阻尼间隙可调式磁流变阀压降特性实验研究

胡国良，张海云，喻理梵

(华东交通大学机电工程学院，江西南昌 330013)

0 前言

磁流变液作为一种可控智能材料，其流变特性是随外加磁场变化而变化的。磁流变阀是以磁流变液为工作介质和磁流变效应为控制原理设计的一种液压智能控制元件。磁流变阀阀芯和阀体形成磁流变液流经通道，通过改变外加电流的大小来改变液流通道内的磁场强度，进而改变通道内的磁流变液的黏度，形成不同的压力差。由于磁流变阀采用电信号控制，无相对移动部件，不仅结构简单、运动可靠，而且控制方便、响应速度快，可以满足对液压系统和液压元件的智能化、低能耗、高效率、高可靠性和环保的要求［1－2］。

基于磁流变液的流变特性，国内外研究学者对磁流变阀的结构设计和应用付出了不懈努力。国外学者KORDONSKY等［3］使用磁流变阀及液压缸构成惠斯通桥臂结构，通过控制磁流变阀的通电相序实现对液压缸运动方向的控制。GORODKIN等［4］提出了一种具有减震效果的磁流变节流阀模型，研究分析了模型在不同电流强度下的阻尼特性。SALLOOM等［5］利用磁流变阀构成换向阀结构，通过控制4个磁流变阀励磁电流的有无，实现12种工作状态。美国马里兰大学的YOO等［6］提出了一种高效率的磁流变阀结构，其阀芯直径不大于25 mm，阻尼间隙厚度小于1 mm，响应频率能够达到100 Hz。国内重庆大学光电学院的王代华等［7－8］提出了一种同时具有圆环形和圆盘形阻尼间隙的磁流变阀，并对其进行了电磁场仿真分析对比和实验测试。湖北工学院的陈钢等人［9］将磁流变液用于减压阀的设计，给出了其数学模型，并对新型减压阀进行了仿真研究。也有学者对双线圈型磁流变阀压降特性进行了相关仿真分析及实验研究［10－12］。

综上所述，国内外关于磁流变阀结构方面的研究很多，有单线圈、双线圈甚至三线圈型磁流变阀，也有圆环式和圆盘式阻尼通道的磁流变阀，但这些磁流变阀的阻尼间隙均是固定的，只能适度通过调节励磁线圈中电流大小来控制阀进出口压差，导致调压范围有一定局限性。鉴于此，文中设计了一种单线圈阻尼间隙可调式磁流变阀，该磁流变阀阻尼间隙可在1.0～2.0 mm范围内机械可调;同时搭建了实验测试平台进行压降性能测试分析。

1 阻尼间隙可调式磁流变阀结构设计

图1所示为所设计的阻尼间隙可调式磁流变阀结构原理图，主要由阀芯、锁紧螺母、阀套、阀体及端盖等主要部件组成。阀套上绕有励磁线圈，线圈的引线由阀体上的小孔引出。通过旋转阀芯在阀体中的轴向位置可调整阻尼间隙厚度。当阻尼间隙厚度确定好后，可通过旋紧锁紧螺母固定阀芯轴向方向的移动，保准阻尼间隙厚度。

图1 阻尼间隙可调式磁流变阀结构原理图

图2所示为可调式磁流变阀的两种极限工作状态示意图。从图2(a)可知，旋转阀芯使得阀芯轴向长度离右端盖距离最大 (l=lmax)时，此时阻尼间隙处厚度达到最小，hmin=1 mm。反之，如图2(b)，旋转阀芯使得阀芯轴向长度离右端盖距离最小 (l=lmin)时，此时阻尼间隙处厚度达到最大，hmax=2 mm。

图2 阻尼间隙可调式磁流变阀两种极限工作状态

图3所示为阀套锥面与阀芯锥面之间间隙形成液流通道及其关键尺寸，由几何关系可知阻尼间隙厚度的表达式为:

式中:hmin为最小阻尼间隙厚度;l为阀芯伸出右端盖的长度;lmax最小阻尼间隙厚度时阀芯伸出右端盖的长度;θ为阀芯锥面的半锥角。

图3 阻尼间隙可调式磁流变阀关键尺寸

由图2和方程 (1)可知，所设计的磁流变阀阻尼间隙厚度与阀芯伸出右端盖的长度成反比。因此旋转阀芯，调节阀芯在阀套中的轴向位置即可实现对磁流变阀阻尼间隙厚度的调节。确定阻尼间隙的厚度后，向磁流变阀的励磁线圈中导入一定大小的电流，由于电磁感应，阀体、阀套、阻尼间隙及阀芯形成电磁回路 (图1及图2中虚线所示)，阻尼间隙内将形成一定大小的感应磁场且方向与阻尼间隙基本垂直，使流经磁流变阀阻尼间隙的磁流变液产生磁致剪切屈服应力，从而产生进/出口压力差。通过控制电流大小、阀芯位置即可控制进/出口压力差。

表1为阻尼间隙可调式磁流变阀主要结构参数值。图4为根据上述结构设计及主要参数值加工出的磁流变阀主要元器件图及实体图。

表1 磁流变阀主要结构参数值

图4 阻尼间隙可调式磁流变阀实物图

2 阻尼间隙可调式磁流变阀实验测试

2.1 阻尼间隙可调式磁流变阀测试平台介绍

图5所示为搭建好的磁流变阀性能测试平台。该测试平台主要包括LabVIEW测试系统电气部分和磁流变液压回路两大部分。其中LabVIEW测试系统电气部分由计算机、采集卡、电源、压力传感器Ⅰ及压力传感器Ⅱ构成;液压回路部分由齿轮泵、磁流变阀、溢流阀Ⅰ、溢流阀Ⅱ及油箱构成。定量齿轮泵作为测试平台动力源;压力传感器Ⅰ、Ⅱ分别连接在被测磁流变阀进口和出口处，检测进口压力和出口压力;溢流阀Ⅰ作为安全阀保护测试系统，溢流阀Ⅱ模拟负载工况同时需要预先设定调节好;电源Ⅰ、Ⅱ分别用来给压力传感器Ⅰ、Ⅱ供电，以及用来给待测磁流变阀中的励磁线圈供电;数据采集卡可实时采集压力传感器Ⅰ、Ⅱ中磁流变阀进出口压力值;计算机用来显示、收集及分析处理磁流变阀测试结果。

图5 磁流变阀性能测试平台

2.2 阻尼间隙可调式磁流变阀性能测试实验分析

图6(a)—(c)所示为阻尼间隙分别调至1.0、1.5、2.0 mm时，磁流变阀在不同电流下进出口压力及压差变化情况。

图6 不同阻尼间隙时磁流变阀压力变化

实验前，先调节设定好溢流阀Ⅱ的压力作为模拟负载，从图6可看出，随着电流的增大，磁流变阀进口压力逐步增大，出口压力则基本保持不变，进而磁流变阀的进出口压差逐步增大。这主要是随着励磁电流的增大，磁流变阀阻尼间隙内磁场强度不断增强，磁流变液的剪切屈服强度不断增强，使进口压力及压差不断增大。

图7(a)— (c)为磁流变阀在阻尼间隙分别为1.0、1.5、2.0 mm时，磁流变阀进出口压差与不同模拟负载的关系曲线。实验时通过调节溢流阀Ⅱ设定3种典型的模拟负载，从图中看出，不同模拟负载下，磁流变阀的进出口压差曲线几乎重合，都是随着通入励磁线圈中电流的增大而增大，即磁流变阀进出口压差变化与施加负载的大小无关，同时也说明磁流变阀的性能比较稳定。

图7 不同模拟负载下磁流变阀压差变化

图8(a)— (c)为阻尼间隙分别为1.0、1.5、2.0 mm时，电流按0～1.8 A和1.8～0 A的加载和卸载两种方式进行实验测试。

图8 不同阻尼间隙阀的压差滞回曲线

由图可知，两条曲线不重合，具有一定弓形形状，显示出滞回曲线受到了一定的剪切滑移影响，且在这3种阻尼间隙厚度下，滞回百分比表示为相同电流时两条滞回曲线之间差值除以相应最大压差值，约为10%。这是由于在磁场作用下磁流变液产生磁致剪切屈服应力所引起的。

图9为阻尼间隙在1.0、1.5、2.0 mm时，磁流变阀进出口压差曲线，可以看出在同一阻尼间隙厚度下阀的进出口压差随着励磁电流的增大而增大;而随着阻尼间隙厚度变小，在相同励磁电流下阀的进出口压差越大。

图10表示磁流变阀在1.0～2.0 mm阻尼间隙可调范围内压差调节范围。由图可知，阀的压差可调范围即阴影部分范围内，介于130～1 100 kPa之间。

图9 不同阻尼间隙阀进出口压差对比图

图10 磁流变阀压差可调范围

3 结束语

设计了一种新型阻尼间隙可调式磁流变阀，并搭建了测试平台进行相应性能测试，得出以下相关结论:

(1)同一阻尼间隙厚度下阀的进出口压差随着励磁电流的增大而增大;而随着阻尼间隙厚度变小，在相同励磁电流下阀的进出口压差越大。

(2)磁流变阀进出口压差与施加负载大小无关，主要由施加在励磁线圈上的电流大小决定。

(3)磁流变阀的工作性能很大程度上取决于所选用的磁流变液的性能好坏，这尤其对压差范围有较大影响，此次实验所测阀的压差可调范围为130～1 100 kPa。

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