磁流变数字阀研究

王庆辉，吴张永，王娴，吴喜，温成卓

(昆明理工大学机电工程学院，云南昆明650500)

随着计算机技术和电子技术在液压系统中的大量应用，液压控制元件的数字化、智能化成为一种必然的趋势[1]。磁流变液压传动技术是一种利用磁流变流体作为工作介质的新型液压技术。磁流变流体(Magnetorheological Fluid，MRF)是1948年美国人J RABINOW 发明的一种新型功能材料，是一种把饱和磁感应强度很高而磁顽力很小的优质软磁材料均匀分布在不导磁的基液中所制成的悬浊液，其流变特性随外加磁场的变化而变化。在磁场作用下磁流变流体能在瞬间(毫秒级)从自由流动的牛顿液体转变为类固体，呈现出可控的屈服强度，而且这种变化是连续、可逆的[2－5]。基于磁流变流体的液压阀数字控制技术可直接与计算机接口，无需D/A转换器，用数字信号直接控制磁流变流体的压力、流量。数字控制方式分为步进式控制和开关式控制两种，开关式控制通常采用脉宽调制 (PWM)的控制方式[6－8]。作者利用磁流变流体的流变特性结合液压阀数字控制技术设计了一种磁流变数字阀，介绍了其结构及工作原理，给出了数学模型，并利用AMESim软件对其静动态特性进行了仿真分析。

1 磁流变数字阀结构及工作原理

如图1所示为磁流变数字阀的结构原理图[9]，主要由外壳、线圈、铁芯、阀芯和端盖组成。选用齿轮泵为动力源，采用密度为ρ=2.56 g/cm3、黏度为μ=30 mPa·s的氮化铁系磁流变流体作为工作介质，铁芯、阀芯等导磁元件采用硅钢作为制作材料，因其具有高磁导率、低矫顽力、强度高等优点，而端盖等隔磁元件采用铝合金作为制作材料[10]。

图1 磁流变数字阀的结构原理图

磁流变数字阀采用磁流变流体的流动工作模式，铁芯和阀芯之间形成工作间隙，磁流变流体从间隙中流过，用非线性B-H曲线模型来描述，如图2所示。当线圈中有一定电流通过时，磁场就会产生于导磁元件铁芯和阀芯之间的工作间隙中，此时流过工作间隙的磁流变流体在磁场作用下瞬间由自由流动的牛顿流体转变为近固体状态，变为黏塑性体，阻尼力增大，阻止磁流变流体进出磁流变数字阀，阀芯两侧的压力差也逐渐增大。可以通过调节线圈中电流大小来调节磁场强度，从而改变磁流变流体的屈服特性，达到磁流变数字阀调节压力、流量的目的，而且该调节是连续可逆的。当线圈中没有电流通过时，磁流变流体又恢复为自由流动状态，这时通过磁流变数字阀的流量最大。

图2 磁流变流体的磁化特性曲线

2 磁流变数字阀数学模型

根据前面对磁流变数字阀工作原理的分析，可建立其数学模型。

磁流变数字阀的压力－流量方程可以用式(11)表示[11]:

式中:Q为磁流变数字阀中的流量;

μ为磁流变流体的零场黏度;

L为两个铁芯加上线圈的长度;

d为磁流变数字阀阀芯的直径;

h为铁芯与阀芯之间的工作间隙;

K为修正系数;

τy为磁流变流体的屈服应力，与工作间隙产生的磁场强度有关。

如式(1)所示，磁流变数字阀阀芯两侧的压力差Δp 由两部分组成，第一部分:

Δp1与μ、Q 及磁流变数字阀的结构尺寸有关，是磁流变黏塑性体流动的黏滞阻尼产生的压降。

第二部分:

除了与磁流变数字阀的结构尺寸有关外，Δp2还与τy有关。在磁流变数字阀结构尺寸一定的条件下，改变通过线圈的电流大小，即改变工作间隙中产生的磁场强度的大小，磁流变流体的τy随之改变，从而改变阻尼力的大小，产生新的压降。Δp2是磁流变数字阀实现智能控制的关键。

3 磁流变数字阀特性分析

3.1 磁流变数字阀静态特性分析

空载流量特性是磁流变数字阀的重要静态特性之一，它基本反映了磁流变数字阀对系统的控制能力。空载流量特性用输入的脉冲数或脉宽占空比与输出流量之间的关系曲线表示。设τ=TP/T为占空比，则磁流变数字阀输出的平均流量为:

式中:Qmax为磁流变数字阀输出的最大流量，Qmax=

在工作频率为25、50 和100 Hz时，磁流变数字阀的空载流量与占空比的关系曲线如图3所示。可以看出:在占空比较小时受开启时间t1的影响曲线中出现死区，其长度大小与开启时间t1有关，即磁流变数字阀的开启时间t1越短，死区长度越小;同样，在占空比接近1时曲线中出现饱和区，其长度大小与关闭时间t3有关，即磁流变数字阀的关闭时间t3越短，饱和区长度越小。从而可知，磁流变数字阀可以工作在较高的频率下。相比而言，工作频率越低，磁流变数字阀的空载流量与占空比的关系曲线线性度越好。

图3 磁流变数字阀的空载流量与占空比的关系曲线

利用AMESim软件仿真分析后绘制出磁流变数字阀的空载流量特性曲线，如图4所示。可以看出:在曲线的低段和高段分别出现了死区、饱和区和非线性区，中间段为线性区。磁流变数字阀正是利用中间这段线性区来实现对流量的控制[12]。

图4 磁流变数字阀空载流量特性曲线

3.2 磁流变数字阀动态特性分析

磁流变数字阀的动态特性与输入信号的控制规律密切相关[13]。图5为磁流变数字阀在脉冲调制信号作用下的动态响应曲线。图中V为施加给磁流变数字阀的脉冲调制电压值，I为通过磁流变数字阀线圈中的电流值，p为磁流变数字阀工作压力值。

图5 磁流变数字阀动态响应曲线

如图5所示，由于电磁惯性导致磁流变数字阀中的铁芯在脉冲调制电压值的上升沿和下降沿各有一个滞后时间t1和t3，同时磁流变流体建立屈服应力和释放屈服应力也各有一个滞后时间t2和t4。t1和t3是由电磁惯性决定的，可以通过补偿或闭环控制等驱动电路来减小。t2和t4是由磁流变流体本身特性决定的，常取0.1～1 ms。另外，因为t2和t4是伴随着t1和t3的产生而产生的，故t1和t3是影响磁流变数字阀快速响应的关键因素。由此可得，通过程序优化控制可以提高磁流变数字阀的动态特性。

4 结束语

通过对磁流变数字阀进行理论研究，可以得出以下结论:

(1)该磁流变数字阀的结构特点是将工作间隙设计在铁芯和阀芯之间，目的使两边的铁芯和阀芯在磁场的作用下均有磁力线通过，既保证了工作间隙两端垂直于磁流变流体方向的磁通密度，又增加了工作间隙中间段平行于磁流变流体方向的磁通密度，提高了磁流变数字阀工作间隙内磁流变流体的整体磁通密度，增大了阻尼力，从而提高磁流变数字阀的性能。

(2)通过对设计的磁流变数字阀进行仿真分析，结果表明:磁流变数字阀具有良好的静动态特性、较高的切换速度和响应频率，可以采用脉宽调制(PWM)方式实现对其压力、流量的控制。因其无相对运动部件，又可在计算机控制下实现压力、流量的连续调节，具有结构简单、工作可靠、使用寿命长等优点，并克服传统液压阀智能化控制困难、制造精度要求较高、输出精度低且对油液污染较敏感的缺点，从而提高系统的可靠性及智能化控制水平。

【1】李松晶，阮健，弓永军.先进液压传动技术概论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2008.

【2】SHIMADA K，OKA.Magnetic Characteristics of Magnetic Compound Fluid(MCF)under DC and AC Magnetic Fields[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2005，290/291:804－807.

【3】ASHOUR O，ROGERS C A，KORDONSKY W.Magnetorheological Fluids:Materials，Characterization，and Devices[J].J Intell Mater Systems and Struct，1996，7(1):123－130.

【4】王京涛，吴张永，岑顺峰，等.磁流变技术在液压传动与控制中的应用展望[J].机床与液压，2011，39(10):131－133.

【5】POLEVIKOV V，TOBISKA L.Instability of Magnetic Fluid in a Narrow Gap between Plates[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2005，289:379－381.

【6】叶文娟.磁流变流体控智能传动机理与设计研究[D].南京:南京理工大学，2009.

【7】陈钢，潘言全，程海斌，等.磁流变流体控制阀控制性能研究[J].武汉理工大学学报，2005，27(3):77－79.

【8】李松晶，李晓东，宋彦伟，等.采用磁流体的伺服阀力矩马达静态试验研究[J].机床与液压，2007，35(7):67－68.

【9】王京涛.基于磁流变流体的先导式溢流阀研究[D].昆明:昆明理工大学，2011.

【10】艾红霞.磁流变阀及具有阻尼特性的磁流变流体压执行器的研究[D].重庆:重庆大学，2005.

【11】李松晶，王广怀.新型磁流变流体溢流阀的研究[J].功能材料，2001，32(3):260－261.

【12】岑顺锋.基于高速开关阀的数字式变量泵研究[D].昆明:昆明理工大学，2011.

【13】毛卫平.液压阀[M].北京:化学工业出版社，2009.