與原下阻尼器結構對比如圖1所示。
                        
                        
                          圖1磁流變液下阻尼器與原阻尼器結構對比簡圖
    3　離心機轉子-支承系統(tǒng)過臨界實驗
    3.1　轉子-支承系統(tǒng)的臨界頻率和振型
    離心機轉子-支承系統(tǒng)不同于一般的力學結構,它有其自身的特殊性。一般來說,轉子系統(tǒng)的運動微分方程可以寫為
    Mz..+(C+G)z.+(K+S)z=F.
    式中:M為質(zhì)量矩陣;C是阻尼矩陣;G是回轉矩陣;K是剛度矩陣的對稱部分;S是剛度矩陣的不對稱部分;z是系統(tǒng)的廣義坐標矢量;F是作用在系統(tǒng)上的廣義外力[5]。經(jīng)過計算,可以得出長度為0.85m的整體轉子在給定實驗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)為轉子上端擺動,系統(tǒng)一階模態(tài)可以近似將轉子當作剛體、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,可以將轉子看成是固定的,將上阻尼器振動近似成單自由度系統(tǒng)。第3階振型表現(xiàn)為轉子上端和下端同時偏擺,為系統(tǒng)二階振動。第4階振型表現(xiàn)為下阻尼振動。
                      
                      
                              圖2轉子-支承系統(tǒng)臨界振型
    本文針對轉子通過系統(tǒng)二階臨界轉速進行研究。根據(jù)前面的分析,轉子在通過系統(tǒng)二階臨界時表現(xiàn)為轉子上端和下端同時擺偏,實驗中主要對離心機轉子下端蓋處的振動進行跟蹤測量,以下記錄和分析所采用的振幅、相位等數(shù)據(jù)都是轉子下端蓋的測量結果。
    3.2　下阻尼器阻力系數(shù)對臨界頻率的影響
    采用磁流變液的下阻尼器在受到不同外加磁場作用時,其中磁流變液的黏度會發(fā)生變化。磁流變液黏度的改變首先會使阻尼器的阻力系數(shù)隨之變化,同時也會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)變化的幅度遠大于剛度和質(zhì)量的改變。下面的理論計算結果表明了不同的阻力系數(shù)對轉子-支承系統(tǒng)的臨界頻率的影響。
           
　　同樣,可以計算出轉子的不平衡量選擇為上蓋:187mg/272°、下蓋:147mg/242°時,不同阻力系數(shù)轉子下蓋的不平衡響應即幅頻(a-w)曲線見圖3。
           
    3.3　整體轉子離心機過臨界實驗實驗
    采用的系統(tǒng)是轉子長度為0.85m的整體轉子離心機。圖4給出了在無外加磁場和外加磁場的磁感應強度為120Gs時,轉子轉速w從0到100r.s-1的幅頻和相頻曲線對比。轉子在通過臨界時,振幅和相位會發(fā)生急劇的變化。從圖4可以看到,在無外加磁場條件下,系統(tǒng)二階臨界頻率為44Hz,在磁感應強度為120Gs的外加磁場作用下,系統(tǒng)的二階臨界頻率變?yōu)?1Hz。有外加磁場時,轉子在通過臨界轉速時的振幅相對無磁場時發(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,從而造成轉子臨界頻率的偏移和振動特性的不同。
                    
                   
            圖4無外加磁場和有磁感應強度為120Gs的外加磁場時下蓋幅頻和相頻曲線
　　為進一步研究不同支承條件對離心機轉子-支承系統(tǒng)振動特性的影響,進行了不同強度外加磁場作用下系統(tǒng)通過二階臨界的對比實驗。圖5給出了在磁感應強度分別為75、90、120和150Gs的外加磁場條件下,轉子從0到100r.s-1升速過程中的幅頻和相頻曲線。從圖5中可以看出,不同強度磁場作用下系統(tǒng)臨界轉速和振幅的變化趨勢與前面進行的理論計算結果是一致的。
                      
                     
　　從實驗得知,在磁感應強度為150Gs的磁場作用下,系統(tǒng)二階臨界頻率由無外加磁場時的44Hz變?yōu)?3Hz。由此可以設計這樣的實驗:在磁感應強度為150Gs的外加磁場作用下,將轉子升速至48r.s-1,然后撤掉磁場繼續(xù)升速。此時轉子還未到達有外加磁場作用下的臨界轉速,但是已經(jīng)通過了無磁場時的臨界轉速,繼續(xù)在無磁場條件下從48r.s-1升速的話就會實現(xiàn)無共振過臨界。圖6分別給出了在無外加磁場、有外加磁場(150Gs)和在轉子升速至48r.s-1時撤掉外加磁場(150Gs)3種條件下,轉子升速的幅頻和相頻曲線。
                     
                     
                         圖 6 3種實驗條件下轉子下蓋幅頻和相頻曲線
　　從圖6的相頻曲線中可以看出,在轉子升速過程中撤掉外加磁場之前,轉子下蓋的相頻曲線跟外加磁場一直存在時基本重合;當撤掉磁場之后,轉子下蓋的相頻曲線瞬間變?yōu)榕c無外加磁場時相吻合。這一現(xiàn)象也從另一個角度說明了磁流變液獨特的流變特性,即在去掉外加磁場后,其性能在瞬間完全恢復到無外加磁場時的狀態(tài)。從幅頻曲線可以直觀地看到,利用這種方法,轉子在通過系統(tǒng)二階臨界轉速的過程中,下蓋振幅基本保持不變,原來存在的共振峰被抹平。這說明利用磁流變液阻尼器運行過程中改變外加磁場可以使離心機轉子“躲”過系統(tǒng)臨界從而實現(xiàn)無共振過臨界轉速。
    4　結　論
    重新設計的磁流變液離心機下阻尼器在整體轉子離心機通過系統(tǒng)二階臨界轉速的實驗中通過改變外加磁場,使轉子振幅得到了有效的控制,甚至可以實現(xiàn)無共振過臨界。將磁流變液引入同位素分離用氣體離心機,利用其流變性實現(xiàn)離心機過臨界的技術是可行的。利用磁流變液的流變特性實現(xiàn)支承條件的改變,也可用于其他旋轉機械的振動控制。