万方数据
原罪感
２装甲兵工程学院学报第２４卷
性的Ｂｉｎｇｈａｍ弹塑性体的智能材料。典型的磁流变 液由３部分组成：软磁性颗粒、载液和添加剂。
１．１软磁性颗粒
制备ＭＲＦ的软磁性颗粒，一般有羰基铁粉、
Ｆｅ，Ｏ。【３】、钴粉【４Ｊ、铁钴合金及镍锌合金等。除上述
软磁性颗粒之外，最近专家采用以下新技术制备出
复合软磁性颗粒。
第ｌ类：用聚合物包覆铁粉。该方法可以减小
软磁性颗粒的密度，增加颗粒的表面积，提高所制备
磁流变液的沉降稳定性和再分散性ｐＪ。Ｐａｒｋ【６０等人
用聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）包覆羰基铁粉制备出
复合磁性颗粒，如图１所示。笔者的研究小组以羰
调值公式法基铁粉为原料，用聚乙二醇包覆羰基铁粉颗粒，如图
２所示。
第２类：用软磁性颗粒包覆非金属材料。该方
法能减少颗粒的密度，提高所制备ＭＲＦ的沉降稳定
性。Ｊｕｎ等人【列以聚合物为核，以氧化铁颗粒为壳，
制备出理想的球形颗粒，如图３所示。
图１用ＰＭＭＡ包覆的羰基铁粉
图２聚乙二醇包覆羰基铁粉图３氧化铁包覆聚合物
第３类：用金属颗粒包覆软磁性颗粒。该方法可以增强颗粒的磁饱和强度，进而增强所制备磁流变液的屈服强度。Ｊｏｈｎ【８１用化学镀的方法在羰基铁粉表面包覆一层镍粉。
对比以上几种颗粒，羰基铁粉是制备ＭＲＦ常用的软磁性颗粒，目前商品化的磁流变液大多采用普
通羰基铁粉制备，但采用聚合物包覆的羰基铁粉是目前各国专家研究的热点。
１．２载液
载液是软磁性颗粒所能悬浮的连续媒介，是磁流变液的重要组成成分。如合成油、矿物油、水等液体一１都可以作为载液。Ｂｓｓｅ【ｌ叫报道了用胶体作为载液，制备出一种磁流变弹性体。Ｆｕｃｈｓ等人¨ｕ以聚合胶体为载液制备出了一种磁流变聚合胶体。１．３添加剂
添加剂包括分散剂和防沉降剂等，其作用主要是改善ＭＲＦ的沉降稳定性、再分散性、零场黏度和剪切屈服强度。分散剂主要有：油酸及油酸盐、环烷酸盐、磺酸盐（或酯）、磷酸盐（或酯）、硬脂酸及其盐、单油酸丙三醇、脂肪醇、二氧化硅等。防沉降剂主要有：高分子聚合物、亲水的硅树脂低聚物、有机金属硅共聚物、超细无定形硅胶以及有机黏土和含氢键的低聚物等。此外，Ｃｈｉｎ用纳米级的磁性颗粒一２ｏ（Ｃｏ．１－Ｆｅ２０３，Ｃｒ０２）作为添加剂，提高了ＭＲＦ的沉降稳定性。
磁流变液的制备是工程应用的基础，提高以再分散性和沉降稳定性在内的性能指标对工程应用将产生重要意义。当前应在以下几个制约工程应用的问题上开展深入研究：如何提高ＭＲＦ的再分散性、如何利用表面改性技术提高ＭＲＦ的沉降稳定性、如何制备出高性能的磁流变弹性体以及如何利用纳米级添加剂改善ＭＲＦ的综合特性等。
根据ＭＲＦ在磁场作用下流变特性可控的特点，ＭＲＦ阻尼器件可以根据外部振动环境实时调节阻尼，容易实现对结构进行减振的目的，因此ＭＲＦ减振器是磁流变液工程应用的重要领域。特别是车用磁流变减振器，因为其阻尼力可调倍数高、易于实现计算机变阻尼实时控制、结构紧凑以及外部输入能量小等特点，日益受到工程界的高度重视。 ２．１磁流变减振器结构型式
２．１．１筒式磁流变减振器
２００７年，马里兰大学¨列为火炮反后座装置设计出了两褶环形间隙节流阀ＭＲＦ减振器。实验表明：该减振器在频率１２Ｈｚ、幅值１２．７ｍｍ的正弦激励下，其阻尼力由２ｋＮ变为加电后的４ｋＮ，阻尼力可调倍数达到２。图４为该大学研制的ＭＲＦ减振
器原理图。万方数据
第２期张进秋，等：磁流变液及其应用研究综述３
图４节流阀磁流变减振器
商洛学院图书馆
２００４年，内华达大学‘１４１为ｑ障马”军用越野车研制了磁流变减振器，该减振器结构尺寸紧凑，具有Ｆａｉｌ—ｓａｆｅ、非对称阻尼等特性。图５中，从左至右分别是“悍马”车用的第２代ＭＲＦ减振器、原车用减振器和第１代ＭＲＦ减振器。
图５“悍马”车用磁流变减振器
笔者的研究小组为某型军用车辆设计了如图６所示的磁流变减振器ｕ５１，该减振器采用自行研制并获得国防发明专利的ＭＲＦ作为减振液，设计了博采众长的独特结构。图７为该减振器示功图，从内圈到外圈的曲线分别表示励磁电流为０，Ｏ．２５Ａ，０．５Ａ，０．７５Ａ时所对应的耗能特性，该减振器阻尼力可调倍数达到了３倍。
图６筒式磁流变阻尼器实物图
２．１．２叶片式磁流变减振器
笔者的研究小组为某型履带车辆设计了叶片式磁流变减振器‘１６—７｜，如图８所示。该设计采用了双向安全阀，使叶片的结构更为紧凑，最大限度为励磁
Ｚ
芒
Ｒ
经济社会发展璞
区
位移／ｎｕｎ
图７筒式磁流变阻尼器示功图
单元预留了空间；且利用安全阀柱塞在压力作用下对节流阀开口大小的调整，实现了磁流变阻尼器正反行程阻尼力的非对称，使阻尼器具备了良好的耗功能力。
图８叶片式磁流变减振器阀结构原理图
２．２磁流变减振器阻尼力模型
磁流变液场致流变效应是建立磁流变减振器阻尼力模型的基础，其流变效应用Ｂｉｎｇｈａｍ模型描述：
ｒ２∥ｗ？Ｚ㈩式中：ｒ为剪切应力；ｒ，为剪切屈服强度；，７为磁流变液的黏度；，为剪切率。
基于Ｂｉｎｇｈａｍ模型，ＰａｎｇＨ引等人将ＭＲＦ减振器等效为一种线性被动液力减振器，该模型能计算出振动一周所消耗的能量，但却不能准确地描述力与位移、力与速度之间的关系。非线性滞回双黏度模型¨９。圳能够很好地表征ＭＲＦ减振器的力与位移、力与速度之间的滞回特性，但其表达式过于复杂。
Ｓｐｅｎｃｅｒ和Ｙａｎｇ等人［２１。冽采取Ｂｏｕｅ．Ｗｅｎ模型来描述ＭＲＦ减振器阻尼力模型。该模型能很好地预测力与位移、力与速度之间的关系，但在速度较低
的区域，力和速度之间的关系曲线不能很好地和实万方数据
４装甲兵工程学院学报第２４卷
验数据相吻合。王友琴
在磁流变减振器领域，筒式ＭＲＦ减振器的发展迅速，已有４０多万辆装有筒式ＭＲＦ减振器的车辆在公路上行驶，叶片式ＭＲＦ减振器在军用履带车辆上应用虽然前景广阔，但实车应用很少。
在磁流变减振器阻尼力数学模型描述方面，尽管对磁流变减振器力学性能的描述比较成熟，但应用范围有各自的局限，其中，Ｂｏｕｃ．Ｗｅｎ模型在工程实际中应用较多。对于实际工程应用，建立基于台架试验数据的磁流变减振器阻尼力数学模型，更有利于实际工程应用。
３车辆悬挂系统振动控制
由于被动悬挂系统的刚度和阻尼不能随着外界地面行驶环境的改变而变化，主动、半主动悬挂系统成
为车辆提高越野机动性或乘坐舒适性的重要途径。目前，研究的重点集中在汽车的半主动悬架系统旧Ｊ、装甲车辆的磁流变半主动悬挂系统及变阻尼自适应悬挂系统Ⅲ１等。车辆变阻尼半主动悬挂系统的核心技术除磁流变减振器外，另一项就是变阻尼振动控制算法。
３．１悬挂系统变阻尼振动控制算法
１）“天棚”阻尼控制。在悬挂系统阻尼控制算法中，Ｋａｒｎｏｐｐ等人瞪Ｊ１９７４年提出的“天棚”阻尼控制算法是最常用的算法之一，其阻尼系数为
ｆｃｄ一，ｃ·＞Ｃｄｍｓｘ二（三一香）≥０，ｃ＝｛ｃ。ｚ一香，ｃ。＜ｃｄ。，三（三一香）≥０，（２）【ｃ。面。，三（三一面）＜ｏ，
式中：三是悬置部分振动速度；香是悬置部分振动速度；ｃ。一是减振器提供的最大阻尼系数；Ｃ。Ⅲ；。是减振器提供的最小阻尼系数；ｃ－是“天棚”等效阻尼系数。
２）“天棚”阻尼Ｏｉｌ—ｏｆｆ控制。“天棚”阻尼越大，传递率就越小，因此，Ｋａｒｎｏｐｐ等人又提出了“天棚”阻尼开关控制，阻尼系数表达式为
ｆｃｄ。，ｚ（Ｚ—ｇ）≥０，，¨弘Ｉｃ㈨，二（三一面）＜０，¨’
【ｃ。面。，二（三一面）＜，
一
式中：香是非悬置质量起伏速度；ｊ，ｃ。一，ｃ。面。含义同式（２）。“天棚”阻尼ｏｎ·ｏｆｆ控制的实质是对“天棚”阻尼连续控制的简化，其运算简便，因而被广泛使用，但应用中有高频振颤现象。
３）ＬＱＧ（ＬｉｎｅａｒＱｕａｄｒａｔｉｃＧａｕｓｓｉａｎ）控制。亦称线性二次高斯方法汹】。因反馈控制律能用解析形式
表示，计算相对简单，控制效果好，因此，ＬＱＧ最优控制在车辆工程领域研究较多。ＬＱＧ模型是一个典型的最优控制模型，能很好地解决数据采集系统受环境噪声干扰以及某些状态变量无法准确测量时的最优控制力设计问题。
除以上３种控制算法外，还有其他控制算法，如模糊控制、神经网络等智能控制算法。在工程实际中，采用何种算法主要是根据磁流变减振器的动态性能、车辆的结构以及设计者追求的舒适性或越野机动性指标而进行取舍。目前，许多控制算法仍停留在数字仿真阶段，工程应用研究较少。在实车振动控制中，“天棚”阻尼连续控制和“天棚”阻尼ｏｎ－硪控制应用较多，但这两种算法控制效果不理想，应用前景有限。因此，国内外很多专家开始在实车上进行ＬＱＧ等最优控制算法方面的研究，这些算法的难点在于需要建立较复杂的数学模型以及需通过传感器获得精确的振动状态参量。
３．２基于磁流变阻尼振动控制的实车道路试验国外多家研究机构对基于磁流变减振器的不同车辆半主动悬挂系统进行了实车对比实验。
１）重型货车实车道路实验。１９９８年前后，弗吉尼亚大学对装有ＭＲＦ减振器的ＶｏｌｖｏＶＮ系列重型货车进行了实车道路实验Ｂ７｜，如图９所示。实验结果表明：采用“天棚”阻尼控制算法后，车前、后轮胎处加速度均方根值分别比原始被动减振器降低了５０％和３６％，车辆左右侧倾和前后俯仰的加速度均方根值降低了２６％。
图９ＶｏｌｖｏＶＮ重型货车道路试验
２）小型乘用客车实车道路实验。弗吉尼亚大学在２０００年对安装了ＭＲＦ半主动悬挂系统的ＦｏｒｄＥｘｐｅｄｉｔｉｏｎ小客车进行了实车道路实验ｍ】，如图ｌＯ所示。实验结果表明：轮胎处加速度均方根值比原始被动减振器降低了２０％，动行程均方根值降低了１３％。
３）军用越野车实车道路实验。美军坦克机动
游离龈
车辆工程中心（ＴＡＲＤＥＣ）设计的半主动悬挂系统取
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第２期张进秋，等：磁流变液及其应用研究综述５
图１０ＦｏｒｄＥｘｐｅｄｉｔｉｏｎ道路试验
得了较好的成绩ｍＪ，促使基于ＭＲＦ减振器的半主动悬挂系统成为美陆军提高军用车辆机动性的关注点，ＴＡＲＤＥＣ和ＲｏｄＭｉｌｌｅｎ特殊车辆厂共同研制了基于ＭＲＦ半主动悬挂系统的“悍马”军用越野车，并于２００３年１月在尤马试验场进行了实车道路实验ｍ】，如图１１所示。实验结果表明：与原始车辆相比，装有ＭＲＦ减振器的“悍马”车体加速度峰值减少了１０％～３０％，越野极限车速提高了３５％。
图ｌｌ“悍马”车
４）轮式装甲输送车实车道路实验。在采用基于ＭＲＦ减振器半主动悬挂系统的“悍马”军用越野车试验成功后，美军又在２００５年研制了基于“Ｓｔｒｙｋ—ｅｒ”轮式装甲输送车的ＭＲＦ半主动悬挂系统，如图１２所示。实车道路实验结果表明：与原车相比，装有ＭＲＦ减振器的“Ｓｔｒｙｋｅｒ”轮式装甲输送车越野极限车速提高了７２％，车辆的侧倾率降低了３０％【３１｜，大幅度提高了
越野机动性及操控稳定性。
图１２Ｓｔｒｙｋｅｒ步兵输送车
由以上实验可以看出：基于磁流变阻尼的半主动悬挂系统能有效降低高速行驶时车体振动幅度，从而提供良好的乘坐舒适性、操纵稳定性和越野机动性。磁流变减振器可靠性高、功率小，且具有“Ｆａｉｌ－ｓａｆｅ”特性，是变阻尼悬挂系统重要发展方向之一。国外，特别是美军，在ＭＲＦ半主动悬挂系统方面进行了深入的实车实验研究，实验结果促使各国专家对ＭＲＦ减振器在军用车辆、豪华轿车和重型货车悬挂系统上的应用更加关注。
４研究工作展望
磁流变液及其器件在机械、交通、舰船、航天、车辆、建筑等军用和民用领域具有广泛的应用前景，展望未来，其研究工作主要有以下几个方面。
１）新型ＭＲＦ材料研究。磁流变液材料在近１０年取得了重大进展，已有商业化的产品出现。由于高新技术的飞速发展，传统的ＭＲＦ材料不能完全满足工程领域的技术要求。例如：适用于高温、低温环境下的专用磁流变材料，在高频、高速振动环境下的特殊磁流变材料等。这就要求新型ＭＲＦ材料向多功能化、高性能化的方向发展。
２）新型ＭＲＦ减振器研究。新型减振器要求在多种工况条件下，保持较高的阻尼动态变化范围，且变阻尼迟滞时间要尽可能短。为配合振动控制策略所需的振动状态参数监测与获取，采用ＢＩＴ设计将加速度、阻尼力、温度等传感器嵌入磁流变减振器之中，这样可以大大降低磁流变减振器工程应用的难度，对推动工程应用意义重大。
３）基于磁流变阻尼的半主动振动控制算法研究。前述控制算法在应用于磁流变阻尼半主动振动控制悬挂系统中取得了较好的效果，但是由于这些控制策略多数来源于经典控制理论，对磁流变阻尼振动控制存在“水土不服”的问题，因此如何根据磁流变阻尼特有的性质与特点对振动控制策略进行创新研究将成为很有发展前途的研究方向。
参考文献：
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ＰａｒｔｉｃｌｅＳｉｚｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ：ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＳｅｒｉｅｓ，２００９，
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［４］Ｃ目ＬｒｌｇｏｎＪＤ，Ｗｅｉ硒ＫＤ．ＭａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓＢａｓｅｄＡｌｌｏｙＰａｒｔｉｃｌｅｓ：Ｕｓ，５３８２３７３【Ｐ］．１９９５．
［５】ＣｈｏｉＨＪ，ＰａｒｋＢＪ，ＹｏｕＪＬ，ｅｔａｉ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄ
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