磁流變換向閥流量-壓差特性研究

楊瑜君，吳張永，蔣佳駿，陳文，朱啟晨，葉藝明，葉淳健

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；2.650111 云南省 昆明市 云南興長(zhǎng)江實(shí)業(yè)有限公司）

0 引言

換向閥是液壓系統(tǒng)的方向控制元件，通過(guò)閥芯與閥體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)和控制液體液流通、斷和換向，改變執(zhí)行元件啟、停及運(yùn)動(dòng)方向[1-2]。流量-壓差特性是衡量換向閥性能的重要指標(biāo)，現(xiàn)有電液、電磁比例換向閥多采用電磁鐵驅(qū)動(dòng)，受比例電磁鐵電磁力限制，導(dǎo)致閥口開(kāi)度有限。另外，由于電磁鐵在工作過(guò)程中存在發(fā)熱、欠電壓等因素，影響閥口開(kāi)合精度，導(dǎo)致?lián)Q向閥口處壓力損失較大，嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的工作效率和控制精度。換向閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、改善換向閥流量-壓差特性，一直以來(lái)都是學(xué)者們研究的重點(diǎn)方向。

學(xué)者們對(duì)換向閥結(jié)構(gòu)及其流量-壓差特性進(jìn)行了深入研究。胡燕平[3]等以小型電磁插裝閥作為換向閥先導(dǎo)閥，通過(guò)對(duì)插裝閥流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了換向閥主閥在低流量工況下的流量-壓差特性；王潤(rùn)林[4]等采用傳感器采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行插值計(jì)算獲得閥口流量，通過(guò)流量動(dòng)態(tài)反饋控制，得到不同控制信號(hào)下流量與壓差關(guān)系；劉瑞春[5]等將基礎(chǔ)振動(dòng)引起的瞬液動(dòng)力與電磁力變化帶入流量-壓差數(shù)學(xué)模型，得到不同振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度下流量-壓差變化情況；周元春[6]等對(duì)滑閥式換向閥進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并使用Fluent 軟件對(duì)大通徑、高流量滑閥進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了閥口開(kāi)度與流量的關(guān)系曲線；江竹[7]等設(shè)計(jì)了一種超高速比例閥用電磁鐵，通過(guò)多片永磁體配合，增加氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而提高磁力輸出；陳遠(yuǎn)玲[8]等設(shè)計(jì)了一種二位四通水液壓電液換向閥，采用電磁球閥作為先導(dǎo)閥，4 個(gè)插裝單元為主閥，先導(dǎo)閥通過(guò)控制每個(gè)單元通斷實(shí)現(xiàn)換向功能，該閥在大流量工況下流量-壓差特性良好。

可以看出，學(xué)者們采用新型材料、結(jié)構(gòu)、工藝對(duì)換向閥流量-壓差特性進(jìn)行研究，旨在為減少換向閥換向過(guò)程中產(chǎn)生能量損耗的問(wèn)題開(kāi)辟新的研究思路和方向。據(jù)此，本文基于磁流體磁流變?cè)硪约盎菟雇姌蛟恚O(shè)計(jì)一種磁流變換向閥。

1 磁流變換向閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 磁流變換向閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所述磁流變換向閥由磁流變先導(dǎo)閥和主閥兩部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。磁流變先導(dǎo)閥依據(jù)惠斯通電橋原理設(shè)計(jì)，即采用4 個(gè)完全相同的磁流變閥構(gòu)成全橋液阻網(wǎng)絡(luò)，液阻工作原理如圖2 所示。輸入壓力P 分別經(jīng)過(guò)液阻RC和RS后形成主壓力PS和控制壓力PC，控制壓力PC進(jìn)入全橋系統(tǒng)后形成控制壓力PCA和PCB，全橋系統(tǒng)中左側(cè)磁流變閥R1和R2與右側(cè)磁流變閥R3和R4分別構(gòu)成液阻半橋，通過(guò)控制左右兩側(cè)半橋電流大小形成電流差，使左、右端面控制壓力PCA、PCB形成壓力差，進(jìn)而推動(dòng)滑閥閥芯移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁流變換向閥方向和速度的控制。當(dāng)PCA>PCB時(shí)，滑閥閥芯向右移動(dòng)；PCA

圖1 磁流變換向閥結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure schematic diagram of magnetorheological directional valve

圖2 導(dǎo)磁型磁流變換向閥液阻工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of hydraulic resistance of magnetorheological directional valve

1.2 多級(jí)徑向流磁流變閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁流變閥作為磁流變換向閥的關(guān)鍵部件，其性能決定磁流變換向閥主閥閥芯的切換特性[9-10]。磁流變閥是一種以磁流體作為液壓傳動(dòng)介質(zhì)的新型液壓控制元件，其工作原理是基于磁場(chǎng)與磁流體間產(chǎn)生的磁流變效應(yīng)，在磁場(chǎng)作用下，磁流體能夠在毫秒級(jí)內(nèi)從自由流動(dòng)的牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢羟星?qiáng)度、近似固體的黏塑性體，且該黏度變化具有連續(xù)、可逆、可控等特性[11]。磁流變閥閥體內(nèi)部無(wú)相對(duì)移動(dòng)部件，直接通過(guò)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁線圈控制閥體內(nèi)部磁流體黏度，導(dǎo)致流動(dòng)速度分布與屈服應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而改變磁流變閥進(jìn)出口壓降。

為保證在規(guī)定尺寸下實(shí)現(xiàn)磁流變閥壓降最大化，本文設(shè)計(jì)了一種多級(jí)徑向流磁流變閥，其結(jié)構(gòu)原理如圖3 所示。

圖3 多級(jí)徑向流磁流變閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of multi-stage radial flow magnetorheological valve

閥體主要由端蓋、線圈架、線圈與密封圈組成，閥芯由一級(jí)閥芯、二級(jí)閥芯與三級(jí)閥芯組成。由端蓋、一級(jí)閥芯、二級(jí)閥芯以及三級(jí)閥芯之間預(yù)設(shè)凸臺(tái)構(gòu)成4 個(gè)盤(pán)型徑向液流通道和3 個(gè)環(huán)形軸向液流通道。工作時(shí)，線圈通電產(chǎn)生磁力線，與4 個(gè)盤(pán)型徑向液流通道內(nèi)磁流體垂直穿過(guò)產(chǎn)生磁流體流變效應(yīng)，使磁流變閥進(jìn)出口壓降發(fā)生變化。對(duì)比同尺寸下常規(guī)徑向流磁流變閥，增加液流通道有效工作長(zhǎng)度，進(jìn)一步提高磁流變閥壓降性能。

2 建立流量-壓差數(shù)學(xué)模型

2.1 多級(jí)徑向流磁流變閥壓降數(shù)學(xué)模型

對(duì)多級(jí)徑向流磁流變閥壓降模型的建立是磁流變換向閥流量壓差模型建立的基礎(chǔ)。在分析時(shí)，由于不同類(lèi)型、不同區(qū)域液流通道內(nèi)磁流體受磁力線影響不同，因此需按不同流道壓降類(lèi)型對(duì)多級(jí)徑向流磁流變閥進(jìn)行劃分。壓降區(qū)域劃分如圖4 所示。多級(jí)徑向流磁流變閥液流通道由2 個(gè)柱形流道、3 個(gè)環(huán)形軸向流道以及4 個(gè)盤(pán)形徑向流道組成。

圖4 多級(jí)徑向流磁流變閥壓降區(qū)域劃分圖Fig.4 Division of pressure drop area of multi-stage radial flow magnetorheological fluid valve

柱形流道因距離磁力線密集區(qū)域較遠(yuǎn)，且流道間隙較大，因此磁流體受磁場(chǎng)影響較小，判定該區(qū)域受粘性流體粘致壓降影響，采用經(jīng)典流體力學(xué)的流體層流在圓管內(nèi)的沿程壓力損失公式[12]：

式中：η——粘性流體的零場(chǎng)粘度；Q——柱形流道內(nèi)的流量。

環(huán)形軸向流道內(nèi)磁流體流動(dòng)方向與磁力線運(yùn)動(dòng)方向趨近于平行，壓降可視為粘性流道在平板間隙內(nèi)流動(dòng)，受粘性流體平板間隙壓降影響：

式中：ta——軸向流道寬度。

盤(pán)形徑向流道內(nèi)磁流體流動(dòng)方向與磁力線運(yùn)動(dòng)方向趨近于垂直，該區(qū)域?yàn)榇帕黧w與磁力線發(fā)生磁流變效應(yīng)的主要區(qū)域，因此該區(qū)域液流通道內(nèi)磁流體同時(shí)受非牛頓流體剪切壓Δpav和粘性流體平板間隙壓降Δpan[13]，其公式分別為

式中：ca——修正系數(shù)；tr——徑向流道厚度。

由式（1）、式（2）、式（5）可知，導(dǎo)磁型磁流變閥總壓降為：

2.1 磁流變換向閥流量-壓差數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖2 可知，磁流變換向閥主閥左右端控制壓力PCA、PCB與供油壓力PC存在關(guān)系：

同時(shí)由于各磁流變流量閥R1、R2、R3、R4存在關(guān)系：

已知薄壁小孔流量與壓差公式為[14]：

式中：C——理論與實(shí)際流量比值系數(shù)；A——小孔面積；ρ——磁流變液密度；Δp——薄壁小孔前后壓差；Dx——閥芯直徑；x——閥芯移動(dòng)距離；

可依據(jù)式（9）、式（10）得主閥面積增益Wx、閥芯有效最大行程xmax和閥芯直徑D。

對(duì)磁流變換向閥進(jìn)行流量-壓差特性分析時(shí)，假設(shè)換向閥滑閥為匹配對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，閥芯向右移動(dòng)，壓力口P、T 分別與壓力口B、A 接通，此時(shí)閥體靜態(tài)特性可由以下方程表述。

總流量方程：

式中：Qx——主閥流量；Qy——先導(dǎo)閥流量；

主閥流量-壓力方程：

式中：Cx——主閥流量系數(shù)；Wx——主閥閥口面積增益；pS——主閥進(jìn)口壓力；pB——主閥B 口出口壓力。

多級(jí)徑向流磁流變閥的流量-壓力方程：

式中：Ry——磁流變閥的液阻。

根據(jù)式（11）—式（13）可得磁流變換向閥流量-壓力關(guān)系為

式中：Δpτ'——R2處磁流變閥剪切壓降；Δpτ"——R4處磁流變閥剪切壓降。

閥芯在零位工作點(diǎn)即x=pB=Qv=0時(shí)，對(duì)式（16）求偏導(dǎo)，可得磁流變換向閥的流量增益Kq、流量-壓力系數(shù)KC和壓力增益Kp，如下：

由式（17）可得出，導(dǎo)磁型磁流變換向閥零位流量增益Kq與主閥閥芯面積增益Wx以及供油壓力ps成正比關(guān)系。

由式（18）可得出，流量-壓力系數(shù)KC與閥芯面積增益Wx成正比，與供油壓力ps成反比。

由式（19）可得出，壓力增益Kq與供油壓力ps有正比關(guān)系。

由式（17）—式（19）可總結(jié)得出，閥芯面積增益Wx和供油壓力ps是影響磁流變換向閥的重要參數(shù)，將對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靜態(tài)特性產(chǎn)生重要影響。

3 流量-壓力特性仿真及分析

本文研究目的旨在降低磁流變換向閥壓力損失，由于磁流變換向閥中導(dǎo)閥部分無(wú)相對(duì)移動(dòng)部件，因此主要分析不同流量下閥芯與閥口開(kāi)口度對(duì)于進(jìn)出口壓力影響[15-16]。設(shè)置試驗(yàn)壓力為35 MPa，仿真流量區(qū)間為20～80 L/min（增量間隔為20 L/min），閥芯與閥口開(kāi)口度即閥芯移動(dòng)距離為1～5 mm（增量間隔為1 mm）。圖5 為80 L/min 時(shí)不同閥芯移動(dòng)距離流量-壓差仿真圖。整合所有仿真數(shù)據(jù)，并將具有相同閥芯直徑的北京華德液壓工業(yè)集團(tuán)責(zé)任有限公司4WE 6T61B/CG24N9Z5L 電磁換向閥相關(guān)數(shù)據(jù)帶入同樣環(huán)境仿真作為參照數(shù)據(jù)，得到不同流量、不同閥芯移動(dòng)距離下流量-壓差仿真數(shù)據(jù)。圖6 為閥芯移動(dòng)距離對(duì)流量-壓差影響曲線對(duì)比圖。

圖5 液動(dòng)換向閥80 L/min 流量-壓差仿真Fig.5 Simulation of 80 L/min flow pressure difference of hydraulic directional valve

圖6 閥芯移動(dòng)距離對(duì)流量-壓差影響曲線對(duì)比圖Fig.6 Comparison chart of influence curve of valve core moving distance on flow-pressure difference

對(duì)比4WE 6T61B/CG24N9Z5L 電磁換向閥仿真參照曲線，流量為80 L/min 時(shí)電磁換向閥壓差值約為1.0 MPa，磁流變閥閥芯位移為3，4，5 mm時(shí)壓差值約為0.45，0.55，0.70 MPa，均小于電磁換向閥。仿真結(jié)果表明：壓差數(shù)值隨閥芯位移量增加呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。因此磁流變換向閥將閥芯最大有效行程擴(kuò)大為5 mm，減小輸出壓力損失，進(jìn)而提高了閥體節(jié)能性。

4 流量-壓差特性實(shí)驗(yàn)及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)比磁流變換向閥與4WE 6T61B/CG24N9Z5L 電磁換向閥仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)是否存在差異，根據(jù)JB/T 10373-2014液壓電液動(dòng)換向閥和液動(dòng)換向閥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)磁流變換向閥和電磁換向閥依次進(jìn)行流量-壓差性能測(cè)試[17]。測(cè)試原理圖如圖7 所示，并根據(jù)測(cè)試原理圖建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖7 導(dǎo)磁型磁流變換向閥測(cè)試原理圖Fig.7 Test schematic diagram of magnetic conductive magnetorheological directional valve

4.2 磁流變換向閥流量-壓差性能測(cè)試

首先對(duì)4WE 6T61B/CG24N9Z5L 電磁換向閥進(jìn)行流量-壓差性能測(cè)試[18]。由于換向閥流道進(jìn)出口分別為T(mén)、P、A、B，根據(jù)不同滑閥位置實(shí)現(xiàn)不同機(jī)能，調(diào)整滑閥向右移動(dòng)，此時(shí)油口連接為P-B、A-T，分別測(cè)試不同流量情況下P-B、A-T 壓力損失。對(duì)磁流變閥進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需將電磁換向閥更換為磁流變換向閥，同時(shí)油源更換為磁流變液油源系統(tǒng)。通過(guò)左右側(cè)半橋輸入電流差，控制閥芯向右移動(dòng)，分別測(cè)試不同流量情況下PB、A-T 壓力損失，分別如圖8、圖9 所示。

圖8 換向閥P-B 口流量-壓差測(cè)試圖Fig.8 Flow-pressure difference test chart of P-B port of directional valve

圖9 換向閥A-T 口流量-壓差測(cè)試圖Fig.9 Flow-pressure difference test chart of A-T port of directional valve

測(cè)試結(jié)果表明：電磁換向閥在流量達(dá)到20 L/min時(shí)，P-B、A-T 壓力損失約為0.13 MPa、0.11MPa，磁流變換向閥在流量達(dá)到20 L/min 時(shí)，P-B、A-T壓力損失約為0.115 MPa、0.097 MPa，與仿真結(jié)果基本符合，對(duì)比實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果，磁流變換向閥的流量-壓差特性?xún)?yōu)于同通徑電磁換向閥。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種多級(jí)徑向流磁流變閥，同時(shí)基于多級(jí)徑向流磁流變閥以及惠斯通電橋原理設(shè)計(jì)一種磁流變換向閥。建立了磁流變換向閥流量-壓差數(shù)學(xué)模型，利用Fluent 對(duì)磁流變換向閥主閥進(jìn)行不同開(kāi)口度下流場(chǎng)仿真，結(jié)果表明，壓差數(shù)值隨閥芯位移量增加呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，磁流變換向閥有效行程擴(kuò)大為5 mm，相較同通徑電磁換向閥壓力損失更小。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)電磁換向閥與磁流變換向閥分別進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，磁流變換向閥同流量情況下壓力損失比4WE 6T61B/CG24N9Z5L 電磁換向閥小，較相同通徑電磁換向閥流量-壓差性能有提高。