机械可调阻尼系数黏滞流体阻尼器设计与开发

郭有松，洪 明，吴 激

（1. 江苏工邦振控科技有限公司，江苏常州 213000；2. 大连理工大学 船舶工程学院，辽宁大连 116024；3. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

黏滞流体阻尼器起初应用于火炮与航天器的发射过程，其作用是提供后坐冲击反力。如今，这种阻尼器已经广泛应用到建筑、桥梁、交通运输及能源等众多行业，主要为特定结构提供保护。20世纪80年代起，人们开始使用黏滞阻尼器进行结构振动控制。美国纽约州立大学布法罗分校在美国科学基金会的资助下开始了黏滞阻尼器的研制，并对其减振机理、阻尼材料及热力学性能进行了系统的研究[1]。此后，以美国Taylor、意大利FIP和ALGA[2]以及日本Kajima等公司为代表的阻尼器生产企业开发出了一系列相关产品，并应用于实际工程。20世纪90年代初开始，上海交通大学、东南大学、广州大学、同济大学、北京工业大学和哈尔滨建筑大学等国内单位和企业对黏滞阻尼器开展了系统性的研究和制造[3-8]。

目前，黏滞流体阻尼器已经从第一代内置高黏度介质发展到第三代内置低黏度介质，其阻尼机理基于N-S方程，但尚未有学者对其进行定量分析。本文根据试验研究的变系数需要，提出了外置阻尼调节阀实现阻尼系数可调节的方式，设计开发了满足要求的可调阻尼器，并对设计开发原件的样件进行了参数性能试验验证。

1 机械可调阻尼系数阻尼器设计

进行多工况试验时，要求阻尼器拥有不同参数，考虑到试验的方便性与经济性，就需要有可调参数（参数覆盖试验范围）的阻尼器，而市场上很难找到合适的产品。文章根据传统液体阻尼器和防振阻尼器的原理，提出了一种简单易行的可调参数阻尼器设计。

传统的黏滞阻尼器在产品成型之后，其阻尼系数是不变的。阻尼器的阻尼系数由内部介质黏度与流体通道几何尺寸决定，其与雷诺数相关，是产品的固有特性。通过改变雷诺数可以实现阻尼器阻尼系数可调节。本研究以传统阻尼器为基础，在其活塞两边的油缸之间增加外置阻尼通道，在油缸外增加外置流体管路，管路中部设置阀门，调节阀门开口角度可控制管路阻尼结构的截面参数，从而实现阻尼参数的可调节。阀门的流量控制与阻尼参数关系通过试验标定。

根据应用试验系统的需要，结合提出的可调阻尼器的构造，设计出相应的可调阻尼器，如图1和图2所示。

图1 可调参数阻尼器设计图（单位：mm）

图2 可调参数阻尼器样机图

阻尼参数的变化是通过控制阻尼器外两个油管的流量来实现的。当外油管阀门关闭时，黏滞液体只能在固定油孔流动，此时阻尼器的阻尼系数最大；增大外油管阀门的开口角度，相当于增加油孔的通过量，阻尼器的阻尼系数相应减小。

2 阻尼器基本理论

2.1 阻尼器主要形状参数确定

考虑到所设计阻尼器的应用工况，确定其行程范围为0～500 mm，阻尼系数可调范围为0～1.0 N/(mm·s-1)，最大运动速度不小于750 mm/s，阻尼器形式和液缸尺寸分别如图3和表1所示。

图3 阻尼结构参数图

表1 液缸几何参数

用A0、A1和A2分别表示缸体来流处截面面积、缝隙面积和小孔面积，根据几何参数分别可得

A0=1.568×10−2（mm2）

A1=2.006×10−4（mm2）

A2=9.05×10−6（mm2）

阻尼器采用的工作液体为甲基硅油，其密度一般为 930 kg/mm3～975 kg/mm3，黏度系数μ取 0.963 Pa·s。液缸内液体流动区域主要有来流区域、缝隙区域和小孔区域，3个区域内相对应的液体流动速度分别取0.02 m/s、1.0 m/s和10 m/s，3个区域的雷诺数分别为1.6、0.4和24。可以看出：阻尼器黏滞液缸各区域雷诺数数值远小于临界雷诺数数值，满足层流模型的要求。

2.2 阻尼器特性关系

假设缸内流体满足连续性方程

式中：v0为缸内主体液体速度，即远方来流速度，m/s；v1为缝隙内流体速度，m/s；v2为小孔内流体速度，m/s。

活塞与缸壁的缝隙间流动用无限大平行平板间的定常层流流动（Poiseuille flow）模拟，流速的分布特征可由N-S方程精确解得。活塞与缸壁的缝隙间最大流速和板间平均速度分别为

式中：b为两板间距，此处b=0.4 mm；dp1/dx为缝隙间的压强梯度。

小孔内的流动采用圆管定常层流流动来模拟，流速的分布特征可由 N-S方程精确解得。小孔内的最大流速和小孔内平均流速分别为

假定活塞左边和右边的压强是均匀分布的，即压强差Δp相等，则有

由式（6）可以推导出活塞左边和右边的压强与液缸缝隙长度和小孔长度的关系为

将式（4）～式（7）式代入连续性方程式

（1），化简可以得到

阻尼器活塞左边和右边的两端压强差为

通过计算活塞两面的压差，可得到阻尼器活塞受力为

设定使用甲基硅油的阻尼器满足黏滞阻尼特征，活塞运动速度与活塞受力的关系为F=cv，结合活塞运动速度与受力，可以得到阻尼器的阻尼系数为

2.3 阻尼器性能参数确定

根据阻尼器性能关系，假定活塞速度为0.01885 m/s，由式（11）可以得到相应的阻尼系数为2296 kN/(m·s-1)。阻尼器相关性能参数见表2。

表2 阻尼器性能参数计算结果

使用ANSYS对阻尼器进行仿真分析，活塞受力结果为37.07 kN，其中压差阻力为36.81 kN，摩擦阻力0.26 kN。计算压强云图和速度矢量图分别如图4和图5所示。

3 阻尼器参数测试

为了确定可调阻尼器的性能，在试验台上对制造的样品进行测试标定。阻尼试验台实现对阻尼器的模拟加载，并得到相应的参数。图6为样品参数测定现场，主要设定的技术指标包括：1）加载频率：0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz、3.0 Hz；2）加载规律：简谐函数；3）最大动态位移：±150 mm；4）动态测试精度：＜1%。

图4 压强云图

图5 速度矢量图

图6 可调阻尼器样品标定试验现场

考虑到黏滞阻尼器力学特性[6]，若顶杆往复运动频率小于3 Hz时，会存在一定的非线性效应，阻尼器受到的阻尼力可以表示为：

式中：C为阻尼器阻尼常数，N/(m·s-1)；α为速度系数，取0.3～1.0，取值为 1.0时，即为线性阻尼，系数越小耗能越大；v为阻尼顶杆活塞对于油缸的相对速度，m/s。

通过可调阀门的不同位置，得到阻尼器推力、推动速度及阻尼系数之间的关系，如图7所示。图8为阀门不同角度与阻尼系数关系的回归结果，使用时可以根据图8的关系调整得到需要的阻尼参数。

图7 试验测得调整阀门不同角度时阻力与活塞运动速度关系

图8 阀门不同角度与阻尼系数关系回归结果

4 结论

基于黏滞阻尼器和液压防振阻尼器的原理，提出了一种结构变异阻尼器，能够在使用过程中根据要求方便地实现阻尼参数的调整。本文研究开发的可调节参数阻尼器以传统黏滞阻尼器原理为基础，在活塞两侧设置了一段带阀门的油路，扩展了传统黏滞阻尼器活塞上固定油孔的模式。这种阻尼器的原理与传统黏滞阻尼器的原理一致，只是在形式上做了改进，非常适用于需要频繁调整阻尼参数的研究类试验。

以本文设计为基础，还可以根据需要进行下列扩展：1）将机械阀变为电磁阀，实现系统的自动调节；2）根据功能需要，设计阻尼器液缸与外回路管的面积比，确定可调阻尼系数的范围与最大值；3）设计阻尼器液缸与活塞头油孔的面积比，确定可调阻尼系数的调节下限；4）在活塞头油孔设置单向阀，可以得到行程可调的非线性特征阻尼器。

[1] 张志强, 李爱群. 建筑结构黏滞阻尼器减震设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2013.

[2] 陈永祁. 桥梁工程液体黏滞阻尼器设计与施工[M].北京: 中国铁道出版社, 2012.

[3] 贾久红, 华宏星. 新型阻尼器的力学建模与试验[J]. 机械工程学报, 2008, 44(8): 253-256.

[4] 李爱群. 建筑减振粘滞阻尼器工程应用新进展[J].建筑结构, 2006, 36(S1): 88-93.

[5] 汪大洋, 周云. 粘滞阻尼减震结构的研究与应用进展[J]. 工程抗震与加固改造, 2006, 28(4): 22-31.

[6] 翁大根. 粘滞阻尼器力学性能试验研究[J]. 世界地震工程, 2002, 18(4): 30-34.

[7] 李英, 闫维明, 纪金豹. 变间隙粘滞阻尼器的性能分析[J]. 震灾防御技术, 2006, 1(2): 154-162.

[8] 欧进萍. 油缸间隙式粘滞阻尼器理论与性能试验[J]. 地震工程与工程振动, 1999, 19(4): 82-89.