第４期（总第１６１期） ２０１０年８月 机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ Ｎｏ．４ Ａｕｇ． 文章编号：１６７２—６４１３（２０１０）０４—０２０７—０２ 磁流变液技术及其应用 王 慧，杨臻，韩世俊 ０３００５１） （中北大学机电工程学院，山西 太原摘要：磁流变液是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的新型智能流体，具有屈服应力高、温度适用 性强、响应时间短、稳定性好、电压需求低等优点 介绍了磁流变液技术在汽车、土木、机械、航空航天等领 域的工程应用现状和发展前景。 关键词：磁流变液；应用；特性 中图分类号：ＴＢ３８１ 文献标识码：Ａ ０ 引言 剪切模式和流动模式［３］。 ２．１剪切工作模式 １９４８年美国国家标准局Ｒａｂｉｎｏｗ Ｊ首先提出了 磁流变效应（ＭＲＥ）的概念：在外加磁场的作用下，流 剪切模式是上、下极板以相对速度平行运动，如 图１所示。外加磁场垂直于极板相对运动方向，磁流 体的黏度会迅速发生显著变化，其表观黏度可增大两 个数量级以上，使得流体的流动屈服应力增大，由流 变液在两相对运动的极板间流动，形成剪切变形。外 加磁场受激励电流或电压控制，通人不同的电流将产 生不同的磁场强度，其相应的剪切屈服应力强度也会 体状态转变成为黏塑性状态，呈现出类似固体的力学 性质，从而改变其流变特性；但当去掉外加磁场后，流 体又从黏塑性状态迅速恢复到原来的流体状态，其中 的响应时间仅为几毫秒＿１］。磁流变液具有这种独特的 智能特性，且具有较高的屈服应力、温度适应性强、响 应时间短、稳定性好、低电压需求等优点，引起了学 术界和工程界的极大关注。 １磁流变液的组成及其特性 随之变化，因此可以通过改变电流或电压值的大小来 控制阻尼力的大小。 Ｓ极 力 磁流变液主要由软磁性颗粒、载液、稳定剂组成。 根据组成和性能的不同，可将磁流变液分为微米磁性 颗粒一非磁性载液型、纳米磁性颗粒一非磁性载液型、 非磁性颗粒一磁性载液型、磁性颗粒一磁性载液型１－２３。 磁流变液（ｍａｇｎｅｔｏ—ｒｈｅｌｏｇｉｃａｌ ｆｌｕｉｄｓ，简称ＭＲＦ） 是一种可以通过控制外加磁场而变化的液体，在外加 磁场作 区 图１剪切工作模式图 ２．２流动工作模式 流动模式是上、下极板固定不动，流体以一定速度 磁场作用下能在瞬间（毫秒级）从自由流动的流体转变 为半固体，呈现可控的屈服强度，而且这种变化具有 可逆性，电磁场对磁流变液特性的这种影响称为磁流 变效应。 ２磁流变液的工作模式 流过极板间隙，如图２所示。外加磁场同样垂直于极板 方向，磁流变液在相对静止的极板问运动，磁流变液在 流经极板间隙产生的压力差受到外界磁场的控制。 ３磁流变液技术的应用现状 ３．１磁流变技术在汽车制造行业中的应用 在国外，磁流变技术应用较为成熟的是美国的 根据磁流变液流动特性的不同，磁流变液减振器 的工作模式有多种，但它们都基于两种工作模式，即 ＊太原市科技明星专项基金资助（０９１２１００８） 收稿日期：２００９—１１－２４；修回日期：２０１０—０３—１６ Ｌｏｒｄ公司，他们通过分析磁流变液的特性，指出磁流 作者简介：王慧（１ ９８７一），女，山东定陶人，在读硕士研究生，研究方向：火炮、自动武器与弹药工程。 ・２０８・ 机械工程与自动化 ２０１０年第４期 变液在各方面都具有优于电流变液的独特智能性，在 国际上开辟了磁流变液研究的先河，开发的流动模式 汽车座椅悬架减振器已用于大型载重汽车司机座椅半 主动减振系统中，提高了汽车的行驶平顺性和操作稳 定性 ；Ｄｅｌｐｈｉ公司的ＭａｇｎｅＲｉｄｅ半主动悬架控制系 统是汽车产业首次采用不带机电控制阀和不使用小运 动部件的半主动悬架系统，是由以磁流变液介质为基 础的柱式减振器、传感器和车载控制器构成的，可以 提供快速、平顺和连续可变的阻尼力，使车辆减少车 身振动并增加轮胎与各种路面的附着力，使驾驶者能 获得更好的行驶性能、安全性、舒适性和可靠性［５］。 力 Ｎ极 磁杨作用区 图２流动工作模式图 在国内，汽车行业和研究机构也进行了大量的工 作，国家在资金上也给予了一定的支持。重庆大学余 淼对基于动觉智能图式的汽车磁流变半主动悬架仿人 智能控制器进行了研究；重庆大学董小闵研究了汽车 磁流变液一弹耦合碰撞缓冲系统不确定时滞动力学行 为及仿人自适应控制；浙江大学梅德庆等人发明了一 种微型汽车磁流变智能减振器，配上控制器则可以根 据实际路况自动调节阻尼特性，实现微型汽车智能减 振的效果【６］。 ３．２在土木工程中的应用 在土木工程中，传统的抗震设计是通过增强结构 本身的抗震性能来抵抗地震作用的，但是这种抗震方 式缺乏自我调节能力。随着磁流变液技术的日趋成熟， 人们利用磁流变技术对结构振动进行控制，即对结构 施加控制机构，由智能控制机构和结构共同承受自然 灾害对建筑物的作用以协调和减轻结构的振动反 应啪。大型磁流变阻尼器在大跨斜拉桥、建筑结构中的 使用，实现了对受自然界影响产生的振动的有效控制。 如日本的Ｔａｋｅｎａｋａ实验大楼和Ｋａｎｋｙｎ ｃｈａｎｙａｍｅｃｈｉ 大楼等是主动控制在土木工程中的应用；Ｓａｃｋ和 Ｐａｔｔｅａ将可变阀式流体阻尼器应用于Ｏｋｌａｈｏｍａ州的 １３５号州际高速公路桥的振动控制中 ］。 国内磁流变技术的应用也很成功，陈政清等在岳阳 洞庭湖大桥上成功开发并安装的磁流变式拉索减振系 统，实现了对拉索风雨振动和其他振动的有效抑制；欧 进萍等人在山东滨州黄河公路大桥上也成功地安装了 磁流变液阻尼器；东南大学孟少平针对地震和强风等灾 害作用进行了结构减振控制高科技探索和系统集成技 术的研究，发展城市建（构）筑物耗能减振与智能控制技 术和装置，以提升城市建（构）筑物抗震抗风安全性。 ３．３磁流变技术在其他方面的应用 宾夕法尼亚州立大学的研究人员将直升飞机旋转 叶片的传统液力阻尼器改为磁流变阻尼器，有效地抑 制了叶片的共振，极大地减少直升机飞行姿态和气候 变化对飞机和驾乘人员的威胁Ｌ９ ；哈尔滨工程大学姚 熊亮等人研发了一种基于磁流变技术的抗冲减振装 置，它借助包括计算机在内的控制系统可对磁流变阻 尼器的阻尼进行智能调节，可在任意频段内获得较低 的振幅和力传递率，克服了传统无源减振装置对于固 有频率附近的激励力不起减振作用、不抗击冲击力的 缺点，实现了对船舶振动冲击的减振控制［１ ；在机器 人领域，利用磁流变技术可以制造出作用力大、响应 快、动作灵活、无磨损、易于控制的活动关节，这比 传统的电一液控制关节更加优越Ｌ１ 。 ４磁流变技术的应用展望 ４．１磁流变技术用于火炮后坐力的控制 传统的弹簧式反后座结构存在重量大、易疲劳的 缺点，液体气压式反后座结构中气体的工作特性随温 度变化较大，必须经常检查液量和气压，加重了后勤 保障的负担。磁流变技术实现了对火炮后坐力的半主 动控制，所需能量小，反应时间可以达到毫秒级Ｌ１引，使 火炮在战争中能够更加快速、准确、有效地对目标进 行打击。 ４．２磁流变技术用于重载汽车的减振系统 重载汽车尤其是在矿区使用的重载汽车，在装载行 驶过程中受到剧烈的冲击振动，工作环境恶劣对汽车悬 架装置和车架都会产生很大的作用力。传统矿用汽车广 泛采用套筒式悬架装置，耗能大，成本高，可靠性差［１引。 而采用磁流变技术的半主动悬架控制则不需外部能源 提供控制力，就可以实时将传感器得到的信号反馈到控 制系统，通过控制电流或电压来实现对阻尼力大小的控 制，该系统具有较好的可靠性和较强的适应性，可以有 效地提高重载汽车在恶劣路况上的安全性和平顺性，因 此其在重载汽车中的应用前景广阔。 ５ 结束语 磁流变液是２１世纪最具发展潜力的新型智能流 体，世界上主要几个工业国家竞相研究其特性并将其 广泛用于各工程领域。虽然磁流变技术在汽车、建筑、 兵器和航空航天领域已经成功应用，但也面临着许多 技术问题，如磁流变液的性能待优化，需要开发零场 黏度低、磁场作用下屈服应力大、温度稳定范围宽、响 应时间短的材料；需要开发阻尼力可调范围大、适应 性强的阻尼器，同时解决密封难、对阻尼器工作缸和 活塞的冲刷等问题；鉴于磁流变液本身的智能特点，开 发鲁棒性好的智能控制系统。 （参考文献和英文摘要转第２１１页） ２０１０年第４期 机械工程与自动化 ・２１１・ 实际相结合，安全可靠，易于推广。 求量的急剧增加，焊工的培训市场将会很大。焊工培 ４结论 训是一个高成本的工作，故降低成本、改善培训环境 焊工操作培训智能计算机系统的成功开发与应 将会增加培训机构的市场竞争力，因此焊工操作培训 用，对培训各方而言都是有益的。焊工操作培训智能 智能计算机系统将会有极好的市场前景。 计算机系统为学员提供了一个更加宽松、安全的学习 参考文献： 环境，学员在智能系统和真实的焊接中自主地转换，改 ［１］薛金宝，邹林，陈小艺，等．焊接操作计算机模拟系统的研 进了学员的操作技能，使他们能更好地理解焊接的姿 究与开发［Ｊ］．焊接技术，２００５（ｓ１）：１４—１７． 态动作要领。与此同时，“实时操作”的实时反馈和交 ［２］ 刘胜长，张翌呖，姜海．手工电弧焊操作模拟训练系统研 互式的教学工具为培训老师提供了控制分析和监督培 究［Ｊ］．科学创新导报，２００９（１３）：８９． ［３］ Ｍａｖｒｉｋｉｏｓ Ｄ，Ｋａｒａｂａｔｓｏｕ Ｖ，Ｆｒａｇｏｓ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ａ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ 训的工具。此外，焊工培训操作智能计算机系统的成 ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ－ｂａｓｅｄ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｉｍｍｅｒｓｉｖｅ ａｎｄ 功应用使得培训成本大大降低，缩短了初级培训的周 ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ［Ｊ］． 期，提高了操作的安全性。 Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ 随着我国职业技能鉴定工作的不断深入，焊工需 Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００６，１９（３）：２９４—３００． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｗｅｌｄｅｒ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｔｒａｉｎｉｎｇ ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ—ｙａｎ，ＷＵ Ｚｈｉ—ｓｈｅｎｇ，ＬＩ Ｓｉ—ｑｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｗｅｌｄｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔＯ ｔｒａｉｎ ｗｅｌｄｅｒｓ ｃａｎ ｓａｖｅ ｔｈｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｆｕｎｄｓ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｗｅｌｄｅｒ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｗｅｌｄｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｉｓ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｅｌｄｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ （上接第２０８页） 安建筑科技大学，２００３：１－１０． 参考文献： ［８］欧进萍．结构振动控制一主动、半主动和智能控制［Ｍ］．北 ［１］杨小卫．磁流变减振器磁路分析及磁流变半主动悬架控 京：科学出版社，２００３． 制策略研究ＥＤ］．重庆：重庆大学，２００７：２－２０． ［９］张红辉，廖昌荣，刘永贵，等．磁流变阻尼技术及其在军用 ［２］汪建晓，盂光．磁流变液研究进展［Ｊ］．航空学报，２００３，２３ 装备系统中的应用［Ｊ］．兵器材料科学与工程，２００６，２９ （１）：６—１２． （４）：６５－６９． ［３］张思才，徐友钜，廖昌荣．微型汽车悬架系统磁流变减振 ［１Ｏ］姚熊亮，杨志国，邓忠超，等．基于磁流变技术的抗冲减 器研究Ｉ－Ｊ］．西南交通大学学报，２００２，３７（ｓ１）；５－８。 振装置：中国，ＣＮ２００５２００２１４６３．２［Ｐ］，２００６—０９—１３． ［４］李云红，柳学全，滕荣厚，等．磁流变液减振器［Ｊ］．金属功 ［１１］周云，谭平．磁流变阻尼控制理论与技术［Ｍ］．北京：科学 能材料，２００５，１２（２）：３８ ４１． 出版社，２００７． ［５］ 阡陌．德尔福磁流变液减振器［Ｊ１．汽车与配件，２００４（１３）： ［１２］杨臻，邱阳，李强．磁流变液技术在自动武器上的应用前 ３８—３９． 景［Ｊ］．华北工学院学报，２００１，２２（３）：１９４ １９７． ［６］梅德庆，孔天荣，陈子辰．微型汽车磁流变智能减振器：中 ［１３－１韩进．矿用载重汽车悬挂装置的技术特点［Ｊ］．露天采矿， 国，２００５１００６０２９８．６［Ｐ］，２００６～０２—０８． １９９】（３）：３９—４】． ［７］邸龙．磁流变阻尼器对建筑结构的减震研究［Ｄ］．西安：西 Ｍａｇｎｅｔｏ‘‘ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＷＡＮＧ Ｈｕｉ，ＹＡＮＧ Ｚｈｅｎ，ＨＡＮ Ｓｈｉ－ｊｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｇｎｅｔｏ—ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｌｕｉｄ（ＭＲＥ）ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｕｎｉｑｕｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．ｓｕｃｈ ａｓ ｈｉｇｈ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ，ｗｉｄｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ，ｓｈｏｒｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ，ｈｉｇｈ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｅｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ＭＲＥ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ，ｃｉｖｉｌ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｔｃ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｏ—ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｌｕｉｄ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ