磁流变技术在液压传动与控制中的应用研究

汤金华

（江西工业工程职业技术学院，江西 萍乡 337055）

磁流变技术在液压传动与控制中的应用研究

汤金华

（江西工业工程职业技术学院，江西 萍乡 337055）

文章分析了磁流变液效应，对磁流变液在液压传动与控制中的工作模式和实际应用研究进行了详细地阐述，展望了磁流变技术应用于液压传动与控制系统领域的未来发展。

磁流变技术；液压传动；液压控制

1 磁流变液效应

参照一般的磁畴理论对磁流变液产生的效应进行解释，将磁流变液悬浮体中的每一个微小颗粒都当成是一个小磁体，其间的邻近原子间具有较强的交换耦合作用，呈现磁矩平行排列的状态，形成磁畴。在没有外磁场干扰的情况下，每一个磁畴中的原子排列一致且稳定，期间的微小颗粒不显磁性。当发生外磁场干扰时，磁畴间的磁能低于其磁畴反方向的磁能从而自发磁化磁畴中磁矩，而此时磁畴中的微小颗粒显出磁性，期间排序呈链状。外磁场磁力与磁畴中的微小颗粒的磁饱和强度及其剪切应力呈正比关系。磁流变液的组成部分主要是由分散相的磁性颗粒、基础液和高分子添加剂组成，选择具有高磁饱和和强度的磁性颗粒是制备优质磁流变液的重要前提。基础液的选择，需要具有低粘度、高沸点、低凝固点和高密度等特点。添加剂的选择，是为了改善磁流变液的性能，增加磁性颗粒表面的活性、与较好的润湿性和稳定性。

2 磁流变液在液压传动与控制中的工作模式

磁流变液的工作模式有流动模式、剪切模式和挤压模式三种。流动模式中上下级板固定，磁流变液则在期间装置的作用力下流动，其间产生的压力差导致的屈服应力与磁场无关的粘性分量组合成公式：

其中ΔPH代表屈服应力分量，ΔPH代表粘性分量，τH代表磁流变液中动态的屈服应力，η代表其间的粘度，Q代表其间体积流速，L 代表上下极板的长度，h 代表上下极板的宽度，s 代表上下级板的间隙，c 代表系数。剪切模式上下级板平行相对运动，磁场和极板运动呈垂直方向，形成剪切阻力，期间屈服应力分量和粘性力分量组合成公式：

其中FΗ代表屈服应力分量，Fη代表粘性力分量，η代表动态屈服应力，v 代表塑性粘度，A 代表上下极板间相对速度，代表上下极板间长、宽和间隙。挤压模式中施加磁场的方向和极板运动的方向平行，且同时和极板做相对运动，使极板中的磁流变液处在拉伸和压缩的交替状态，呈现出挤压模式。

由于磁流变液中的组成部分中包含较好的表现活性剂，其中磁畴间的微小颗粒并不会对液压系统造成污染和损害，避免了对液压系统的工作造成影响，所以磁流变液可作为液压系统中的传动工作介质。因其具有较好的润滑性，故在液压系统的运行中，可起到对控制元件和执行元件润滑的作用。

3 磁流变技术在液压传动与控制的应用研究

磁流变技术应用在液压传动与控制的研究中，国内外许多学者对此做了大量的研究。例如Lord公司研发的旋转式控制器、Barkan等人研发的双圆盘式大转矩磁流变液离合器、国内郑军等人研发的圆柱式磁流变液传动装置、丁柏群等人设计的汽车论内叶轮式磁流变液控制器等，而对各种类型的磁流变阀的研发，更是远超于传统液压阀的性能。这些关于磁流变技术的研究，都将成为磁流变液压传动与控制系统设计的基础。下面主要介绍各类磁流变阀的实际应用。

磁流变溢流阀是通过衔铁和线圈组成，当磁流变液从第一层铁芯和第二次铁芯之间流过时，外加的磁场会使其瞬间变成固态。当压力达到定值时，磁流变液也恢复流动态。所以线圈通电时，磁流变溢流阀可达到溢流的效果。磁流变减压阀是由内含铁芯的线圈和衔铁组成，磁流变液从衔铁和铁芯之间流过。当线圈通电时，磁流变液发生转变，从而达到减压的效果，对其线圈电流大小的调节可实现磁流变液屈服应力的强度变化，达到调压的效果。磁流变比例阀，是通过外界磁场的作用使磁流变液的粘度增大，从而使阀门进口压力增强，以减缓液体流动。当通电时，比例阀中发生阻力的变化，形成活塞缸的压力差，从而发生活塞移动，以此达到执行元件的连续、稳定的定位。磁流变伺服阀，主要是通过产生和放大磁流变液压系统中需要的控制电流信号的电信号控制器、内含四个结构尺寸一样的桥式磁流变元件集成板及常用的滑阀类的功率放大元件组成。磁流变伺服阀中，当外加磁场作用下磁流变液形成塑性流体，其间伺服元件仍可保持其阻特性。但当磁场增强，其工作的压力差随之变大，通过对电流的调节改变磁流变也得粘度，以达到磁流变伺服阀的调节作用。其中电信号的指令研发便于测量、比较和校正，该方向的研究可逐步实现智能自动化控制。磁流变开关阀，主要是对输入磁流变阀的电压脉冲的占空比的控制，调解磁流变阀输出量的平均值和占空比的占比，从而达到变量的控制。

4 结束语

磁流变液是液压传动与控制系统中主要的工作介质，其原理是通过外加磁场使磁流变液粘度增大，以此达到减缓和阻止液体流动的效果。在液压系统的应用中，利用磁流变技术研发的控制阀较于传统的液压系统更加具有低成本、零磨损、寿命长、控制简便等优点，具备良好的发展前景。随着磁流变技术的不断成熟和完善，其磁流变研发的元件可逐步替代传统的机电元件，促进电子控制和机械执行之间的联系，以达到机械设备的灵活、简便的操作，实现动力的高效运转和精确控制，可以说磁流变技术为液压传动和控制技术带来了改革性的巨变，也将逐步使液压传动和控制系统日臻完善。

［1］王京涛，吴张永，岑顺锋，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，（10）：131-133，144.

［2］王庆辉，吴张永，温成卓，等.磁流变液压技术的发展现状与展望［A］.2011装备制造业绿色创造节能减排发展论坛论文集［C］.2011：1-6.

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1671-3818（2016）10-0061-01