基于磁流变技术的变惯量飞轮吸振研究

摘要

在动力传动系统中，发动机的曲轴、机床主轴或其它传动装置在工作时，会由于制造、安装误差以及工作环境的变化，不可避免会出现扭转振动，这种振动不仅会产生噪声、降低传动精度，严重时会造成传动轴疲劳失效，造成严重的后果。在动力传动系统中安装扭转减振器，是一种有效消除与隔离扭转振动的措施。随着动力传动系统向高速重载方向发展，传动系统的扭转振动愈加剧烈，迫切需要一种新的扭转减振技术，传统的扭转减振器难以满足这种需要。目前扭转减振器的研究主要通过调整弹性元件与阻尼元件参数，实现对扭转振动的抑制，但这种调整无法自适应调整，或适应性方面受到限制。近年来，有学者提出采用变惯量思想的主动飞轮，实现对线性振动的抑制，有较好的效果，当应用于扭转振动抑制时，实现较为困难。迫切需要一种结构简单、能耗低、易于控制的变惯量飞轮。磁流变液是一种响应快、可控的智能材料。磁流变减振器具有响应时间短、阻尼可调以及耗能较少等优点。为此，本文针对现有变惯量飞轮存在的问题，基于磁流变技术提出了一种新型半主动式变惯量飞轮，其不但具有被动式变惯量飞轮结构简单的特点，而且也能实现不同工况下转动惯量的调节与控制，通过理论分析和试验，研究了磁流变变惯量飞轮转动惯量的有效性，研究结果对于解决动力传动系统的扭转振动问题具有重要的意义。
　　本文的工作主要有以下几个方面：
　　①建立了具有动力吸振器的旋转式二自由度动力学模型，分析了动力吸振器参数变化对主系统振动的影响，研究了系统在不同激励下，吸振效果最优时的飞轮转动惯量大小。
　　②提出了一种基于磁流变技术的变惯量飞轮设计方法。通过力学分析推导出转动惯量与磁流变阻尼力和转速的数学模型，分析了磁流变阻尼器的阻尼力、弹簧刚度与飞轮转动惯量的关系。
　　③采用多目标遗传算法对磁流变变惯量飞轮进行了优化设计，确定了关键结构尺寸。建立了磁流变变惯量飞轮理论惯量计算模型，结合单自由度扭转主系统建立了扭转二自由度动力学模型，对磁流变变惯量飞轮对主系统抑制的效果与控制策略进行分析。
　　④研制了磁流变变惯量飞轮样机，并对样机性能进行试验测试。测试了磁流变液阻尼器在正弦激励下，不同励磁电流时，阻尼力与速度关系；再对弹簧进行刚度的测定。采用 Bingham模型对阻尼器进行力学建模，进而建立了转动惯量与电流和转速的数学模型。利用三线摆法测量磁流变变惯量飞轮的转动惯量的与活塞位移的关系。搭建了动态测试平台，测试了不同电流工况下，磁流变变惯量飞轮转动惯量与转速的关系以及磁流变变惯量飞轮与活塞位移的关系，验证了磁流变变惯量飞轮转动惯量模型的有效性。

目录

1 绪 论

1.1课题研究背景与研究目的

1.2飞轮技术研究现状

1.3磁流变技术现状

1.4本文主要研究内容

1.5本章小结

2 基于变惯量飞轮的二自由度扭转系统吸振原理

2.1引言

2.2变惯量飞轮二自由度扭转系统动力学建模

2.3 动力吸振器设计方法

2.4变惯量动力吸振器性能分析

2.5本章小结

3 基于磁流变技术的变惯量飞轮设计方法

3.1引言

3.2磁流变变惯量飞轮原理

3.3磁流变变惯量飞轮力学分析

3.4磁流变变惯量飞轮转动惯量分析

3.5磁流变变惯量飞轮参数分析

3.6本章小结

4 基于磁流变技术的变惯量飞轮的优化设计及性能仿真

4.1引言

4.2磁流变变惯量飞轮结构设计及主要参数

4.3磁流变液阻尼单元设计

4.4转动惯量计算

4.5多目标优化

4.6弹簧设计

4.7 磁流变变惯量飞轮性能仿真

4.8磁流变变惯量飞轮控制策略

4.9本章小结

5 基于磁流变技术的变惯量飞轮性能测试

5.1引言

5.2磁流变变惯量飞轮的加工装配

5.3磁流变变惯量飞轮阻尼单元力学性能测试

5.4弹簧刚度测试实验

5.5磁流变变惯量飞轮建模

5.6转动惯量静态测试

5.7转动惯量动态测试

5.8本章小结

6 总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间申报专利目录

C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目