一種磁流變液負(fù)載模擬器及其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及負(fù)載模擬器，具體涉及一種磁流變液負(fù)載模擬器及其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 負(fù)載模擬器是在實驗室條件下，模擬飛行器在飛行過程中所受空氣阻尼力矩的半 實物仿真裝置。它主要是給新型導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭等飛行器的舵機(jī)系統(tǒng)實施阻尼加載，是一個 典型的力矩伺服控制系統(tǒng)，在仿真實驗過程中模擬空氣阻尼力矩，并對舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實時 加載。舵機(jī)系統(tǒng)在進(jìn)行角位移伺服控制時承受負(fù)載模擬器系統(tǒng)對其施加的阻尼力矩。根據(jù) 兩者在模擬仿真試驗中承擔(dān)的不同角色，將負(fù)載模擬器系統(tǒng)稱為加載系統(tǒng)，將舵機(jī)系統(tǒng)稱 為承載系統(tǒng)。負(fù)載模擬器主要是接收控制計算機(jī)發(fā)出的控制信號，輸出飛行器在飛行過程 中舵機(jī)受到的空氣阻尼力矩，實時對飛行器舵機(jī)施加阻尼載荷，并且通過扭矩傳感器測量、 反饋實際的加載力矩，實現(xiàn)閉環(huán)控制，其獲取實驗仿真數(shù)據(jù)的過程簡單、速度快、可靠性高， 并且可以重復(fù)試驗，而且不需要像實彈打靶實驗?zāi)菢悠茐暮芏鄬嶒炘O(shè)備，可謂大大節(jié)省時 間、精力和財力，并且安全系數(shù)高，其優(yōu)越性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過早期的全實物試驗，已經(jīng)成為各種航 天、航空飛行器以及新型武器研發(fā)過程中所必備的實驗設(shè)備，使其受到越來越多的重視。
[0003] 目前社會上較多的是采用半主動控制的電液負(fù)載模擬器和采用主動控制的電動 負(fù)載模擬器。由于電液負(fù)載模擬器的使用要求較高（合適溫度、高電壓、低污染等），以致電 流變液負(fù)載模擬器受到了限制，而基于電動負(fù)載模擬器的主動控制系統(tǒng)需要提供給控制系 統(tǒng)巨大的能量。
[0004] 隨著智能材料研制的不斷進(jìn)步，新型智能材料一磁流變液，在克服沉降等問題后， 迅速發(fā)展成為當(dāng)今智能材料研究的熱門。利用磁流變液研制的負(fù)載模擬器性能優(yōu)良，其屈 服強(qiáng)度大、對溫度和雜質(zhì)不敏感、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛認(rèn)可。磁流變液負(fù)載模擬器不 僅擁有被動控制裝置的穩(wěn)定性與簡單性，而且可以接近甚至基本達(dá)到了主動控制系統(tǒng)的控 制效果，具有遠(yuǎn)優(yōu)于被動控制系統(tǒng)的廣泛的適應(yīng)性和有效性。同時，磁流變液負(fù)載模擬器本 質(zhì)上依然是阻尼設(shè)備，其工作過程完全不會向受控對象輸入能量，不存在導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失衡的 風(fēng)險，且在特殊情況下，即便失去能源供應(yīng)，依然能夠進(jìn)行有效的被動控制，具有優(yōu)良的故 障安全性能，因而在穩(wěn)定性及可靠性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于主動控制裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本申請通過提供一種磁流變液負(fù)載模擬器及其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法，模擬三種基本 的負(fù)載：恒功率、恒轉(zhuǎn)矩和通風(fēng)機(jī)負(fù)載，利用導(dǎo)磁環(huán)和隔磁環(huán)的組合形成曲線形磁通路徑， 在不增大負(fù)載模擬器體積的情況下增大了阻尼力矩；同時采用磁流變液的自密封技術(shù)，解 決現(xiàn)有技術(shù)中采用0型密封圈密封磁流變液引起的負(fù)載模擬器零磁場阻尼力矩增加，以及 長時間運(yùn)行導(dǎo)致密封圈過度磨損而造成的密封性降低的技術(shù)問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本申請采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0007] 本發(fā)明設(shè)計的負(fù)載模擬器需要模擬出三種基本負(fù)載：恒轉(zhuǎn)矩、恒功率、通風(fēng)機(jī)負(fù) 載，因此本發(fā)明選用旋轉(zhuǎn)式負(fù)載模擬器結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)式負(fù)載模擬器可分為圓盤式和圓筒式兩 種，由于圓盤式負(fù)載模擬器的勵磁線圈設(shè)置筒缸的缸體上，以致增加了其徑向尺寸，而圓筒 式負(fù)載模擬器將勵磁線圈設(shè)置在了負(fù)載模擬器內(nèi)部，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，在相同阻尼轉(zhuǎn)矩 輸出的情況下，圓筒型旋轉(zhuǎn)負(fù)載模擬器更加小巧，因此本發(fā)明將采用旋轉(zhuǎn)圓筒式磁流變液 負(fù)載模擬器，是一種基于剪切式工作模式的負(fù)載模擬器。
[0008] -種磁流變液負(fù)載模擬器，包括缸筒、設(shè)置在所述缸筒內(nèi)部的阻尼圓筒、與所述阻 尼圓筒連接的傳動軸以及繞制在所述阻尼圓筒上的勵磁線圈，所述傳動軸分別從所述缸筒 的兩端向外伸出，在所述缸筒與阻尼圓筒的工作間隙內(nèi)填充有磁流變液，在缸筒的兩端還 設(shè)置有用于密封所述磁流變液的密封機(jī)構(gòu)，其關(guān)鍵在于：所述阻尼圓筒與所述缸筒的側(cè)壁 均由導(dǎo)磁材料制成，所述缸筒的兩個端壁由隔磁材料制成，在所述缸筒的側(cè)壁上設(shè)置有N 個外隔磁環(huán)，N為大于或等于1的整數(shù)，在所述阻尼圓筒上設(shè)置有N+1個內(nèi)隔磁環(huán)，且所述 N+1個內(nèi)隔磁環(huán)緊貼所述勵磁線圈的外側(cè)并與所述N個外隔磁環(huán)錯落分布，使得所述勵磁 線圈形成曲線形磁通路徑。
[0009] 在現(xiàn)有技術(shù)中，在缸筒與阻尼圓筒之間的工作間隙中磁流變液只有一個有限的區(qū) 域可以保持所要求的磁場強(qiáng)度來激活磁流變液。由于磁場強(qiáng)度與磁通路徑的截面面積成反 t匕，而最大磁流變液間隙是有限的，因此，只能通過增加的制動半徑、線圈繞組和電流來獲 得更高的扭矩。一方面磁流變液所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力與通過流體的磁通成正比，如果增加線 圈的匝數(shù)和電流，磁通量將增加，這需要較粗的導(dǎo)線，導(dǎo)致負(fù)載模擬器尺寸增大；如果使用 更多更薄導(dǎo)線來增加匝數(shù)，將會導(dǎo)致導(dǎo)線過熱。另一方面制動轉(zhuǎn)矩也是流體間隙、轉(zhuǎn)子半徑 和寬度的函數(shù)，磁流變液相對磁導(dǎo)率是遠(yuǎn)小于低碳鋼，則工作間隙越小通過工作間隙中的 磁通量越大；增加轉(zhuǎn)子半徑提供更大的轉(zhuǎn)矩臂，剪切力被流體施加在轉(zhuǎn)子的表面上；此外， 如果增加轉(zhuǎn)子的寬度，施加剪切應(yīng)力的總表面面積將增加。因此，要增加的制動轉(zhuǎn)矩，磁流 變液工作間隙必須被最小化，而線圈的匝數(shù)、電流、轉(zhuǎn)子半徑和寬度的數(shù)目必須最大化，然 而這些因素都將會導(dǎo)致笨重的設(shè)計。
[0010] 針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明引入曲線形磁通路徑，不但充分利用了勵磁線圈外的 區(qū)域，還讓磁通穿過更多的磁流變液，來改善負(fù)載模擬器的阻尼/體積比，在不增大負(fù)載模 擬器體積的情況下增大了阻尼力矩，使得負(fù)載模擬器結(jié)構(gòu)更加緊湊有效。
[0011] 在現(xiàn)有技術(shù)中，磁流變液負(fù)載模擬器轉(zhuǎn)子與定子之間的密封常用〇型密封圈來密 封磁流變液。雖然這是一個很有效的防止液體泄漏的密封方法，但是0型密封圈為橡膠材 質(zhì)，無形中增加了零外加磁場狀態(tài)下的磁流變液負(fù)載模擬器的阻尼力矩，即增加了負(fù)載模 擬器的零磁場阻尼力矩。而且磁流變液還有鐵磁粒子，這對于0型密封圈來說是比較粗糙 的，長時間運(yùn)行時就會導(dǎo)致0型密封圈的過度磨損，以致負(fù)載模擬器漏液，使其不能正常運(yùn) 行，使用壽命大幅降低。
[0012] 因此，本發(fā)明引入了一種磁流變液自密封法，該磁流變液負(fù)載模擬器的密封機(jī)構(gòu) 為密封套，該密封套的內(nèi)壁開設(shè)有環(huán)形的凹槽，在所述凹槽中套有環(huán)形磁鐵，在所述密封套 與傳動軸之間的工作間隙中填充磁流變液。環(huán)形磁鐵產(chǎn)生的磁通將從外缸體穿過磁流變液 再穿過軸，形成環(huán)形磁通，磁流變液在受到磁感應(yīng)強(qiáng)度作用時，會產(chǎn)生剪切應(yīng)力，在此處構(gòu) 建了一個壓力差，防止磁流變液泄漏出去。這種設(shè)計沒有了固體之間的接觸摩擦，極大的減 小了零磁場作用時的摩擦阻尼力矩。
[0013] 進(jìn)一步地，所述密封機(jī)構(gòu)的外側(cè)還設(shè)置有用于安裝所述傳動軸的軸承機(jī)構(gòu)。
[0014] 進(jìn)一步地，為了在所述阻尼圓筒上設(shè)置內(nèi)隔磁環(huán)，本發(fā)明在所述勵磁線圈的外側(cè) 設(shè)置有導(dǎo)磁型的保護(hù)套，該保護(hù)套的外徑與所述阻尼圓筒的外徑相同，所述N+1個內(nèi)隔磁 環(huán)分段嵌設(shè)在所述保護(hù)套中。
[0015] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，便于磁流變液負(fù)載模擬器的加工制作，所述