新型磁流变阀压力特性影响规律研究

孙安欣， 谢方伟, 赵呈向, 田祖织, 石修伟

(1.中国矿业大学 机电工程学院， 江苏 徐州 221116； 2.徐州徐工挖掘机械有限公司， 江苏 徐州 220005)

引言

在工业领域中，液压系统以其大惯量、重负载、高精度等良好性能使其占有重要地位[1]。作为新型液压系统的关键控制元件，磁流变阀以其响应速度快、控制精度高等优点被广泛应用[2]。然而，磁流变阀的压力特性是限制其在液压系统的应用和发展的主要原因之一[3]，为此，国内外很多学者对此开展了大量的研究工作。

部分学者致力于通过增大磁流变阀有效阻尼长度来改善其压降性能。设计蛇形蜿蜒式流道[4-5]、蚊香板式流道[6]、螺旋液流通道[7]、亦或将锥形、环形流体通道相结合[8]以增加有效流道长度，进而改善其压力特性。另有部分学者通过增加流道内磁感应强度来提高压降性能。增加磁感应强度主要依靠增加励磁线圈数量来实现，设计双线圈磁流变阀[9-11]，通过控制输入励磁线圈电流大小，从而控制阻尼间隙内的磁场强度，达到调节磁流变阀压力特性的目的。增加磁感应强度也可以通过复合激励的方法来实现，王乃斌[12-13]等设计了一种采用永磁体和线圈复合激励的混合流磁流变阀，并采用有限元仿真软件分析了不同线圈电流下磁感应强度分布和压降变化规律，有效地提升了压降性能。还可以通过改变阀门材料特性来增加有效磁通面积[14]，从而达到增加磁感应强度的目的。还有一部分学者通过对磁流变阀各结构参数进行优化来提高压降性能。运用ANSYS优化工具箱[15-16]、采用拉格朗日乘子法并结合拟牛顿法[17]、模糊控制[18]等对阀体基本结构参数进行优化设计，利用Maxwell等电磁场仿真软件对优化前后的磁流变阀进行仿真，进而提高磁流变阀压降性能。

从以上研究可知，改善磁流变阀的压力特性主要通过增大有效阻尼长度、提高磁场强度、设计新型结构并对其进行仿真优化来实现的。基于此，本研究设计了一种新型磁流变阀，采用有限元仿真软件Maxwell得出磁感线分布和磁感应强度随路径变化规律，并计算进出口及各流道压降，得出其压力特性，为磁流变阀的研究、应用和发展提供了一定的理论依据。

1 结构设计及工作原理

1.1 结构设计

垂直于磁流变液流动方向的磁场分量能够促进磁流变阀充分发挥磁流变效应[19]，所以磁感线集中、均匀、垂直地穿过磁流变阀流道能够改善压力特性[20]。基于此，在传统磁流变阀研究的基础上，设计了一种新型磁流变阀，结构形式如图1所示，该磁流变阀为复合流道间隙类型，包括圆环轴向型流道1、圆盘径向型流道2以及圆管型流道3，如图2所示。由于阀体内隔磁环的使用，使励磁线圈产生的磁感线能够垂直于轴向流道和径向流道，增大磁场的有效流通面积。通过外接步进电机控制调距轴在轴向的位移，达到调节圆盘径向流道间隙的目的，该方法简单方便，极大地提高了磁场利用率，改善磁流变阀的压降调节范围。

1.调距轴 2.锁紧螺母 3.左端盖 4.螺钉 5.密封圈 6.密封圈 7.阀套 8.导磁盘 9.密封圈 10.隔磁环 11.阀芯 12.线圈 13.螺钉 14.密封圈 15.右端盖

图2 新型磁流变阀液流通道结构

1.2 工作原理

当给励磁线圈通入电流时，磁流变阀进入工作状态，由电磁效应产生的磁感线穿过导磁盘、阀套、阀芯形成闭合回路。因隔磁环与其他零部件的相互配合，产生的磁感线能够垂直于阀套与导磁盘形成的轴向流道和导磁盘与阀芯形成的径向流道。与此同时，流道中磁流变液瞬间转变为具有高黏度、低流动性的半固体，剪切屈服强度变大，流动阻力增强，流速变慢，产生压降。由此可知，通过调节流道间隙和励磁电流可以达到调节阀进出口压差的目的。

2 新型磁流变阀电磁场仿真

磁路分布是影响磁流变阀压力特性的重要原因之一，为了更直观地了解所设计磁流变阀磁场分布情况，本研究利用Ansoft Maxwell电磁场有限元软件对所设计的新型磁流变阀进行电磁场数值仿真，为进出口压力特性提供参考。

所设计的磁流变阀为对称结构，为便于分析和计算，建立了其1/2模型，并进行仿真。图3为新型磁流变阀有限元仿真2D模型，包括导磁盘、流道间隙、隔磁环、阀套、阀芯、励磁线圈等6个区域，材料定义如表1。

图3 新型磁流变阀有限元仿真2D模型

表1 新型磁流变阀仿真材料

图4是新型磁流变阀励磁线圈电流为1 A、径向间隙大小为1 mm时的仿真结果。图4a为磁感线分布情况，从图中可以看出，磁感线所围成的封闭曲线与流道间隙方向基本垂直且绝大部分的磁感线都从其中穿过，靠近励磁线圈的磁感线更加密集而且磁场强度更大。图4b为磁感应强度与路径关系图。从图中可以看出，磁感应强度在圆环过渡到圆盘间隙的过程中从至高点跌落至零点。这是因为隔磁环阻断了部分磁感线，使磁场强度很低。圆盘间隙处的磁感应强度随路径的增加而减小，这是由于离励磁线圈较远，磁场强度较弱，磁感应强度较低。圆管间隙处的磁感应强度几乎为零。

图4 新型磁流变阀仿真结果

3 新型磁流变阀压力特性分析

3.1 压降数学模型的建立

如图2所示，本研究所设计的新型磁流变阀流道由圆环式流道、圆盘式流道和圆管式流道组成，三个流道所产生的总压降由各流道磁流变液流动所产生的黏滞压降Δpv和克服磁流变液屈服应力所产生的屈服压降Δpy构成。

1) 各流道的黏滞压降

(1) 圆环流道的黏滞压降

(1)

式中, Δpv1—— P区域1的黏滞压降，Pa

υ—— 磁流变液零场黏度，Pa·s

ha—— 导磁盘厚度，m

R—— 阀套半径，m

ga—— 圆环间隙宽度，m

th—— 阀套厚度，m

(2) 圆盘流道的黏滞压降

(2)

式中， Δpv2—— 区域2的黏滞压降，Pa

W—— 绕线槽深度，m

gr—— 径向间隙宽度

r1—— 阀芯中部半径，m

r0—— 孔口半径，m

(3) 圆管流道的黏滞压降

(3)

式中， Δpv3—— 区域3的黏滞压降，Pa

H—— 阀芯长度，m

(4) 由式(1)～式(3)得三种流道总粘滞压降

Δpv=Δpv1+ΔPv2+Δpv3=Δpv1

(4)

2) 各流道的屈服压降

(1) 圆环流道的屈服压降

(5)

式中， Δpy1—— 区域1的屈服压降，Pa

c—— 液流速率的修正系数

τy1(B) —— 圆环形流道间隙处随磁场强度变化的剪切应力，F

(2) 圆盘流道的屈服压降

(6)

式中， Δpy2—— 区域2的屈服压降，Pa

τy2(B) —— 圆环形流道间隙处随磁场强度变化的剪切应力，F

(3) 圆管流道的屈服压降

Δpy3=0

(7)

式中， Δpy3—— 区域3的屈服压降，Pa。

(4) 由式(5)～式(7)得，三种流道总屈服压降

Δpy=Δpy1+Δpy2+Δpy3=Δpy1

(8)

3) 由式(4)、式(8)得，阀口进出口总压降

Δp=Δpv+Δpy

=Δpv1+Δpv2+Δpv3+Δpy1+Δpy2

(9)

3.2 压降特性仿真分析

磁流变阀的压力特性主要受磁流变液入口流量、励磁电流、流道间隙的影响。根据上文所提供的磁流变液特性参数、磁流变阀的结构参数以及磁场仿真参数，对磁流变阀的压降特性进行仿真计算。

1) 流量大小对压降的影响

图5为新型磁流变阀在不同流量下的压降输出特性曲线。结合前文可知，电流为0时屈服压降为0，此时总压降即为黏滞压降，随流量的增加而线性增长；当电流不为0时，总压降由粘滞压降和屈服压降组成，与流量呈线性递增关系；屈服压降与流量大小无关，只受电流的影响，随着电流的增大，产生的压降同幅度增大。

图5 Δp-q关系曲线

2) 径向间隙对压降的影响

图6为四种径向间隙下压降与电流变化关系图。图6a为圆环处屈服压降随电流变化关系曲线。从图中可以看出，随着电流的增大，不同径向间隙下圆环处屈服压降的差距变小；且增长速率以1 A为界先大后小。图6b为圆盘处屈服压降与电流变化关系图，从图中可以看出，圆盘处屈服压降与电流呈正增长关系；且随着电流的增长，不同径向间隙下屈服压降的差距逐渐增大。图6c为总屈服压降与电流关系图，从图中可以看出，总屈服压降与电流呈正相关，与流道间隙呈负相关；当励磁电流为1.5 A、径向流道间隙为0.5 mm时，总屈服压降最大，为4435 kPa。

图6 压降与电流关系曲线

图7为四种径向间隙下进出油口总压降与电流变化关系图。从图中可以看出，总压降与电流呈正增长关系，与流道间隙呈负相关；电流为0时，不同流道间隙下的总压降不为0；当励磁电流为1.5 A、径向流道间隙为0.5 mm时，总压降可达最大值7095 kPa。

图7 Δp-I关系曲线

综上可知，电流越大、流量越大、径向间隙越小，新型磁流变阀所获得的总压降也越大，反之则越小。

4 结论

本研究设计了一种具有圆环形、 圆盘形和圆管形三种流道间隙的新型磁流变阀，采用Maxwell电磁场仿真软件，得出磁感线分布和磁感应强度随路径变化规律；建立了新型磁流变阀压降数学模型并对其进行计算分析，得出了新型磁流变阀流量、励磁电流、阻尼间隙等参数与屈服压降、进出口压降之间的关系；当激励线圈电流为1.5 A，径向流道间隙为0.5 mm时，进出油口总压降最大，为7095 kPa；径向流道间隙为2 mm 时，进出油口总压降最大为2260 kPa。研究结果表明，磁流变阀总压降与电流和流量成正相关，与径向间隙成负相关，为磁流变阀的设计提供一定的理论参考。