磁流变液在液压缸调速中的应用

宋晓梅, 王扬扬

(沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳　110044)



磁流变液在液压缸调速中的应用

宋晓梅, 王扬扬

(沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳110044)

摘要:研究了磁流变液黏度与磁场及温度之间的变化关系.结果表明,磁流变液黏度变化是可逆、快速和方便的.基于磁流变液的这一优点将其应用到液压缸调速中,并对其进行进油回路的速度负载特性分析.对传统液压缸调速进行分析,通过改变流量实现对传动系统的调速.

关键词:磁流变液; 磁场强度; 温度; 黏度; 液压缸调速; 速度负载特性

磁流变液是一种具有良好发展前景的新型智能材料,自诞生之日起就受到科学家的青睐[1].但由于技术“瓶颈”的出现,在一段时间内没有得到发展.20世纪后期,以美国lord(洛德)公司为代表对磁流变液技术进行了相关的研究并取得了一定的成果[2].

液压缸的传动速度由节流阀流量和液压缸的有效作用面积决定,通过改变节流阀的流量实现对其速度的调节.对于细长孔的节流阀,节流阀通流面积和黏度是流量变化的因素,但对于传统的节流阀若要在传动过程中改变通流面积和油液的黏度都是不易实现的,所以很难实现在传动过程中调速.

磁流变液的黏度是可以变化的,基于磁流变液的这一优点,将其应用到液压缸调速中,可以实现方便可行的调速控制.本文通过实验分析,找出磁流变液黏度变化的相关因素及变化关系函数并利用黏度的改变来控制液压缸的传动速度,达到调节液压缸速度的目的.

1影响磁流变液黏度因素的分析

1.1磁场对磁流变液黏度的影响

磁流变液是由母液、磁性微粒和防沉剂组成.在没有磁场作用时,磁性颗粒在母液中成无规律随机分布,此时,黏度表现为母液本身的黏度.当磁流变液遇到磁场作用时,磁性微粒受到磁场的作用,开始沿磁场方向成链状排列,随着磁感应强度的增加,磁链变为柱状,这样使磁流变液的黏度增加,撤去磁场之后磁流变液的黏度回到零场状态.磁流变液黏度的增加不仅跟磁感应强度有关,而且还与磁场方向有关[3].当磁场方向与磁流变液流动方向相同时,磁流变液的黏度几乎跟磁场没有关系,不会随着磁感应强度的变化而变化.当磁场方向与磁流变液运动方向垂直时,黏度变化会随着磁场强度而变化[4].

图1　酯基磁流变液磁粘特性曲线

由图1可知:基于对酯基磁流变液的分析,磁流变液的黏度随着磁感应强度的增强而增加,呈单调增加的趋势.当磁感应强度<0.3 T时,磁流变液的黏度并没有很大的变化,而当磁感应强度≥0.3 T时,磁流变液的黏度增加的速率加大,此时磁感应强度对磁流变液黏度的影响非常大.利用MATLAB的拟合软件针对图1的特性曲线进行拟合后得到在20 ℃时酯基磁流变液的磁粘特性表达式:

(1)

式中:η为磁流变液黏度,mPa·s;B为磁感应强度,T.

1.2温度对磁流变液黏度的影响

对于任何油性液体来说,温度的变化总是会给黏度带来很大的影响.在一定的范围内,随着温度的升高,油液的黏度会逐渐的下降,磁流变液黏度同样也随着温度的升高而降低[5].

图2　磁流变液粘温特性曲线

由图2可知:实验温度是由-40～80 ℃之间,在-40 ℃时,磁流变液的黏度能达到1 600 mPa·s,随着温度的升高磁流变液的黏度在不断的下降.在-40～20 ℃之间黏度下降的速率较大,此时温度对磁流变液黏度的影响较大,而当温度达到20 ℃以上时黏度的下降速率比较平缓,此时温度对磁流变液黏度的影响就不大了.

通过MATLAB软件对图2中粘温特性曲线进行拟合得到在-40 ℃≤t<20 ℃之间的粘温函数:

(2)

式中:t为温度,℃.

当t≥20 ℃时,

η=147.6×exp(-0.101t)+

(3)

式中:η为磁流变液黏度,mPa·s;t为温度,℃.

通过对酯基磁性颗粒的磁流变液粘温特性进行实验,发现酯基磁流变液的黏度随着温度的增长而减小.

在工作过程中,磁流变液温度变化是不可避免的,可以通过增加磁场的强度的变化来减少因温度变化而引起的黏度变化.

2液压缸调速

2.1传统液压缸调速

液压缸传动速度是由速度控制回路来控制的,主要是由减压阀和节流阀组成.通过改变输入流量进行控制,在不考虑液压油泄露和可压缩性的前提下:

(4)

式中:v为活塞运动速度,mm/s;q为流量,mm3/s;A为液压缸的有效工作面积,mm2.

对于细长孔,即l/d>4小孔流量公式为[6]:

(5)

式中:q为流量,mm3/s;d为孔直径,mm;η为油液的黏度,mPa·s;l为孔的长度,mm.

通过改变小孔直径和油液的黏度可以实现对流量的改变,从而达到对液压缸活塞速度的控制.

2.2磁流变液可控调速

基于磁流变液黏度随磁场强弱和温度高低的变化而变化,以及磁流变液黏度变化是可逆、快速和方便等优点,将磁流变液黏度的可变性应用到液压缸传动调速中,以解决在传动过程中速度变化的问题.

对于非匀速的液压缸传动,传统的液压缸是通过流量变化实现,改变节流阀的通流面积可以改变流量的大小,节流阀直径相对较小很难改变,因而很难通过改变节流阀直径而控制流量.当应用磁流变液时,细长孔节流阀流量大小的变化可以通过改变磁流变液的黏度来实现.

由于液压缸的工作环境在室内,温度会大于20 ℃所以选择由公式(1)、式(3)、式(4)和式(5)可知磁流变液液压缸的速度表达式:

(6)

式中:v为活塞运动速度,mm/s;d为孔直径,mm;B为磁感应强度,T;t为温度,℃;A为液压缸的有效工作面积,mm2.

其工作原理:由图3可知,当线圈未通电时,磁流变液的黏度是基液的黏度,在传动过程中,流量是恒值不会改变.当线圈通电之后产生磁场,磁流变液在磁场作用下磁流变液的黏度会发生变化,变化值由式(3)可得,黏度变化后通过节流孔的流量发生相应的变化.流量变化会导致液压缸活塞的传动速度发生变化.根据在传动过程中速度的需求量的不同,由式(6)事先计算出需要的磁感应强度.在整个传动过程中通过改变磁场的变化来实现对速度的调控.

图3　可调速磁流变液液压缸工作示意图

2.3速度控制回路的速度负载特性分析

液压系统采用定量泵供油时因泵输出的流量qp一定,因此要控制执行元件的输入流量q,必须在泵的出口处旁接一个支路,将多余的流量溢回到油箱中,这种回路由节流阀、溢流阀、定量泵和执行元件组成,如图4所示.

图4　进油节流调速回路

将节流阀串联在液压缸和液压泵之间,用它来控制液压缸的流量从而达到调速目的,这样的回路称为进油路节流调速回路.由式(4)可知,在进油路节流回路中,活塞的运动速度取决于进入液压缸流量和液压缸进油腔的有效面积.

根据连续性方程,进入液压缸的流量q等于通过节流阀的流量,而通过节流阀的流量可以由节流阀的压力流量方程表示,即:

(7)

式中:q为节流阀的流量,mm3/s;K为节流阀口和油液特性的液阻系数;AT为节流阀的通流面积,mm2;ΔP1为节流阀两端压差,N;pp为液压泵的出口压力,N;P1为液压缸进油腔压力,N.

当活塞匀速运动时,液压缸的回油腔直接连接着油箱,所以所受的压力为0,活塞的受力平衡方程为

(8)

式中:P1为液压缸进油腔压力,N;A为液压缸的有效工作面积,mm2;FL为液压缸克服的总负载力,N.

将式(8)代入式(7)中可得:

(9)

式中:q为节流阀的流量,mm3/s;K为节流阀口和油液特性的液阻系数;AT为节流阀的通流面积,mm2;pp为液压泵的出口压力,N;FL为液压缸克服的总负载力,N;A为液压缸的有效工作面积,mm2.

(10)

式中:v为活塞运动速度,mm/s;q为节流阀的流量,mm3/s;A为液压缸的有效工作面积,mm2;K为节流阀口和油液特性的液阻系数;AT为节流阀的通流面积,mm2;pp为液压泵的出口压力,N;FL为液压缸克服的总负载力,N.

对于传统的液压缸传动,由式(9)可知,执行元件的输入流量由节流阀的通流面积和节流阀两端的压差ΔP1决定,将流量q代入式(4)中可以得到式(10),活塞的运动速度与节流阀的通流面积AT成正比,与负载FL的增加成反比.在此传动过程中由于节流阀的通流面积不能改变,只能做匀速直线运动.

磁流变液液压缸传动也满足式(9),但流量的变化不仅由通流面积AT和节流阀两端的压差ΔP1决定,还可通过外部磁场力和温度来控制.代入式(4)中,磁流变液液压缸传动也满足进油回路速度负载特性,但是活塞的传动速度v由三个变量决定,分别是节流阀的通流面积AT,节流阀两端的压差ΔP1和改变油液黏度的磁感应强度和温度决定,从而实现可控性.

3总结

影响磁流变液黏度的主要因素有磁感应强度和温度,随着磁感应强度的增加磁流变液的黏度会出现相应的增加,而磁流变液温度的增加会导致黏度的下降.因此,通过工作腔磁感应强度和温度的变化来调整磁流变液黏度的大小,从而通过改变流量的大小,达到改变液压缸传动速度的效果.这一理论给液压缸变速提供了新的调速方法及其理论依据.

参考文献:

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(MING R X, WAN H X. Hydraulic and pneumatic transmission[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2003.)

【责任编辑: 曹一萍】

Speed Control of MRF Hydraulic Cylinder

SongXiaomei,WangYangyang

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:The variation between magnetorheological fluid (MRF) viscosity, magnetic field and temperature is studied. The experimental results show that, the changes of MRF viscosity are reversible, fast and convenient. Based on the advantages of MRF, it is applied to the hydraulic cylinder speed control, and the speed load characteristics of oil inlet circuit are analyzed. Speed regulation of conventional hydraulic cylinders are analyzed, the speed control of transmission system is achieved by varying the flow rate.

Key words:magnetorheological fluid; magnetic field intensity; temperature; viscosity; the hydraulic cylinder speed control; speed load characteristic.

中图分类号:TB 32

文献标志码:A

文章编号:2095-5456(2016)02-0166-04

作者简介:宋晓梅(1969-),女,辽宁沈阳人,沈阳大学副教授,硕士生导师.

收稿日期:2015-11-11