磁流變數(shù)字閥研究

王慶輝，吳張永，王嫻，吳喜，溫成卓

(昆明理工大學機電工程學院，云南昆明650500)

隨著計算機技術和電子技術在液壓系統(tǒng)中的大量應用，液壓控制元件的數(shù)字化、智能化成為一種必然的趨勢[1]。磁流變液壓傳動技術是一種利用磁流變流體作為工作介質(zhì)的新型液壓技術。磁流變流體(Magnetorheological Fluid，MRF)是1948年美國人J RABINOW 發(fā)明的一種新型功能材料，是一種把飽和磁感應強度很高而磁頑力很小的優(yōu)質(zhì)軟磁材料均勻分布在不導磁的基液中所制成的懸濁液，其流變特性隨外加磁場的變化而變化。在磁場作用下磁流變流體能在瞬間(毫秒級)從自由流動的牛頓液體轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞腆w，呈現(xiàn)出可控的屈服強度，而且這種變化是連續(xù)、可逆的[2－5]。基于磁流變流體的液壓閥數(shù)字控制技術可直接與計算機接口，無需D/A轉(zhuǎn)換器，用數(shù)字信號直接控制磁流變流體的壓力、流量。數(shù)字控制方式分為步進式控制和開關式控制兩種，開關式控制通常采用脈寬調(diào)制 (PWM)的控制方式[6－8]。作者利用磁流變流體的流變特性結(jié)合液壓閥數(shù)字控制技術設計了一種磁流變數(shù)字閥，介紹了其結(jié)構及工作原理，給出了數(shù)學模型，并利用AMESim軟件對其靜動態(tài)特性進行了仿真分析。

1 磁流變數(shù)字閥結(jié)構及工作原理

如圖1所示為磁流變數(shù)字閥的結(jié)構原理圖[9]，主要由外殼、線圈、鐵芯、閥芯和端蓋組成。選用齒輪泵為動力源，采用密度為ρ=2.56 g/cm3、黏度為μ=30 mPa·s的氮化鐵系磁流變流體作為工作介質(zhì)，鐵芯、閥芯等導磁元件采用硅鋼作為制作材料，因其具有高磁導率、低矯頑力、強度高等優(yōu)點，而端蓋等隔磁元件采用鋁合金作為制作材料[10]。

圖1 磁流變數(shù)字閥的結(jié)構原理圖

磁流變數(shù)字閥采用磁流變流體的流動工作模式，鐵芯和閥芯之間形成工作間隙，磁流變流體從間隙中流過，用非線性B-H曲線模型來描述，如圖2所示。當線圈中有一定電流通過時，磁場就會產(chǎn)生于導磁元件鐵芯和閥芯之間的工作間隙中，此時流過工作間隙的磁流變流體在磁場作用下瞬間由自由流動的牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)榻腆w狀態(tài)，變?yōu)轲に苄泽w，阻尼力增大，阻止磁流變流體進出磁流變數(shù)字閥，閥芯兩側(cè)的壓力差也逐漸增大?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)線圈中電流大小來調(diào)節(jié)磁場強度，從而改變磁流變流體的屈服特性，達到磁流變數(shù)字閥調(diào)節(jié)壓力、流量的目的，而且該調(diào)節(jié)是連續(xù)可逆的。當線圈中沒有電流通過時，磁流變流體又恢復為自由流動狀態(tài)，這時通過磁流變數(shù)字閥的流量最大。

圖2 磁流變流體的磁化特性曲線

2 磁流變數(shù)字閥數(shù)學模型

根據(jù)前面對磁流變數(shù)字閥工作原理的分析，可建立其數(shù)學模型。

磁流變數(shù)字閥的壓力－流量方程可以用式(11)表示[11]:

式中:Q為磁流變數(shù)字閥中的流量;

μ為磁流變流體的零場黏度;

L為兩個鐵芯加上線圈的長度;

d為磁流變數(shù)字閥閥芯的直徑;

h為鐵芯與閥芯之間的工作間隙;

K為修正系數(shù);

τy為磁流變流體的屈服應力，與工作間隙產(chǎn)生的磁場強度有關。

如式(1)所示，磁流變數(shù)字閥閥芯兩側(cè)的壓力差Δp 由兩部分組成，第一部分:

Δp1與μ、Q 及磁流變數(shù)字閥的結(jié)構尺寸有關，是磁流變黏塑性體流動的黏滯阻尼產(chǎn)生的壓降。

第二部分:

除了與磁流變數(shù)字閥的結(jié)構尺寸有關外，Δp2還與τy有關。在磁流變數(shù)字閥結(jié)構尺寸一定的條件下，改變通過線圈的電流大小，即改變工作間隙中產(chǎn)生的磁場強度的大小，磁流變流體的τy隨之改變，從而改變阻尼力的大小，產(chǎn)生新的壓降。Δp2是磁流變數(shù)字閥實現(xiàn)智能控制的關鍵。

3 磁流變數(shù)字閥特性分析

3.1 磁流變數(shù)字閥靜態(tài)特性分析

空載流量特性是磁流變數(shù)字閥的重要靜態(tài)特性之一，它基本反映了磁流變數(shù)字閥對系統(tǒng)的控制能力。空載流量特性用輸入的脈沖數(shù)或脈寬占空比與輸出流量之間的關系曲線表示。設τ=TP/T為占空比，則磁流變數(shù)字閥輸出的平均流量為:

式中:Qmax為磁流變數(shù)字閥輸出的最大流量，Qmax=

在工作頻率為25、50 和100 Hz時，磁流變數(shù)字閥的空載流量與占空比的關系曲線如圖3所示?？梢钥闯?在占空比較小時受開啟時間t1的影響曲線中出現(xiàn)死區(qū)，其長度大小與開啟時間t1有關，即磁流變數(shù)字閥的開啟時間t1越短，死區(qū)長度越小;同樣，在占空比接近1時曲線中出現(xiàn)飽和區(qū)，其長度大小與關閉時間t3有關，即磁流變數(shù)字閥的關閉時間t3越短，飽和區(qū)長度越小。從而可知，磁流變數(shù)字閥可以工作在較高的頻率下。相比而言，工作頻率越低，磁流變數(shù)字閥的空載流量與占空比的關系曲線線性度越好。

圖3 磁流變數(shù)字閥的空載流量與占空比的關系曲線

利用AMESim軟件仿真分析后繪制出磁流變數(shù)字閥的空載流量特性曲線，如圖4所示?？梢钥闯?在曲線的低段和高段分別出現(xiàn)了死區(qū)、飽和區(qū)和非線性區(qū)，中間段為線性區(qū)。磁流變數(shù)字閥正是利用中間這段線性區(qū)來實現(xiàn)對流量的控制[12]。

圖4 磁流變數(shù)字閥空載流量特性曲線

3.2 磁流變數(shù)字閥動態(tài)特性分析

磁流變數(shù)字閥的動態(tài)特性與輸入信號的控制規(guī)律密切相關[13]。圖5為磁流變數(shù)字閥在脈沖調(diào)制信號作用下的動態(tài)響應曲線。圖中V為施加給磁流變數(shù)字閥的脈沖調(diào)制電壓值，I為通過磁流變數(shù)字閥線圈中的電流值，p為磁流變數(shù)字閥工作壓力值。

圖5 磁流變數(shù)字閥動態(tài)響應曲線

如圖5所示，由于電磁慣性導致磁流變數(shù)字閥中的鐵芯在脈沖調(diào)制電壓值的上升沿和下降沿各有一個滯后時間t1和t3，同時磁流變流體建立屈服應力和釋放屈服應力也各有一個滯后時間t2和t4。t1和t3是由電磁慣性決定的，可以通過補償或閉環(huán)控制等驅(qū)動電路來減小。t2和t4是由磁流變流體本身特性決定的，常取0.1～1 ms。另外，因為t2和t4是伴隨著t1和t3的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，故t1和t3是影響磁流變數(shù)字閥快速響應的關鍵因素。由此可得，通過程序優(yōu)化控制可以提高磁流變數(shù)字閥的動態(tài)特性。

4 結(jié)束語

通過對磁流變數(shù)字閥進行理論研究，可以得出以下結(jié)論:

(1)該磁流變數(shù)字閥的結(jié)構特點是將工作間隙設計在鐵芯和閥芯之間，目的使兩邊的鐵芯和閥芯在磁場的作用下均有磁力線通過，既保證了工作間隙兩端垂直于磁流變流體方向的磁通密度，又增加了工作間隙中間段平行于磁流變流體方向的磁通密度，提高了磁流變數(shù)字閥工作間隙內(nèi)磁流變流體的整體磁通密度，增大了阻尼力，從而提高磁流變數(shù)字閥的性能。

(2)通過對設計的磁流變數(shù)字閥進行仿真分析，結(jié)果表明:磁流變數(shù)字閥具有良好的靜動態(tài)特性、較高的切換速度和響應頻率，可以采用脈寬調(diào)制(PWM)方式實現(xiàn)對其壓力、流量的控制。因其無相對運動部件，又可在計算機控制下實現(xiàn)壓力、流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，具有結(jié)構簡單、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點，并克服傳統(tǒng)液壓閥智能化控制困難、制造精度要求較高、輸出精度低且對油液污染較敏感的缺點，從而提高系統(tǒng)的可靠性及智能化控制水平。

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