弓建權(quán)，李亮，杜亞林，徐磊

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一種新型的磁流變閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)＊

弓建權(quán)，李亮，杜亞林，徐磊

（山西大學(xué)，山西 太原 030006）

以往的磁流變閥結(jié)構(gòu)對(duì)磁力線的利用程度并不高，真正產(chǎn)生效果的只有兩段區(qū)域。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了一種新型的磁流變閥結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的磁路，使磁力線能夠多次經(jīng)過(guò)液流間隙，增加了阻尼力的作用范圍。對(duì)可雙向流動(dòng)的磁流變閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了ANSYS仿真，仿真結(jié)果表明，提出的結(jié)構(gòu)對(duì)磁力線的利用程度大大增加。

磁流變；流量閥；磁路設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于磁流變液具有剪切屈服應(yīng)力連續(xù)可調(diào)、響應(yīng)快、耐久性好和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)基于磁流變效應(yīng)的阻尼器件已漸漸被國(guó)內(nèi)外研究者們所重視，并被不斷開(kāi)發(fā)。

對(duì)磁流變液效應(yīng)的應(yīng)用目前主要存在三種方式，分別為剪切模式、流動(dòng)模式、擠壓模式。因?yàn)榕c磁流變液流動(dòng)方向平行的磁力線分量對(duì)磁流變效應(yīng)貢獻(xiàn)很小，而與磁流變液流動(dòng)方向垂直的磁力線分量對(duì)磁流變液的貢獻(xiàn)比較大，同時(shí)存在幾乎可以不考慮平行方向的磁力線分量。所以，在此類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要盡量用剪切模式和流動(dòng)模式兩種，這里我們運(yùn)用流動(dòng)模式。磁流變液效應(yīng)的工作模式如圖1所示。

圖1 磁流變液效應(yīng)的工作模式

1 磁流變閥的結(jié)構(gòu)原理

1.1 新結(jié)構(gòu)的提出

以前的磁流變閥原理如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)對(duì)磁力線的利用僅有2個(gè)區(qū)域。我們?cè)O(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)如圖3所示，磁流變閥對(duì)磁力線的利用區(qū)域從2個(gè)增加到了4個(gè)。

圖2 以前的磁流變閥原理圖

1.2 新結(jié)構(gòu)的建模

本文提出的磁流變閥3D結(jié)構(gòu)如圖4所示。磁流變閥由活塞蓋、擋圈、擋板、支撐塊、活塞殼、閥芯、外活塞壁和內(nèi)活塞壁組成。其中，磁力線由閥芯上段開(kāi)始，經(jīng)磁流間隙，到外活塞壁1，再經(jīng)過(guò)磁流間隙，到內(nèi)活塞壁2，又經(jīng)過(guò)磁流間隙，到外活塞壁3，然后到閥芯下端，經(jīng)閥芯到閥芯上端形成回路。其中，外活塞壁1、內(nèi)活塞壁2、外活塞壁3和閥芯采用高導(dǎo)磁材料（20#鋼）。內(nèi)活塞壁1、外活塞壁2和內(nèi)活塞壁3 及剩余外部框架采用不導(dǎo)磁材料（304#鋼）。

2 磁流變響應(yīng)的模擬與仿真

ANSYS軟件的電磁場(chǎng)分析提供的分析類(lèi)型非常重要，具有強(qiáng)大的仿真功能，它以Maxwell方程組作為分析的出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)有限元方法計(jì)算未知量，主要是磁位或磁通，還有電感、電容、磁通量密度、渦流等。本文利用了ANSYS/EMAG模塊中的電磁分析能力，對(duì)本文提到的可雙向流動(dòng)的磁流變閥建立實(shí)體模型進(jìn)行磁路仿真。

對(duì)240匝線圈分別施加0.5 A、1 A、1.5 A、2 A電流刺激，磁流變閥磁路仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看到，磁力線基本上按照設(shè)想中的路徑走，磁場(chǎng)分布也比較飽滿。如下為磁流變閥的新舊結(jié)構(gòu)仿真對(duì)比。

圖4 本文提出的磁流變閥3D結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 磁流變閥磁路仿真結(jié)果

漏磁現(xiàn)象可以通過(guò)減小磁流間隙或者加寬阻磁環(huán)來(lái)消除，但是考慮到磁流間隙太小會(huì)影響阻尼器初始阻尼力的大小，太小的間隙使加上磁場(chǎng)后阻尼器效應(yīng)力相對(duì)不太明顯，阻磁環(huán)太寬又會(huì)使磁場(chǎng)作用于磁流變液的有效面積降低，也會(huì)削弱其效應(yīng)力。權(quán)衡三者，決定優(yōu)化部分結(jié)構(gòu)。求解沿定義直線將磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行映射運(yùn)算，對(duì)磁場(chǎng)作用的每段有效面積的值求平均值得出接通不同電流下的磁場(chǎng)強(qiáng)度。通過(guò)Bingham模型，磁流變阻尼器產(chǎn)生的阻尼力可以表示為：

式（1）中：p為磁流變液受壓強(qiáng)有效面積；為磁流變液沒(méi)有磁場(chǎng)作用時(shí)的黏度；為流進(jìn)磁流變閥的磁流變液的單位時(shí)間體積流量，每秒幾cc；為磁流變有效間隙；為阻尼間隙厚度尺寸；為閥芯截面半徑；y為磁流變液剪切屈服應(yīng)力；sgn為signum函數(shù)。

再根據(jù)MRF-J01型磁流變液的剪切屈服應(yīng)力y與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間關(guān)系特性擬合曲線得到本模型在不同電流下磁流變液流動(dòng)剪切屈服應(yīng)力y.

磁流變液（型號(hào)：MRJ-01）的屈服應(yīng)力y與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間關(guān)系特性曲線為：

式（2）中：y（）為磁流變液（型號(hào)：MRJ-01）隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的磁流變液剪切應(yīng)力。y5=4.583×103kPa/5，y4=﹣5.700×103kPa/4，y3=1.486×103kPa/3，y2=3.630×103kPa/2，y1=2.628 kPa/，y0=2.100×10-2kPa。

隨后計(jì)算磁流變閥Bingham曲線結(jié)果。舊結(jié)構(gòu)磁流變液阻尼器受幅值為10 mm、頻率為0.5 Hz的正弦位移激勵(lì)時(shí)的可控阻尼力特性如圖6所示。設(shè)計(jì)的磁流變液阻尼器受幅值為10 mm、頻率為0.5 Hz的正弦位移激勵(lì)時(shí)的可控阻尼力特性如圖7所示。

圖6 舊結(jié)構(gòu)磁流變液阻尼器受幅值為10 mm、頻率為0.5 Hz的正弦位移激勵(lì)時(shí)的可控阻尼力特性

圖7 設(shè)計(jì)的磁流變液阻尼器受幅值為10 mm、頻率為0.5 Hz的正弦位移激勵(lì)時(shí)的可控阻尼力特性

如圖6和圖7所示，舊結(jié)構(gòu)的阻尼力在0.5 A、1 A、1.5 A和2 A時(shí)的最大值分別為3 N、12 N、22 N、28 N，本文設(shè)計(jì)的磁流變閥阻尼力在0.5 A、1 A、1.5 A和2 A時(shí)的最大值分別為9 N、21 N、36 N、54 N。本文設(shè)計(jì)的磁流變閥阻尼力的最大值大約是舊結(jié)構(gòu)磁流變閥的1.93倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的結(jié)構(gòu)對(duì)磁力線的利用程度大大增加。

3 結(jié)論

以往的磁流變閥結(jié)構(gòu)對(duì)磁力線的利用程度并不高，真正產(chǎn)生效果的只有兩段區(qū)域。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們提出了一種新型的磁流變閥結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的的磁路，使磁力線能夠多次經(jīng)過(guò)液流間隙，增加了阻尼力的作用范圍，對(duì)它進(jìn)行了ANSYS仿真。本文設(shè)計(jì)的磁流變閥阻尼力的最大值是舊結(jié)構(gòu)磁流變閥的大約1.93倍。仿真結(jié)果表明，提出的結(jié)構(gòu)對(duì)磁力線的利用程度大大增加。

指導(dǎo)教師：徐磊

山西大學(xué)第十六期本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2018016453）

2095－6835（2019）02－0112－02

TH134

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.112

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕