一种磁流变阻尼器及在风载振动下的加载力控制方法与流程

技术特征：
1.一种磁流变阻尼器在风载振动下的加载力控制方法，应用在斜拉桥攀爬机器人上，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1、磁流变阻尼器安装：斜拉桥攀爬机器人为三轮机器人，包括三个滚轮、上机架和下机架；三个滚轮分别为o
a
、o
b
和o
c
；上机架的顶部安装滚轮o
a
，上机架底部和下机架中部相铰接，且铰接点为e；下机架的一端安装滚轮o
b
，下机架的另一端安装滚轮o
c
；磁流变阻尼器沿缆索长度布设，两端分别连接滚轮o
a
和o
b
；磁流变阻尼器与上机架之间的夹角为θ1，磁流变阻尼器与下机架之间的夹角为θ2；滚轮o
a
至铰接点e的距离为l2，滚轮o
c
至铰接点e的距离为l3；另外，磁流变阻尼器在当前t时刻对斜拉桥攀爬机器人沿自身轴向的加载力记为f
t
；步骤2、建立坐标系：坐标系包括拉索坐标系和机器人坐标系；其中，拉索坐标系以拉索的地面安装点为原点o，水平方向为x轴，竖直方向为y轴；拉索与水平方向的夹角为α；机器人坐标系则以斜拉桥攀爬机器人的中心为原点o，拉索张紧且平衡状态下沿拉索长度方向为x向，拉索张紧且平衡状态下垂直于拉索长度方向为y向；步骤3、建立f
t
、v
k
以及y(x,t)的风振模型，具体为：其中：n＝n
a
n
b
n
c
式中，v
k
为当前t时刻机器人的移动速度，为当前t时刻机器人的移动加速度；y(x,t)为拉索在当前t时刻且在机器人坐标系下y向的偏移位移；为拉索在当前t时刻且在机器人坐标系下y向的偏移加速度，为关于风速的函数，采用galerkin法求解得到；m为斜拉桥攀爬机器人的质量；n
a
、n
b
和n
c
分别为滚轮o
a
、o
b
和o
c
对拉索表面的夹紧力；n为三个滚轮对拉索表面的总夹紧力；f
fa
、f
fb
和f
fc
分别是三个滚轮的爬升驱动力；f为滚轮的滚动摩擦阻力；k
f
为风阻系数；步骤4、建立f
t
与b的调节模型，具体为：其中，τ＝p4b4 p3b3 p2b2 p1b p0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，k为磁流变阻尼器中弹簧的弹性系数；x为磁流变阻尼器中弹簧的初始形变量；x
′
为机器人爬升过程压缩弹簧产生的形变量；为机器人爬升过程压缩弹簧产生的形变加速度；d为磁流变阻尼器中活塞杆的直径；l为磁流变阻尼器中磁流变液通道的长度；τ为磁流变阻尼器中磁流变液的剪切屈服强度；b为磁流变阻尼器的磁感应强度；p0、p1、p2、p3和p4分别为多项拟合系数；
步骤5、测速：斜拉桥攀爬机器人在沿缆索爬升的过程中，实时检测爬升时的风速以及爬升速度；步骤6、调整f
t
：根据步骤5的风速和爬升速度，并结合步骤3建立的风振模型和步骤4建立的调节模型，计算得到对应的磁流变阻尼器的磁感应强度b；接着，通过调节磁感应强度b，进而调节加载力f
t
，使得滚轮压紧在拉索表面，避免出现打滑现象。2.根据权利要求1所述的磁流变阻尼器在风载振动下的加载力控制方法，其特征在于：步骤3中，采用galerkin法求解的方法，包括如下步骤：步骤31、求解f(x,t)，具体求解公式为：式中，f(x,t)为拉索在x位置且在当前t时刻所承受的风载荷；g为重力加速度；ρ为空气气流密度；u
s
为水平方向瞬时风速；u
s
为水平方向平均风速；d
c
为拉索横截面积；c
d
为拉索的阻力系数；c
l
为拉索的升力系数；δ为水平平均风速相对拉索的偏角；步骤32、求解q(t)：拉索底端通过拉索阻尼器与地面相连接，q(t)的具体求解公式为：式中，a为拉索阻尼器的已知质量矩阵，c为拉索阻尼器的已知阻尼矩阵，k为拉索阻尼器的已知刚度矩阵，φ
d
为拉索阻尼器对拉索的阻尼力；q(t)为拉索在当前t时刻且在机器人坐标系下y向的广义位移；为拉索在当前t时刻且在机器人坐标系下y向的广义速度；为拉索在当前t时刻且在机器人坐标系下y向的广义加速度；步骤33、建立y(x,t)与q(t)关系模型，具体为：式中，为拉索的一阶振型函数，取步骤34、求解根据步骤31至步骤33，求解得到y(x,t)，然后对y(x,t)进行二阶求导，得到3.根据权利要求1所述的磁流变阻尼器在风载振动下的加载力控制方法，其特征在于：步骤5中，斜拉桥攀爬机器人在沿缆索爬升的过程中，通过降低磁流变阻尼器的初始阻尼，从而增加斜拉桥攀爬机器人的越障能力。4.根据权利要求1所述的磁流变阻尼器在风载振动下的加载力控制方法，其特征在于：步骤6中，磁感应强度b的变化范围为0t到0.6t。5.一种磁流变阻尼器，其特征在于：包括活塞杆、缸筒、定位盘、导磁盘、绕线盘、励磁线圈和弹簧；缸筒同轴套装在活塞杆中部外周，缸筒的前端和后端均通过一个法兰盘与活塞杆密封滑动连接；导磁盘和绕线盘沿轴向紧密交错布设在缸筒内的活塞杆上，导磁盘和绕线盘的内圆周面与活塞杆之间形成磁流变液通道，磁流变腔体中充填有磁流变液；每个绕线盘上均绕设有励磁线圈，所有绕线盘上的励磁线圈相串联；定位盘同轴套设在位于前端法兰盘外侧的活塞杆上；
弹簧套设在缸筒外周，弹簧一端安装在定位盘上，弹簧另一端安装在位于后端的法兰盘上；定位盘的一端连接滚轮o
a
或o
b
，背离定位盘一侧的活塞杆连接滚轮o
b
或o
a
。6.根据权利要求5所述的磁流变阻尼器，其特征在于：导磁盘的数量为四个，绕线盘的数量为三个，导磁盘设置在相邻两个绕线盘之间以及绕线盘与法兰盘之间。7.根据权利要求5所述的磁流变阻尼器，其特征在于：通过改变励磁线圈中的绕线匝数n1和励磁电流i，进而调整磁流变液通道中的磁感应强度b，具体调整公式为：n1i＝bsr
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)式中，s为磁流变液通道的磁通面积，r
m
为磁路总磁阻。8.根据权利要求7所述的磁流变阻尼器，其特征在于：磁路总磁阻r
m
的计算公式为：r
m
＝r1 2r2 2r3 r4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)其中：其中：其中：其中：式中，r1为活塞杆磁阻；r2为导磁盘的磁阻；r3为磁流变液通道内的磁阻；r4为缸筒外壳内的磁阻；μ0为活塞杆的导磁率；μ1为磁流变液的导磁率；l
t
为导磁盘的轴向长度、l1为绕线盘的轴向长度；r1为缸筒外径；r2为缸筒内径；d为磁流变液通道的径向厚度。9.根据权利要求8所述的磁流变阻尼器，其特征在于：活塞杆直径d满足如下计算公式：式中，f为活塞杆承受的轴向力，[σ]为活塞杆材料的许用应力。10.根据权利要求5所述的磁流变阻尼器，其特征在于：磁流变液的型号为mrf
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132dg。

技术总结
本发明公开了一种磁流变阻尼器及在风载振动下的加载力控制方法，包括步骤1、磁流变阻尼器安装；步骤2、建立坐标系；步骤3、建立风振模型；步骤4、建立调节模型；步骤5、测速；步骤6、调整磁流变阻尼器的加载力。本发明通过建立振动环境下的拉索


技术研发人员：徐丰羽 常天水 林金星 吕凡
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2021.06.03
技术公布日：2021/10/19