基于ERF的切削顫振控制建模與仿真的研究

1、基于ERF的切削顫振控制建模與仿真的研究作者；胡耀斌陳從桂張春良摘要：針對電流變阻尼器抑制切削顫振存在的困難，設(shè)計了一種流動與剪切混合形式的電流變阻尼器。文章介紹了電流變液及電流變阻尼器的工作原理和性能特點；基于Bingha塑性理論，建立了流動與剪切混合形式的電流變阻尼器的力學模型。實驗與仿真結(jié)果說明，電流變阻尼器能很好地實現(xiàn)振動的實時控制，并能有效地抑制切削顫振的發(fā)生。關(guān)鍵詞:電流變阻尼器切削顫振實時控制建模與仿真Abstrat:FaingthediffiultythatERfluiddaperntainstheuttinghatter,edesignedadaperbasednflands

2、hearixeddeltntrltheuttinghatter.ThispaperintrduestheprinipleandERfluiddaper;basednBinghaplastithery,fundstheehanialdelfERfluiddaperfflandshearixeddel.TheresultfexperientandsiulatinshsthisERfluiddaperanellntrlthevibratinandtheuttinghatter.Keyrds:ERDaper,uttinghatter,RealTientrl,funddelandsiulatin1引言在

3、振動控制領(lǐng)域中，常用的智能材料有：電流變磁流變液、形狀記憶合金、壓電材料和電磁致伸縮材料等四種。壓電材料和電磁致伸縮材料所產(chǎn)生的作用力往往不夠大，而形狀記憶材料存在滯后響應(yīng)的問題且需要電源加熱，響應(yīng)速度慢,相形之下,電流變(磁流變)液應(yīng)用較為廣泛一些。電流變磁流變液是指在電場磁場作用下液體的粘性等流變性質(zhì)會隨著電場磁場強度的變化而變化的流體，一旦撤去電場或磁場，材料又恢復(fù)原來的狀態(tài)，響應(yīng)時間僅為毫秒級。這種優(yōu)良的機電耦合性能使電流變磁流變液成為一種理想的可控阻尼介質(zhì)。該可控阻尼介質(zhì)具有實現(xiàn)阻尼的無級可逆調(diào)節(jié)、響應(yīng)速度快、能耗低等突出的優(yōu)點。因此電流變磁流變液在振動控制2電流變液電流變體(ele

4、trrhelgialfluids)也稱為電流變流體，簡稱ER流體，是一種比較特殊的流體，它在外加電場的作用下流變性能由易流動的低粘度的流體突變?yōu)殡y流動的高粘度的塑性類固體，而當撤去外加電場后，它又可在瞬間內(nèi)恢復(fù)到液態(tài)。電流變液的這種性能改變僅僅在毫秒間就可完成，這是電流變液最能被利用的優(yōu)勢。2.1根本概念電流變學4,5(Eletrrhelgy)是研究一定的分散體系在電場的作用下,其粘度、模量和屈服才能等與物體流變各性能參量有關(guān)的一門學科,是流變學(Rhelgy)的一個重要分支。電場對分散體系的構(gòu)造和流變性質(zhì)的影響稱為電流變效應(yīng)(Eletrrhelgialeffet)。具有電流變效應(yīng)的分散體系稱

5、為電流變體簡稱ER體,亦稱為電流變液(EletrrhelgialFluid)。根據(jù)目前ER體研究的情況,詳細的ER體指的是在絕緣的連續(xù)相液體介質(zhì)中參加精細的固體顆粒而形成的懸浮液。該液體在一定電場的作用下,會明顯地顯示出與原來液體不同的類固態(tài)特性,而當電場解除后液體又恢復(fù)到原來所具有的性能，這種變化是連續(xù)、快速并且可逆的，而且是可控的。電流變液的特性無論在科學研究還是在技術(shù)應(yīng)用等方面都有宏大的研究價值。但是，從目前來看，制約電流變技術(shù)開展和應(yīng)用的主要因素是電流變材料的性能仍無法滿足大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的要求，制造高性能的電流變材料是打破這一瓶頸的關(guān)鍵6,7。2.2性能特點2.2.1流變性能電流變液的

6、流變性能直接影響到電流變液實際應(yīng)用的可能性。目前人們對穩(wěn)態(tài)剪切場下ERF屈服后流變性能的變化進展了深化的研究，但對屈服前非穩(wěn)態(tài)剪切場下的流變行為研究較少。對于ERF的流變性能主要有兩個指標：一是非場黏度，二是動、靜態(tài)屈服應(yīng)力。2.2.2電流密度電流密度是評價電流變液性能的一個重要指標，電流密度過大，會造成電流變液過熱，而溫度對電流變液的性能影響很大，溫度過高會引起電流變液不穩(wěn)定，使其效率較低，嚴重時可能發(fā)生擊穿現(xiàn)象。因此對高壓電源的要求很高，最理想的電流密度應(yīng)在。2.2.3響應(yīng)時間電流變液的響應(yīng)時間一般為毫秒級，這是電流變液優(yōu)于其他智能材料的一個重要特征。美國LRD公司ERF/6533-16A

7、電流變液的響應(yīng)時間，只有8s左右8。2.2.4穩(wěn)定性電流變液的穩(wěn)定性主要是指電流變液在長期放置的情況下不發(fā)生分層現(xiàn)象，這是關(guān)系到其能否應(yīng)用于工業(yè)過程的一個關(guān)鍵特性。目前各研究單位配置的電流變液在穩(wěn)定性方面都不是很理想。中科院物理研究所研制的電流變液的穩(wěn)定時間大約能靜置幾個月的時間，本研究實驗使用的電流變液的穩(wěn)定時間只有幾個小時。3電流變阻尼器3.1工作原理電流變阻尼器按其工作流體的流動形態(tài)可以分為三類：剪切形式、流動形式、擠壓形式。圖1、圖2、圖3分別是三種形式阻尼器的工作原理圖。圖1剪切形式阻尼器工作原理圖圖2流動形式阻尼器工作原理圖圖3擠壓形式阻尼器工作原理圖如今重點介紹流動形式電流變阻尼

8、器的構(gòu)造及性能特點，這種構(gòu)造型式的電流變阻尼器通常由活塞桿、活塞體、正負電極以及工作缸等主要構(gòu)造組成，如圖2所示，正負極板保持不動，電流變液流過極板間隙，通過改變施加于極板的電場強度，可以改變流過極板的電流變液的粘度，從而導(dǎo)致進出口兩端的壓差發(fā)生變化，這就是可控阻尼力的來源。它的最大特點是電極是固定的，正、負電極之間無相對運動，電極實際上起著一種節(jié)流閥的作用，因此，對ER流體的流動性能提出了較高的要求。其優(yōu)點是在構(gòu)造尺寸根本一樣的條件下，可以產(chǎn)生高于剪切形式阻尼器的工作阻尼力，電極間距可相對地設(shè)計得小一些，制造精度可相對低一些，只要保證不發(fā)生電擊穿現(xiàn)象就可以了。因此，其制造本錢相對較低。從構(gòu)造

9、設(shè)計的角度來看，只要徑向尺寸允許，工作電極對可以設(shè)計得多一些，這樣不僅可以提供較大的工作阻尼力，也使得與其配套的工作電源的額定電壓得到降低。3.2設(shè)計與制作本文所設(shè)計的電流變阻尼器即為流動與剪切混合形式。下面結(jié)合其詳細構(gòu)造予以說明。圖4電流變阻尼器構(gòu)造簡圖1螺釘2上蓋3螺栓4彈簧墊片5螺母6導(dǎo)向套7油封8缸體9活塞10導(dǎo)向套11底座12螺栓13沉頭螺釘14緊固螺釘阻尼器構(gòu)造如圖4所示，電流變液充滿于腔內(nèi)，缸體8與活塞9分別接高壓電源正、負極，整個阻尼器通過螺栓12固定于特別設(shè)計的刀座上，刀具與另外設(shè)計的刀架通過螺栓3固定于上蓋2之上。在切削過程中，當振動由刀具經(jīng)過上蓋2傳遞給活塞9時，活塞上下

10、運動剪切電流變液從而產(chǎn)生阻尼力，同時當活塞運動時，活塞內(nèi)部各個孔中的電流變液也會流動而產(chǎn)生阻尼力，阻尼力將不斷耗散振動能量而到達減振的目的。當正、負極施加不同的電壓時，所產(chǎn)生的阻尼力相應(yīng)發(fā)生變化，同時系統(tǒng)的剛度也會發(fā)生變化，我們可以根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)電壓大小以到達理想的減振效果。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.在電流變阻尼器的設(shè)計和制作中，必須注意的三個方面：一、由于活塞與缸體間隔只有2，假設(shè)活塞在運動時有晃動或轉(zhuǎn)動，那么很容易導(dǎo)致短路。因此設(shè)計中要充分考慮缸體與活塞、活塞與導(dǎo)向套的同軸度以及活塞與導(dǎo)向套的配合間隙。二、為了減小機械摩擦力影響，設(shè)計時應(yīng)盡量減小活塞與導(dǎo)向套接觸面積，同時要盡可能降低活塞與導(dǎo)

11、向套配合處的粗糙度。三、活塞與缸體內(nèi)外表加工要平整，不得帶有毛刺，防止尖端放電；4模型建立與分析電流變阻尼器的阻尼力由三部分組成9，一部分為電流變液體根底黏度引起的本底阻尼力，與外加電場無關(guān)；第二部分為電致阻尼力，它是電場強度的函數(shù)；第三部分為氣室體積引起的壓力。值得提出的是本底阻尼力中還應(yīng)包含活塞運動時與密封圈的摩擦力。大量的研究說明9-13，在振幅很小的情況下，電流變阻尼器的阻尼力呈圖5所示的關(guān)系曲線。由圖可以看出，阻尼力近似為隨剪切速度變化的線性函數(shù)，且斜率隨電場強度的增加而增大。圖5阻尼力與電場強度和剪切速度關(guān)系曲線圖中數(shù)值不代表詳細意義因此我們將電流變阻尼器的阻尼力由下式近似表示：式

12、中為等效剛度系數(shù)，為等效阻尼系數(shù)，為阻尼器等效質(zhì)量，為本底阻尼力。當改變正負極之間的電場強度時，等效阻尼系數(shù)和本底阻尼力都將隨之變化，但是在某一固定場強下，本底阻尼力近似為一定值。車床安裝電流變阻尼器后可簡化為兩自由度振動系統(tǒng)，動力學模型如圖6所示：圖6兩自由度動力學模型圖7簡化的動力學模型由于的質(zhì)量很小，在忽略影響的情況下，此動力學模型可進一步簡化為單自由度系統(tǒng)，如圖7所示。由于切削加工過程中的振動幅值較小，通過簡化的動力學模型和阻尼器的近似表達式，得到系統(tǒng)的運動方程為：式中，和分別為無阻尼器時切削系統(tǒng)阻尼和剛度，和分別為阻尼器等效阻尼和等效剛度，為切削系統(tǒng)等效質(zhì)量。令，得：引入?yún)?shù)：，得系

13、統(tǒng)振幅的頻率響應(yīng)：由此可得的幅頻特性式中，對于不加阻尼器時的幅頻特性為：此處，切削系統(tǒng)中加阻尼器時減振率為：5仿真與結(jié)果分析電場作用下的ERF阻尼器的阻尼損耗因子會隨電場的增加而增大，同時當電場增加時，ERF的動態(tài)屈服應(yīng)力增大，從而增加了阻尼器的剛度，因此其固有頻率增加，切削系統(tǒng)的固有頻率也相應(yīng)增大?？紤]到固有頻率的變化，用ATLAB對系統(tǒng)的頻率響應(yīng)計算仿真，得到切削系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線和減振率曲線如圖8和圖9所示：圖8頻率響應(yīng)仿真曲線圖9減振率仿真曲線從圖8中可以看到，增加系統(tǒng)的阻尼能使振幅得到衰減，尤其是在共振區(qū)附近，通過控制電流變阻尼器的電場強度可以很方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼。由于電場強度增加

14、使阻尼增大的同時，系統(tǒng)的固有頻率也向高頻挪動，因此在高頻段，阻尼器電場強度的增加有可能使振幅增大。圖9中的仿真條件為系統(tǒng)不加阻尼器時阻尼比設(shè)為0.1，通過在參加阻尼器后不同阻尼的情況下比較衰減率的變化情況。在低頻段，電場強度的增加對振動抑制效果非常明顯，而在高頻段，情況那么比較復(fù)雜，振幅在某些頻段有所衰減，衰減幅度也不是很大，某些頻段那么有較大幅度的增加。實驗與仿真結(jié)果說明：一、對于詳細的振動系統(tǒng)，電流變阻尼器的減振效果會因電場強度的變化而不同，同時還和振動頻率有關(guān)，在不同的振動頻率下，最正確電場強度不同，為電壓控制方案提供了理論根據(jù)。對于詳細的電流變阻尼器，可以通過實驗測定。二、對于切削顫振

15、的抑制，可以通過顫振識別信號和振動頻率對電場強度進展控制。由于切削顫振發(fā)生時，多為低頻振動，在顫振過渡過程振動信號就應(yīng)為低頻信號，此時控制阻尼器的電場強度能很好抑制切削顫振的發(fā)生。三、對于因引入了“負阻尼而產(chǎn)生的切削顫振，需要增大系統(tǒng)的阻尼來有效控制顫振的發(fā)生，同時由于顫振信號為低頻信號，因此對于此類顫振控制時應(yīng)加高的電場強度；對于由于模態(tài)耦合而產(chǎn)生的切削顫振，增大系統(tǒng)的剛度能很好地控制顫振的發(fā)生，同時增大阻尼也消耗了顫振發(fā)生所需要的能量，所以對于此類顫振控制時同樣應(yīng)加高的電場強度；而對于平穩(wěn)切削過程，那么要根據(jù)信號頻率選取適宜的場強以到達最正確的控制效果。參考文獻1LrdrpratinRhe

16、netiLinearDaperZ，Rd1001/Rd1004，PrdutInfratinSheet，Lrdrp.Pub.1997.2arkR.Jlly，etalprpertiesandappliatinferialagnetrhelgialfluidsJ,SPIE,1998,3327:262-275.3EiJiaen,et.TheGiantEletrrhelgialEffetinSuspensinsfnanpartiles.Natureaterials,vl2,Nveber20224郝田，陳一弘，許元澤.電流變學研究進展,力學進展,1994，Vl.245魏宸官.?電流變技術(shù)機理、材料、工程應(yīng)用

17、?.北京理工大學出版社6BlkHandRattayP.ReentdevelpentsinERfluid.In:HavelkaKandFiliskFEEd.Prgressfeletrhelgy.NeYrk:Plenupress,1995:19427趙曉鵬等.ER流體的應(yīng)用前景展望.材料導(dǎo)報,1993，76：12158K.D.EIss,J.D.arlsn,aterialAspetfEletrrhelgialSyste,JurnalfIntelligentaterialSystesandStrutures,1993,4(1),13349陳永光等.電流變減振器阻尼力計算及影響因素分析.重慶大學學報，2002，259：121-12410G.YANG，H.J.JUNGandB.F.SPENER，DynaidelfFull-SaleRDapersrivilEngineeringAppli