磁流變閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能分析研究現(xiàn)狀

胡國良，李海燕，喻理梵，黃敏，龍銘

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

磁流變液是智能材料的一種，是將在磁場作用下可極化的微小固體磁性顆粒均勻分散在基液中而形成的懸浮液，其流變特性隨外加磁場的變化而變化。磁流變液在不受磁場作用時(shí)，呈現(xiàn)牛頓流體狀態(tài)，可以自由流動(dòng);在外加磁場作用下，其結(jié)構(gòu)和性能將會(huì)發(fā)生奇特的變化，即在瞬間(ms 級(jí))可由流動(dòng)狀態(tài)良好的液態(tài)轉(zhuǎn)變成類固態(tài)，它的黏度將會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)增大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，呈現(xiàn)出Bingham 黏塑性流體，并表現(xiàn)出一定的抗剪切屈服應(yīng)力，且隨外加磁場強(qiáng)度的增加而增加;在撤去磁場后，磁流變液又由固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)，且這種轉(zhuǎn)變是連續(xù)、可逆、可控［1－2］。

磁流變閥是以磁流變液的磁流變效應(yīng)為控制原理設(shè)計(jì)的一種液壓控制元件。通過改變外加磁場強(qiáng)度的大小來調(diào)節(jié)磁流變閥的控制壓力、流量及液流的流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)磁流變閥的智能控制?？梢詽M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、環(huán)保的要求［3］。

磁流變閥是一種無移動(dòng)元件的壓力控制閥，它不僅結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)可靠，而且控制方便、響應(yīng)速度快，可以有效地改善液壓執(zhí)行器的性能，因而近年來在國內(nèi)外得到了廣泛的研究和關(guān)注［4－6］。文中主要從磁流變閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能分析這兩方面進(jìn)行闡述，同時(shí)簡單介紹課題組關(guān)于磁流變閥的最新研究進(jìn)展，并對(duì)磁流變閥在液壓傳動(dòng)領(lǐng)域的基礎(chǔ)應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 磁流變閥工作原理介紹

如圖1所示，典型的磁流變閥主要由激勵(lì)線圈、閥芯、閥體及端蓋等元件構(gòu)成。當(dāng)給磁流變閥內(nèi)的線圈通電時(shí)，由于電磁感應(yīng)原理，會(huì)在閥芯和閥體之間形成的圓環(huán)式阻尼間隙內(nèi)產(chǎn)生磁場，磁場的方向與磁流變液流動(dòng)的方向垂直［7］。當(dāng)磁流變液流經(jīng)磁流變閥阻尼間隙時(shí)，在磁場作用下迅速變?yōu)榘牍虘B(tài)，形成沿磁場方向排列的鏈狀體，磁流變液黏度迅速增加且隨外加磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增加。磁流變液流過阻尼間隙，就必須克服這種鏈狀排列的分子間的力，導(dǎo)致磁流變液流經(jīng)閥的阻力及閥入口的壓力增加，因而可減慢或阻止液體的流動(dòng)。

圖1 磁流變閥工作原理簡圖

2 磁流變閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān)于磁流變閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)激勵(lì)線圈個(gè)數(shù)的不同，目前大致可分為單線圈磁流變閥、雙線圈磁流變閥和三線圈磁流變閥這3 種。根據(jù)磁流變液液流通道，即阻尼間隙來劃分，有圓環(huán)式阻尼間隙磁流變閥、圓盤式阻尼間隙磁流變閥以及混合式磁流變閥等。

2.1 不同激勵(lì)線圈的磁流變閥

圖2所示是一種單線圈圓環(huán)阻尼間隙磁流變閥原理圖，包括缸筒、閥芯、勵(lì)磁線圈和端蓋等零件。閥芯上繞有勵(lì)磁線圈，由缸筒、閥芯和缸筒之間形成的液流阻力通道構(gòu)成外磁路，閥芯構(gòu)成內(nèi)磁路［8］。

圖2 單線圈圓環(huán)阻尼間隙磁流變閥

圖3所示為課題組設(shè)計(jì)的雙線圈圓環(huán)阻尼間隙磁流變閥，主要包括缸筒、閥芯、勵(lì)磁線圈、閥端蓋、定位塊、導(dǎo)向塊等零件。

圖3 雙線圈圓環(huán)阻尼間隙磁流變閥

閥芯繞有勵(lì)磁線圈，由端蓋、閥芯和缸筒之間的液流阻力通道構(gòu)成外磁路，閥芯構(gòu)成內(nèi)磁路。勵(lì)磁線圈的引出線通過一邊閥端蓋的小孔引出，閥端蓋有與磁流變液壓回路中的管接頭連接的螺紋孔。該控制閥閥芯的兩端與閥端蓋之間設(shè)置定位塊作為精密定位裝置，定位塊上有均勻分布的導(dǎo)流孔，定位塊與缸筒之間采用精密定位的過渡配合，定位塊與閥芯通過定位銷連接，以保證閥芯與缸筒之間間隙(即液流阻尼通道)具有均勻的徑向尺寸，更充分地發(fā)揮磁場對(duì)磁流變液的作用［9－10］。

由圖4 磁力線分布可看出，雙線圈磁流變閥磁路結(jié)構(gòu)中的磁力線絕大多數(shù)通過其阻尼間隙，只存在極少量的漏磁，磁力線的分布與理想的磁力線分布一致，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 磁力線分布

與單線圈相比，當(dāng)給雙線圈磁流變閥各線圈施加不同大小的電流時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)速。圖5所示為施加不同電流大小的雙線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線，其中左側(cè)線圈施加1 A 電流，右側(cè)線圈施加1.5 A 電流。

圖5 施加不同電流大小時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

圖6所示為課題組設(shè)計(jì)的三線圈圓環(huán)阻尼間隙磁流變閥，與圖2 相比，該磁流變閥的激勵(lì)線圈有3個(gè)，調(diào)壓范圍更寬，可形成4 級(jí)調(diào)壓，非常適合壓力調(diào)節(jié)范圍更寬的液壓伺服控制系統(tǒng)。

圖6 三線圈圓環(huán)阻尼間隙磁流變閥

2.2 不同阻尼間隙的磁流變閥

圖2、圖3 和圖6所示的磁流變閥阻尼間隙均為圓環(huán)式的，這也是磁流變閥的典型阻尼間隙。除此之外，重慶大學(xué)的王代華及艾紅霞提出了一種如圖7所示的同時(shí)采用圓環(huán)和圓盤式液流阻尼間隙的磁流變閥。通過采用圓環(huán)和圓盤兩種形式的液流阻尼通道，可有效增大液流阻尼通道的剪切面積，從而增大液流阻尼力。但由于采用兩種阻尼間隙，會(huì)引起磁壓降的迅速下降，因此為了保證阻尼間隙內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，必須使電流達(dá)到一定的值［11－13］。

圖7 圓環(huán)圓盤阻尼間隙磁流變閥

黑龍江科技學(xué)院的趙燦等人提出了一種非直線液流通道的單線圈磁流變閥［14］。如圖8所示，在定位盤上設(shè)置有一組同心圓環(huán)形凸起，導(dǎo)磁盤的端面上設(shè)置與圓環(huán)形凸起對(duì)應(yīng)的圓環(huán)形凹槽，形成徑向非直線液流通道。磁流變流體沿液流通道非直線流動(dòng)，加長了電磁流變流體流動(dòng)的路徑長度，提高磁力線的利用率，在磁隙大小不變條件下，提高同等電流強(qiáng)度下電磁流變流體的可控流體壓差的大小，達(dá)到節(jié)能和減小磁流變閥等尺寸的目的。

圖8 一種非直線液流通道的磁流變閥

內(nèi)華達(dá)大學(xué)的SAHIN 提出了如圖9所示的一種徑向流動(dòng)的圓盤阻尼間隙磁流變閥，包括兩個(gè)固定磁盤、閥芯和勵(lì)磁線圈等。電磁線圈纏繞在該線軸上，磁流變液在兩個(gè)固定磁盤徑向間隙之間流動(dòng)，磁流變液的流動(dòng)方向與勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場方向垂直。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:這種圓盤式磁流變閥的響應(yīng)時(shí)間比圓環(huán)型磁流變閥響應(yīng)時(shí)間快［15］。

圖9 徑向流動(dòng)兩級(jí)圓盤阻尼間隙磁流變閥

2.3 阻尼間隙可調(diào)式磁流變閥

課題組除了設(shè)計(jì)出兩線圈和三線圈型磁流變閥外，還提出了一種阻尼間隙機(jī)械可調(diào)式雙線圈磁流變閥。如圖10所示，該磁流變閥的閥芯及繞線架均采用錐形面結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯，可使閥芯與繞線架之間形成的間隙距離可調(diào)。另外，繞線架上纏繞兩組線圈，可形成3 個(gè)阻尼間隙。當(dāng)向線圈分別輸入一定方向及大小的電流時(shí)，會(huì)在閥芯與閥體組成的3 個(gè)阻尼間隙內(nèi)產(chǎn)生磁場，磁場的方向與磁流變液流動(dòng)的方向基本垂直。當(dāng)磁流變液流入磁流變閥的阻尼間隙時(shí)，在磁場作用下迅速變?yōu)榘牍虘B(tài)，磁流變液的黏度隨磁場強(qiáng)度的增加而迅速增加，導(dǎo)致阻尼間隙兩端的壓力差增大。磁流變液經(jīng)過3 個(gè)阻尼間隙時(shí)，磁流變閥進(jìn)出口會(huì)有較大的壓力差。通過控制閥芯的工作位置及兩個(gè)線圈輸入電流的大小和方向，可實(shí)時(shí)控制磁流變閥進(jìn)出口壓力差，并具有較寬的壓力調(diào)節(jié)范圍。

圖10 阻尼間隙機(jī)械可調(diào)式雙線圈磁流變閥

2.4 磁流變閥優(yōu)化分析

為了提高磁流變閥的工作性能，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)上述幾種典型的磁流變閥，對(duì)閥的結(jié)構(gòu)尺寸及壓降特性進(jìn)行了優(yōu)化分析。

韓國仁荷大學(xué)的NGUYEN 采用ANSYS 有限元分析方法對(duì)4 種類型的磁流變閥(單線圈圓環(huán)型、雙線圈圓環(huán)型、三線圈圓環(huán)型及圓環(huán)和圓盤型)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)黃金部分算法和二次方技術(shù)建構(gòu)模型。由減小磁流變閥的黏性壓降與屈服壓降的比值做為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，繞線架寬度、法蘭盤厚度、阻尼間隙作為設(shè)計(jì)變量，仿真結(jié)果表明:當(dāng)4種類型的閥體積均限制在一個(gè)圓柱體內(nèi)時(shí)，雙線圈圓環(huán)型磁流變閥的長徑比的值最好，而同時(shí)具有圓環(huán)型和圓盤型結(jié)構(gòu)的磁流變閥壓差最大［16－18］。昆明理工大學(xué)的王京濤采用ANSYS 有限元分析方法對(duì)如圖11所示的磁流變閥3 種結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了磁場仿真分析，研究了磁流變閥的結(jié)構(gòu)與磁流變流體的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁流變閥性能的關(guān)系。分析結(jié)果表明:根據(jù)磁力線分布和磁感應(yīng)強(qiáng)度大小合理設(shè)計(jì)磁流變閥結(jié)構(gòu)，可使磁流變流體在相同外加電流條件下獲得更高磁感應(yīng)強(qiáng)度，提高磁流變閥的性能［19－20］。

圖11 磁流變閥結(jié)構(gòu)模型

課題組對(duì)3 種不同結(jié)構(gòu)類型的雙線圈磁流變閥阻尼間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析，由表1 可知:相同激勵(lì)電流的作用下，內(nèi)側(cè)圓環(huán)阻尼間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于外側(cè)圓環(huán)阻尼間隙和環(huán)形圓環(huán)阻尼間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度;當(dāng)激勵(lì)電流小于0.7 A 時(shí)，外側(cè)圓環(huán)阻尼間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于環(huán)形圓環(huán)阻尼間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)激勵(lì)電流大于0.7 A 時(shí)則相反。

表1 不同結(jié)構(gòu)類型磁流變閥的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流的關(guān)系

3 磁流變閥性能分析

磁流變閥性能研究方面，主要是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、仿真和實(shí)驗(yàn)分析來改善磁流變閥的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，提高閥的壓差及其通流能力。

愛爾蘭都柏林城市大學(xué)的Grunwald 對(duì)圖12所示的圓環(huán)式磁流變閥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)驗(yàn)分析研究［21］。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的磁流變閥通入電流4.5 A時(shí)可控壓降為1.5 MPa;另外，該閥響應(yīng)速度非常快，閥進(jìn)出口壓力從1.0 MPa 降到0.25 MPa 的時(shí)間小于150 ms，閥進(jìn)出口壓力從1.7 MPa 降到0.25 MPa 的時(shí)間大約200 ms。

圖12 磁流變閥結(jié)構(gòu)模型

內(nèi)華達(dá)大學(xué)的AYDAR 提出了一種如圖13所示的由永久磁鐵和電磁鐵組成的徑向流動(dòng)的圓盤式磁流變閥，并把該閥安裝在阻尼器上［22］。通過控制系統(tǒng)中磁流變閥磁場來實(shí)現(xiàn)對(duì)阻尼器的雙向控制，當(dāng)電磁鐵和永磁鐵產(chǎn)生的磁場方向相同時(shí)，其阻尼力可增大一倍。

圖13 磁流變閥結(jié)構(gòu)

同時(shí)，內(nèi)華達(dá)大學(xué)的SAHIN 對(duì)該圓盤式磁流變閥和常規(guī)圓環(huán)式磁流變閥的響應(yīng)時(shí)間作了具體對(duì)比分析［23］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:圓盤式磁流變閥的響應(yīng)時(shí)間比圓環(huán)式磁流變閥響應(yīng)時(shí)間快。啟動(dòng)時(shí)，圓環(huán)式磁流變閥響應(yīng)時(shí)間為12.5 ～22 ms，圓盤式為1.4 ～5.8 ms;關(guān)斷時(shí)，圓環(huán)式磁流變閥響應(yīng)時(shí)間為7.7 ～14.2 ms，圓盤式為2 ～8.3 ms。

美國馬里蘭大學(xué)的YOO 提出了一種高效率的磁流變閥，閥芯直徑小于25 mm，間隙小于1 mm，響應(yīng)頻率可達(dá)100 Hz，最大效率可達(dá)90%以上［24］;同時(shí)，YOO 還設(shè)計(jì)出磁流變閥控缸液壓系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)特性作了進(jìn)一步測試和分析［25］。西班牙的LEICHT對(duì)磁流變閥進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析，比較了賓漢模型、改進(jìn)賓漢模型以及Lord 模型3 種模式下磁流變閥的動(dòng)態(tài)特性［26］。新加坡南洋理工大學(xué)的LI 對(duì)磁流變閥進(jìn)行了有限元仿真分析，探討了磁流變閥繞線軸直徑、閥芯長度以及阻尼間隙厚度對(duì)磁場強(qiáng)度大小的影響，仿真結(jié)果表明磁流變閥的最大壓降可達(dá)1.9 MPa［27］。

4 磁流變閥在液壓傳動(dòng)中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究

利用磁流變液的磁流變效應(yīng)開發(fā)的各種磁流變閥性能優(yōu)于傳統(tǒng)的液壓閥，從而可為液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)開辟新的研究方向。磁流變閥在液壓傳動(dòng)中的應(yīng)用主要有磁流變比例閥、磁流變溢流閥及磁流變伺服閥等。

如圖14所示，KORDONSKY 提出一種液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)控制方案，當(dāng)對(duì)角的兩磁流變閥的線圈通電流時(shí)，閥的阻力增加，大大地高于另外一組對(duì)角無電流作用的磁流變閥。在齒輪泵的驅(qū)動(dòng)下，磁流變液在無電流作用的磁流變閥中流動(dòng)，導(dǎo)致磁流變液活塞缸上下腔產(chǎn)生壓力差，活塞和活塞桿一起移動(dòng)。切換兩對(duì)角磁流變閥的通電狀態(tài)，可以改變活塞和活塞桿的移動(dòng)方向和位移的大小，達(dá)到定位和驅(qū)動(dòng)的目的［28］。

昆明理工大學(xué)王京濤提出了一種如圖15所示的基于磁流變液的先導(dǎo)式溢流閥，主要由主閥和磁流變先導(dǎo)閥兩大部分組成［29］。

圖14 磁流變比例閥原理簡圖

圖15 磁流變先導(dǎo)式溢流閥結(jié)構(gòu)原理圖

工作時(shí)，磁流變先導(dǎo)閥線圈通電，在鐵芯間的工作間隙產(chǎn)生磁場，進(jìn)出磁流變先導(dǎo)閥的壓力差增加。當(dāng)系統(tǒng)壓力低于磁流變先導(dǎo)閥調(diào)定壓力時(shí)，主閥芯關(guān)閉，磁流變液無法實(shí)現(xiàn)溢流。當(dāng)系統(tǒng)工作壓力高于先導(dǎo)閥調(diào)定壓力時(shí)，由于主閥內(nèi)阻尼器的作用使先導(dǎo)磁流變閥前腔壓力低于主閥上腔壓力，主閥上腔的磁流變液經(jīng)阻尼孔流向磁流變先導(dǎo)閥前腔，主閥上腔壓力降低，主閥芯在壓力差的作用下被開啟，使磁流變液通過閥口實(shí)現(xiàn)溢流，從而保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

杭州電子科技大學(xué)金方銀提出了一種新型磁流變伺服閥，如圖16所示，在系統(tǒng)中利用兩對(duì)電磁線圈對(duì)流體施加磁場作用，改變磁流變流體的形態(tài)，形成兩個(gè)液壓半橋，通過控制磁流變液的黏度，來得到不同半橋輸出壓力，此壓力即可作為液壓伺服閥的驅(qū)動(dòng)力。閥芯在兩端壓力差的作用下將左右移動(dòng)打開閥芯節(jié)流口，得到期望的流量［30］。

圖16 磁流變液壓伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖

芬蘭阿爾托大學(xué)的KOSTAMO 研究了磁流變閥在液壓系統(tǒng)中的伺服特性，并搭建了如圖17所示的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測試，結(jié)果表明磁流變閥伺服系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性非常高，在－3 dB 時(shí)頻率可達(dá)445 Hz［31］。

圖17 磁流變閥伺服性能測試臺(tái)

黑龍江科技學(xué)院萬遂、劉丹丹等將磁流變閥運(yùn)用到采煤機(jī)恒功率控制上面，將基于磁流變閥的觸覺力反饋裝置引入到采煤機(jī)牽引速度的控制過程中，有效地調(diào)整采煤機(jī)輸出功率，提高了采煤機(jī)的工作穩(wěn)定性，節(jié)省采煤能源，降低采煤成本［32－33］。

5 結(jié)束語

從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能分析兩大方面對(duì)磁流變閥的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面主要針對(duì)勵(lì)磁線圈個(gè)數(shù)的不同、阻尼間隙的結(jié)構(gòu)以及厚度進(jìn)行分類，并對(duì)磁流變閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)說明和對(duì)比分析;性能方面主要是從壓降、響應(yīng)時(shí)間等方面進(jìn)行分析。最后對(duì)磁流變閥在液壓傳動(dòng)中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究進(jìn)行了總結(jié)，為磁流變閥在液壓系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用指明了方向。

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