胡國(guó)良，張海云，喻理梵

(華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013)

0 前言

磁流變液作為一種可控智能材料，其流變特性是隨外加磁場(chǎng)變化而變化的。磁流變閥是以磁流變液為工作介質(zhì)和磁流變效應(yīng)為控制原理設(shè)計(jì)的一種液壓智能控制元件。磁流變閥閥芯和閥體形成磁流變液流經(jīng)通道，通過(guò)改變外加電流的大小來(lái)改變液流通道內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而改變通道內(nèi)的磁流變液的黏度，形成不同的壓力差。由于磁流變閥采用電信號(hào)控制，無(wú)相對(duì)移動(dòng)部件，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)可靠，而且控制方便、響應(yīng)速度快，可以滿足對(duì)液壓系統(tǒng)和液壓元件的智能化、低能耗、高效率、高可靠性和環(huán)保的要求［1－2］。

基于磁流變液的流變特性，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)磁流變閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用付出了不懈努力。國(guó)外學(xué)者KORDONSKY等［3］使用磁流變閥及液壓缸構(gòu)成惠斯通橋臂結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制磁流變閥的通電相序?qū)崿F(xiàn)對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)方向的控制。GORODKIN等［4］提出了一種具有減震效果的磁流變節(jié)流閥模型，研究分析了模型在不同電流強(qiáng)度下的阻尼特性。SALLOOM等［5］利用磁流變閥構(gòu)成換向閥結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制4個(gè)磁流變閥勵(lì)磁電流的有無(wú)，實(shí)現(xiàn)12種工作狀態(tài)。美國(guó)馬里蘭大學(xué)的YOO等［6］提出了一種高效率的磁流變閥結(jié)構(gòu)，其閥芯直徑不大于25 mm，阻尼間隙厚度小于1 mm，響應(yīng)頻率能夠達(dá)到100 Hz。國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)光電學(xué)院的王代華等［7－8］提出了一種同時(shí)具有圓環(huán)形和圓盤(pán)形阻尼間隙的磁流變閥，并對(duì)其進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真分析對(duì)比和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。湖北工學(xué)院的陳鋼等人［9］將磁流變液用于減壓閥的設(shè)計(jì)，給出了其數(shù)學(xué)模型，并對(duì)新型減壓閥進(jìn)行了仿真研究。也有學(xué)者對(duì)雙線圈型磁流變閥壓降特性進(jìn)行了相關(guān)仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究［10－12］。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外關(guān)于磁流變閥結(jié)構(gòu)方面的研究很多，有單線圈、雙線圈甚至三線圈型磁流變閥，也有圓環(huán)式和圓盤(pán)式阻尼通道的磁流變閥，但這些磁流變閥的阻尼間隙均是固定的，只能適度通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈中電流大小來(lái)控制閥進(jìn)出口壓差，導(dǎo)致調(diào)壓范圍有一定局限性。鑒于此，文中設(shè)計(jì)了一種單線圈阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥，該磁流變閥阻尼間隙可在1.0～2.0 mm范圍內(nèi)機(jī)械可調(diào);同時(shí)搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行壓降性能測(cè)試分析。

1 阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為所設(shè)計(jì)的阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥結(jié)構(gòu)原理圖，主要由閥芯、鎖緊螺母、閥套、閥體及端蓋等主要部件組成。閥套上繞有勵(lì)磁線圈，線圈的引線由閥體上的小孔引出。通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥芯在閥體中的軸向位置可調(diào)整阻尼間隙厚度。當(dāng)阻尼間隙厚度確定好后，可通過(guò)旋緊鎖緊螺母固定閥芯軸向方向的移動(dòng)，保準(zhǔn)阻尼間隙厚度。

圖1 阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥結(jié)構(gòu)原理圖

圖2所示為可調(diào)式磁流變閥的兩種極限工作狀態(tài)示意圖。從圖2(a)可知，旋轉(zhuǎn)閥芯使得閥芯軸向長(zhǎng)度離右端蓋距離最大 (l=lmax)時(shí)，此時(shí)阻尼間隙處厚度達(dá)到最小，hmin=1 mm。反之，如圖2(b)，旋轉(zhuǎn)閥芯使得閥芯軸向長(zhǎng)度離右端蓋距離最小 (l=lmin)時(shí)，此時(shí)阻尼間隙處厚度達(dá)到最大，hmax=2 mm。

圖2 阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥兩種極限工作狀態(tài)

圖3所示為閥套錐面與閥芯錐面之間間隙形成液流通道及其關(guān)鍵尺寸，由幾何關(guān)系可知阻尼間隙厚度的表達(dá)式為:

式中:hmin為最小阻尼間隙厚度;l為閥芯伸出右端蓋的長(zhǎng)度;lmax最小阻尼間隙厚度時(shí)閥芯伸出右端蓋的長(zhǎng)度;θ為閥芯錐面的半錐角。

圖3 阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥關(guān)鍵尺寸

由圖2和方程 (1)可知，所設(shè)計(jì)的磁流變閥阻尼間隙厚度與閥芯伸出右端蓋的長(zhǎng)度成反比。因此旋轉(zhuǎn)閥芯，調(diào)節(jié)閥芯在閥套中的軸向位置即可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁流變閥阻尼間隙厚度的調(diào)節(jié)。確定阻尼間隙的厚度后，向磁流變閥的勵(lì)磁線圈中導(dǎo)入一定大小的電流，由于電磁感應(yīng)，閥體、閥套、阻尼間隙及閥芯形成電磁回路 (圖1及圖2中虛線所示)，阻尼間隙內(nèi)將形成一定大小的感應(yīng)磁場(chǎng)且方向與阻尼間隙基本垂直，使流經(jīng)磁流變閥阻尼間隙的磁流變液產(chǎn)生磁致剪切屈服應(yīng)力，從而產(chǎn)生進(jìn)/出口壓力差。通過(guò)控制電流大小、閥芯位置即可控制進(jìn)/出口壓力差。

表1為阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)值。圖4為根據(jù)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要參數(shù)值加工出的磁流變閥主要元器件圖及實(shí)體圖。

表1 磁流變閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)值

圖4 阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥實(shí)物圖

2 阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥測(cè)試平臺(tái)介紹

圖5所示為搭建好的磁流變閥性能測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)主要包括LabVIEW測(cè)試系統(tǒng)電氣部分和磁流變液壓回路兩大部分。其中LabVIEW測(cè)試系統(tǒng)電氣部分由計(jì)算機(jī)、采集卡、電源、壓力傳感器Ⅰ及壓力傳感器Ⅱ構(gòu)成;液壓回路部分由齒輪泵、磁流變閥、溢流閥Ⅰ、溢流閥Ⅱ及油箱構(gòu)成。定量齒輪泵作為測(cè)試平臺(tái)動(dòng)力源;壓力傳感器Ⅰ、Ⅱ分別連接在被測(cè)磁流變閥進(jìn)口和出口處，檢測(cè)進(jìn)口壓力和出口壓力;溢流閥Ⅰ作為安全閥保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)，溢流閥Ⅱ模擬負(fù)載工況同時(shí)需要預(yù)先設(shè)定調(diào)節(jié)好;電源Ⅰ、Ⅱ分別用來(lái)給壓力傳感器Ⅰ、Ⅱ供電，以及用來(lái)給待測(cè)磁流變閥中的勵(lì)磁線圈供電;數(shù)據(jù)采集卡可實(shí)時(shí)采集壓力傳感器Ⅰ、Ⅱ中磁流變閥進(jìn)出口壓力值;計(jì)算機(jī)用來(lái)顯示、收集及分析處理磁流變閥測(cè)試結(jié)果。

圖5 磁流變閥性能測(cè)試平臺(tái)

2.2 阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

圖6(a)—(c)所示為阻尼間隙分別調(diào)至1.0、1.5、2.0 mm時(shí)，磁流變閥在不同電流下進(jìn)出口壓力及壓差變化情況。

圖6 不同阻尼間隙時(shí)磁流變閥壓力變化

實(shí)驗(yàn)前，先調(diào)節(jié)設(shè)定好溢流閥Ⅱ的壓力作為模擬負(fù)載，從圖6可看出，隨著電流的增大，磁流變閥進(jìn)口壓力逐步增大，出口壓力則基本保持不變，進(jìn)而磁流變閥的進(jìn)出口壓差逐步增大。這主要是隨著勵(lì)磁電流的增大，磁流變閥阻尼間隙內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，磁流變液的剪切屈服強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，使進(jìn)口壓力及壓差不斷增大。

圖7(a)— (c)為磁流變閥在阻尼間隙分別為1.0、1.5、2.0 mm時(shí)，磁流變閥進(jìn)出口壓差與不同模擬負(fù)載的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥Ⅱ設(shè)定3種典型的模擬負(fù)載，從圖中看出，不同模擬負(fù)載下，磁流變閥的進(jìn)出口壓差曲線幾乎重合，都是隨著通入勵(lì)磁線圈中電流的增大而增大，即磁流變閥進(jìn)出口壓差變化與施加負(fù)載的大小無(wú)關(guān)，同時(shí)也說(shuō)明磁流變閥的性能比較穩(wěn)定。

圖7 不同模擬負(fù)載下磁流變閥壓差變化

圖8(a)— (c)為阻尼間隙分別為1.0、1.5、2.0 mm時(shí)，電流按0～1.8 A和1.8～0 A的加載和卸載兩種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖8 不同阻尼間隙閥的壓差滯回曲線

由圖可知，兩條曲線不重合，具有一定弓形形狀，顯示出滯回曲線受到了一定的剪切滑移影響，且在這3種阻尼間隙厚度下，滯回百分比表示為相同電流時(shí)兩條滯回曲線之間差值除以相應(yīng)最大壓差值，約為10%。這是由于在磁場(chǎng)作用下磁流變液產(chǎn)生磁致剪切屈服應(yīng)力所引起的。

圖9為阻尼間隙在1.0、1.5、2.0 mm時(shí)，磁流變閥進(jìn)出口壓差曲線，可以看出在同一阻尼間隙厚度下閥的進(jìn)出口壓差隨著勵(lì)磁電流的增大而增大;而隨著阻尼間隙厚度變小，在相同勵(lì)磁電流下閥的進(jìn)出口壓差越大。

圖10表示磁流變閥在1.0～2.0 mm阻尼間隙可調(diào)范圍內(nèi)壓差調(diào)節(jié)范圍。由圖可知，閥的壓差可調(diào)范圍即陰影部分范圍內(nèi)，介于130～1 100 kPa之間。

圖9 不同阻尼間隙閥進(jìn)出口壓差對(duì)比圖

圖10 磁流變閥壓差可調(diào)范圍

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種新型阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥，并搭建了測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)性能測(cè)試，得出以下相關(guān)結(jié)論:

(1)同一阻尼間隙厚度下閥的進(jìn)出口壓差隨著勵(lì)磁電流的增大而增大;而隨著阻尼間隙厚度變小，在相同勵(lì)磁電流下閥的進(jìn)出口壓差越大。

(2)磁流變閥進(jìn)出口壓差與施加負(fù)載大小無(wú)關(guān)，主要由施加在勵(lì)磁線圈上的電流大小決定。

(3)磁流變閥的工作性能很大程度上取決于所選用的磁流變液的性能好壞，這尤其對(duì)壓差范圍有較大影響，此次實(shí)驗(yàn)所測(cè)閥的壓差可調(diào)范圍為130～1 100 kPa。

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