小型無(wú)活塞桿磁力油缸的性能研究

宋義林，高樹(shù)枚，張順平

（黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引 言

隨著老齡化社會(huì)的急劇發(fā)展，養(yǎng)老保險(xiǎn)金的問(wèn)題，空巢老人的養(yǎng)老問(wèn)題，老年人對(duì)家庭的經(jīng)濟(jì)與護(hù)理負(fù)擔(dān)問(wèn)題等［1］，已經(jīng)成為日益突出的社會(huì)問(wèn)題。例如，在老年人中極易發(fā)生的中風(fēng)、腦癱等腦血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，會(huì)造成老年人雙腿失去行動(dòng)能力，需要長(zhǎng)期臥床休養(yǎng)。另外每年因大量交通事故造成下肢損傷或者神經(jīng)系統(tǒng)損傷的患者也會(huì)出現(xiàn)腿腳不便。在長(zhǎng)期臥床的患者和老年人中，由于大腿肌肉和關(guān)節(jié)缺乏鍛煉，常引發(fā)關(guān)節(jié)僵硬和肌力恢復(fù)慢等并發(fā)癥，對(duì)患者的康復(fù)產(chǎn)生很大的影響，甚至造成嚴(yán)重的后遺癥。研究表明，在患者康復(fù)的過(guò)程中，進(jìn)行適當(dāng)?shù)目祻?fù)訓(xùn)練有助于恢復(fù)患者的關(guān)節(jié)功能和增加肌力，促進(jìn)骨骼愈合，提高康復(fù)效果［2］。因此設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用安全、適合長(zhǎng)期臥床使用的腿部康復(fù)裝置是十分必要的。

本文所研究的無(wú)活塞桿式磁力油缸主要是為了開(kāi)發(fā)針對(duì)長(zhǎng)期臥床病人及其老年人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的一種緩沖力小、速度可控，躺在床上就能鍛煉身體的小型腿部康復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置中的一種新型活塞裝置。無(wú)活塞桿式磁力油缸具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如：無(wú)活塞桿，軸向安裝空間小；行程范圍大，可獲得很大的行程與內(nèi)徑之比；活塞兩端面積相等，相同壓力、流量下，速度、推力相同；無(wú)桿，不容易產(chǎn)生撓曲，又由于有導(dǎo)軌，因此可承受各個(gè)方向的載荷和扭矩等。此類(lèi)無(wú)活塞桿式磁力油缸產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上雖有應(yīng)用，但原理性的問(wèn)題還有不明之處［3－6］。因此，進(jìn)一步弄清無(wú)活塞桿磁力油缸的性能、原理、特性等，對(duì)研究和開(kāi)發(fā)長(zhǎng)期臥床使用的腿部康復(fù)裝置具有理論與實(shí)踐意義。

1 無(wú)活塞桿磁力油缸的作用原理

1．1 作用原理

無(wú)活塞桿式磁力油缸是一款磁塊耦合式油缸，位于缸筒內(nèi)部的活塞是由單組或多組圓形磁鐵以不同排列方式組合而成的帶有磁性的活塞；而在缸筒的外部也同樣有由單組或多組環(huán)形磁鐵以不同排列方式組合而成的活動(dòng)滑塊。當(dāng)人為給活動(dòng)滑塊以外力讓其沿缸筒外部移動(dòng)時(shí)，由于活塞內(nèi)外的耦合作用，滑塊帶動(dòng)缸筒內(nèi)部的活塞一起移動(dòng)，進(jìn)而使缸筒內(nèi)的油壓升高推動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作，完成特定功能；或者，通過(guò)節(jié)流閥等液壓元件調(diào)節(jié)油缸內(nèi)部的壓力，使活動(dòng)滑塊獲得不同的負(fù)荷。本研究中磁力油缸的使用就是通過(guò)油缸內(nèi)部壓力的調(diào)節(jié)，使滑塊可獲得不同的腿部康復(fù)力。因此，缸筒內(nèi)外的磁塊耦合性能是油缸開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵因素，也直接決定著油缸的性能。無(wú)活塞磁力油缸使用單組磁鐵時(shí)的作用原理示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)活塞磁力油缸單組磁鐵的作用原理示意圖Fig．1 Principle of the magnetic cylinder without piston rod

設(shè)計(jì)中需要研究的磁塊耦合作用主要包括：①磁活塞與活動(dòng)滑塊之間的磁耦合性能及其變化規(guī)律；②磁塊形狀、磁極排列與固定方式對(duì)油缸承載性能的影響，確定磁鐵的最佳組合方式及磁鐵最大利用率；③磁活塞與活動(dòng)滑塊錯(cuò)開(kāi)位移對(duì)承載能力的影響及其變化規(guī)律等。

1．2 磁耦合性能的影響因素

由于采用了永磁鐵作為油缸的活塞和活動(dòng)滑塊，所以周?chē)慕橘|(zhì)、內(nèi)外磁鐵的磁極排列關(guān)系以及活塞和活動(dòng)滑塊的結(jié)構(gòu)形式等都將影響磁力油缸的磁耦合性能。其影響因素主要包括：①缸筒壁厚度；②缸筒所用材料；③磁鐵磁組極性方向的不同排列組合；④磁組間距；⑤磁鐵形狀。

解明上述諸多因素對(duì)磁力油缸磁耦合性能的影響，將會(huì)對(duì)磁力油缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

2 無(wú)活塞桿磁力油缸研究方法

2．1 研究方法

選擇高性能、高剩磁、低價(jià)格的稀土類(lèi)高強(qiáng)磁鐵，即釹鐵硼強(qiáng)磁永磁鐵作為磁活塞和磁活動(dòng)滑塊的材料，進(jìn)行了磁力油缸的磁耦合性能分析。

為了能夠高效地分析無(wú)活塞磁力油缸的相關(guān)性能，本研究中采取了用有限元通用軟件分析與開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。有限元通用軟件采用的是Ansoft Maxwell，利用該軟件可對(duì)永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁耦合力情況進(jìn)行不同工況、不同條件的仿真研究。與此同時(shí)，為了驗(yàn)證有限元計(jì)算的有效性，開(kāi)發(fā)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置，利用該裝置可檢測(cè)磁活塞和磁活動(dòng)滑塊之間在磁極排列形式、磁組間隔、磁組對(duì)數(shù)、磁鐵大小等各種不同條件下的磁耦合力。

該裝置主要由螺旋加力部分、磁滑塊固定部分、磁活塞支撐部分、磁耦合力讀取部分、固定座與框架部分組成。磁滑塊通過(guò)4個(gè)螺栓固定在具有外螺紋的套管上，并可隨套管一起轉(zhuǎn)動(dòng)；磁活塞位于套管內(nèi)并由于磁力作用使其與套管外的磁滑塊相互吸引，在磁活塞的下端有支撐桿與其相接，支撐桿的下端與測(cè)力裝置連接。固定座與框架部分主要由上下底板和框架組成，上下底板之間用4根薄壁圓管焊成一體構(gòu)成實(shí)驗(yàn)裝置的基本結(jié)構(gòu)。其中，上底板的中間焊有一螺母可與具有外螺紋的套管進(jìn)行螺旋傳動(dòng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺紋套管推動(dòng)磁環(huán)施加載荷，累計(jì)螺紋管旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與螺距乘積來(lái)計(jì)算錯(cuò)開(kāi)位移。載荷值則通過(guò)磁活塞經(jīng)支撐桿作用在測(cè)力裝置上的壓力數(shù)值讀取。從而得到 “載荷——磁活塞、磁環(huán)錯(cuò)開(kāi)位移”的關(guān)系及其變化規(guī)律。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig．2 Experimental device

2．2 實(shí)驗(yàn)條件

由于本研究所要開(kāi)發(fā)的無(wú)活塞桿式磁力油缸主要是針對(duì)長(zhǎng)期臥床病人及其老年人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的一種新型活塞裝置，因此實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)條件與有限元計(jì)算都是圍繞著上述條件而展開(kāi)的。具體的實(shí)驗(yàn)材料與條件如下：

油缸缸筒內(nèi)徑d＝26mm，外徑D＝28mm；磁活塞、磁環(huán)滑塊材料牌號(hào)為N35釹鐵硼強(qiáng)磁；單塊磁鐵厚度為10mm；磁活塞為外徑是26mm的圓柱體；磁環(huán)底面邊長(zhǎng)為50mm的正方形，中心加工直徑為28mm的通孔。

文中如無(wú)特殊說(shuō)明，均采用上述實(shí)驗(yàn)條件。

3 實(shí)驗(yàn)、計(jì)算結(jié)果及分析

3．1 缸筒壁厚的影響

磁活塞、磁環(huán)通過(guò)磁場(chǎng)相互作用構(gòu)成磁耦合結(jié)構(gòu)，因此相互作用距離直接由缸筒壁厚決定。根據(jù)磁場(chǎng)感應(yīng)原理，磁組間距離越大，磁位降也越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度將越弱，得到的耦合力也就越小。所以，在保證油缸壁厚滿(mǎn)足機(jī)械強(qiáng)度、剛度及使用要求的前提下，應(yīng)盡量選擇高強(qiáng)壁薄的缸筒。

3．2 缸筒材質(zhì)的影響

所研究的磁活塞、磁環(huán)耦合結(jié)構(gòu)是隔著油缸缸筒相互作用。因此，缸筒材質(zhì)的導(dǎo)磁率直接影響磁位降的大小。為了解明缸筒材料對(duì)磁耦合力的影響，本文利用不銹鋼和鋁合金這兩種材料加工了簡(jiǎn)易的類(lèi)似油缸的裝置并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：不銹鋼材質(zhì)缸筒模型，獲得的最大磁耦合力為98N；鋁合金材質(zhì)缸筒模型，獲得的最大磁耦合力為102N，二者差異不大。進(jìn)一步驗(yàn)證表明，二者的誤差率主要來(lái)自于不銹鋼純度。如果不銹鋼純度提高，誤差率會(huì)顯著減小。

此后，又利用Ansoft Maxwell有限元分析軟件對(duì)多種不導(dǎo)磁材質(zhì)缸筒模型進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，不導(dǎo)磁的不同材質(zhì)缸筒，對(duì)磁力耦合結(jié)果的影響并不大。

3．3 磁組排列的影響

由于磁鐵具有方向性，所以在多組磁鐵形成的磁活塞、磁環(huán)的磁力耦合結(jié)構(gòu)下，磁極方向的改變將會(huì)影響到磁力耦合的結(jié)果。在多組磁鐵形成的磁力耦合結(jié)構(gòu)中，最簡(jiǎn)單的就是兩組磁鐵構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，可分為兩磁組同向排列 （圖3）和兩磁組反向排列 （圖4）。

表1 不同材質(zhì)油缸缸筒有限元分析結(jié)果Table 1 Results of magnetic coupling force obtained by finite element analysis for different cylinder body materials

圖3 兩磁組同向排列模型圖Fig．3 Model of two magnets arranged in the same direction

圖4 兩磁組反向排列模型圖Fig．4 Model of two magnets arranged in the reverse direction

對(duì)以上兩種情況均進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)及有限元分析計(jì)算。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算時(shí)，兩磁組的間距取為0mm，即兩組電極緊貼在一起。

兩種不同磁組排列所得到的實(shí)驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖5和圖6。其中圖5為兩磁組同向排列時(shí)的結(jié)果，圖6為兩磁組反向排列時(shí)的結(jié)果。

圖5 兩磁組同向排列時(shí)的結(jié)果Fig．5 Results for two magnets arranged in the same direction

圖6 兩磁組反向排列時(shí)的結(jié)果Fig．6 Results for two magnets arranged in the reverse direction

由圖5、圖6可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果在能夠得到的最大耦合力上是有一點(diǎn)差異的，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件與有限元計(jì)算時(shí)的理想條件難以完全一致，但兩者的變化趨勢(shì)一致、計(jì)算結(jié)果也基本吻合，說(shuō)明計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信。從兩圖的比較中還可以看出，磁組反向排列模型所獲得的最大磁耦合力相比磁組同向排列模型明顯提高，約高出75%。而且，磁組反向排列模型的最大磁耦合力出現(xiàn)在活塞環(huán)與磁活塞錯(cuò)開(kāi)距離為6mm，而同向時(shí)則錯(cuò)開(kāi)距離達(dá)到12mm。由此可判定，磁組反向排列模型的定位精度和載荷性能都優(yōu)于磁組同向排列模型。

3．4 磁組間距的影響

磁鐵周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度隨與磁極距離的增加而減小，因此相鄰磁組間的磁力影響程度也將隨著距離的改變而變化。而相鄰磁組間的磁場(chǎng)影響程度將影響著磁力耦合的結(jié)果。雙組磁鐵反向、活塞與磁環(huán)錯(cuò)開(kāi)5．5mm保持不變、改變磁組間距所得到的耦合力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 錯(cuò)開(kāi)距離為5．5mm兩磁組反向排列時(shí)的結(jié)果Fig．7 Results for two magnets arranged in the reverse direction with separation distance 5．5mm

由圖7可見(jiàn)，磁阻間隔為2～4mm處出現(xiàn)了最大值。為了驗(yàn)證磁組間隔距離的最優(yōu)點(diǎn)，本研究還對(duì)活塞與磁環(huán)的錯(cuò)開(kāi)距離、磁阻間隔兩個(gè)變量同時(shí)改變條件下的多磁組耦合力情況進(jìn)行了有限元分析。圖8為建立的有限元計(jì)算模型。

圖8 不同磁組的有限元計(jì)算模型Fig．8 Finite element analysis model with different combination of magnets

表2與表3為有限元的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算條件為：磁組間距為0～4．5mm，磁組與磁環(huán)的錯(cuò)開(kāi)距離為3～8mm。由表2、表3可見(jiàn)，當(dāng)磁組間距為0，即磁組之間無(wú)間隙時(shí)，磁組與磁環(huán)間無(wú)論錯(cuò)開(kāi)多少距離，相比而言，只能得到比較小的磁耦合力。隨著磁組間距的增大，磁耦合力有一個(gè)增大的過(guò)程，但到達(dá)最大值后會(huì)出現(xiàn)回落。在三磁組和四磁組的有限元分析計(jì)算中出現(xiàn)了相似的變化規(guī)律，即磁組間距為3．5～4mm、磁活塞與磁環(huán)錯(cuò)開(kāi)5～7mm可以獲得較大的磁耦合力，特別是在磁組間距為3．5～4mm、磁活塞與磁環(huán)錯(cuò)開(kāi)7mm處可獲得磁耦合力的最大值。這可確認(rèn)為本磁力油缸使用條件下的最優(yōu)值。

表2 三磁組反向排列時(shí)磁耦合力的計(jì)算結(jié)果Table 2 Results of magnet coupling force for three magnets arranged in reverse direction ／N

表3 四磁組反向排列時(shí)磁耦合力的計(jì)算結(jié)果Table 3 Results of magnet coupling force for four magnets arranged in reverse direction ／N

3．5 磁鐵形狀的影響

3．5．1 磁鐵厚度的影響

磁鐵的厚度直接影響磁鐵的磁場(chǎng)寬度，以單組磁鐵為計(jì)算模型，經(jīng)有限元計(jì)算得到的磁鐵厚度與磁耦合力的關(guān)系見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，選擇磁鐵厚度5～10mm為宜，超過(guò)10mm后磁耦合力的增加趨勢(shì)明顯變緩。

表4 不同厚度的單組磁鐵所得到的最大磁耦合力Table 4 Maximum magnetic coupling force from single magnet with different thickness

根據(jù)使用功能及總的油缸尺寸選定磁鐵總的厚度為40mm，通過(guò)改變磁組數(shù)量來(lái)確定單組磁鐵的厚度，其有限元計(jì)算所得到的磁耦合力結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，也存在著最優(yōu)組數(shù)，即磁鐵總的厚度確定為40mm時(shí)，磁組數(shù)為4組可得到最大的磁耦合力。

表5 總厚度確定改變磁組數(shù)時(shí)所得到的最大磁耦合力Table 5 Maximum magnetic coupling force when changing the number of magnet in the determining thickness

3．5．2 磁環(huán)外徑的影響

當(dāng)磁環(huán)的內(nèi)徑確定后，磁環(huán)外徑的大小決定著磁環(huán)磁鐵的斷面積，進(jìn)因影響著磁鐵周?chē)拇艌?chǎng)，也會(huì)對(duì)磁力耦合結(jié)果產(chǎn)生影響。磁環(huán)的內(nèi)孔直徑為28mm，磁活塞、磁環(huán)滑塊錯(cuò)開(kāi)距離為6mm、單組磁鐵條件下的磁耦合力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9可見(jiàn)，當(dāng)磁環(huán)內(nèi)、外半徑相差＞15mm，磁耦合力隨磁環(huán)外徑增大而增大的趨勢(shì)明顯減緩，近似于飽和狀態(tài)。因此選擇磁環(huán)時(shí)內(nèi)、外半徑差為15mm，這樣既能保證磁力耦合性能，又不浪費(fèi)磁鐵材料，為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊的磁力油缸提供了理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

圖9 不同磁環(huán)外徑下的有限元分析結(jié)果Fig．9 Results obtained from finite element analysis under the different magnet ring external diameter

本文針對(duì)無(wú)活塞新型磁力油缸研究開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題，采用Ansoft Maxwell有限元分析軟件，結(jié)合自行開(kāi)發(fā)的無(wú)活塞桿磁力油缸實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)無(wú)活塞桿磁力油缸的磁耦合力性能及其相關(guān)的影響因素等，進(jìn)行了詳細(xì)分析和實(shí)驗(yàn)研究。有限元分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，油缸缸筒壁厚在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下應(yīng)盡量減薄，磁鐵組合方式應(yīng)為相鄰磁組間反向安裝，磁組間隔距離約為4mm，磁環(huán)內(nèi)、外徑之差約為15mm，磁活塞中心去除材料部分≤10 mm，在保證上述條件下，可以得到無(wú)活塞桿磁力油缸的最佳性能，并可實(shí)現(xiàn)油缸結(jié)構(gòu)的小型化。

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