基于MR效应的高速气缸缓冲结构研究

刘亚彬

摘 要：气缸是气动系统最主要的执行元件，其高速化是气动技术发展的必然趋势，而气缸的高速化首先需要解决缓冲问题。本文在介绍了常规高速气缸以及长行程磁流变阻尼器的结构原理基础上，针对常规高速气缸缓冲性能的不足，利用常规高速气缸和磁流变阻尼器在结构上的共性特点，提出了一种基于磁流变液MR效应的高速气缸缓冲结构，并进行了具有剪切阀式磁流变阻尼装置的高速气缸缓冲结构设计，建立了其数学模型，利用Matlab仿真工具对单溢流式缓冲与基于磁流变效应的复合式缓冲两种缓冲工况，进行了仿真对比分析，验证了基于MR效应的高速气缸优良的缓冲性能。

关键词：磁流变；高速气缸；缓冲；仿真

中图分类号：TH138.5 文献标志码：A

0 引言

常规气缸的使用速度一般在50mm/s～500mm/s，本文中高速气缸是指使用速度1m/s以上的气缸，目前高速气缸的使用范围在1m/s～3m/s。但在一些特殊应用场合，如无人机的气动弹射，需要将负载在短时间内加速到20m/s以上，即便使用动滑轮组减速，需要的气缸最高运动速度也要在5m/s 左右，目前高速气缸使用速度距离该种需求还有一定差距。

事实上，使气缸加速到5 m/s甚至更高速度并不困难，只需提高供气通道的通径尺寸就可实现，限制气缸高速使用的关键问题是：如何能够使气缸到达加速行程终点后能够平稳缓冲可靠制动。若缓冲失效，会导致气缸活塞杆在运行末端猛烈撞击端盖，出现活塞反弹和振动现象，密封件严重损坏，活塞杆严重变形，造成高速气缸失效。研究新型缓冲技术已成为高速气缸进一步扩展应用领域亟待解决的课题。

1 工作原理

图1所示某型高速气缸缓冲结构原理图，其原理是活塞杆伸出过程缓冲开始前，缓冲室5内空气经过缓冲密封圈6和活塞杆9之间空隙经供气/排气孔2排出；缓冲开始后，缓冲套3堵塞该间隙，关闭缓冲室5，缸内高压气体只能通过缓冲通道7进入溢流阀8，经溢流阀后再进入供气/排气孔，经溢流后活塞杆平稳缓冲制动，完成缓冲过程。

该型气缸缓冲方式为溢流阀式缓冲，常见的还有针阀式缓冲，其原理和结构与之相似，其具有一定的缓冲效果，但对外界工况变化适应能力差，且无法满足如今对高速化的需求。

磁流变液（magnetorheological fluid，MRF）是一种新型智能材料，磁流变液在磁场作用下，能在毫秒级的时间内连续、可逆的转变为具有高黏度、低流动性的Bingham流体，其表观黏度能增加两个数量级以上，具有类似固体的力学性质，此效应被称为磁流变效应（MR-effect）；外加磁场撤去时，磁流变液又恢复了良好的流动性。国内外已经将磁流变技术应用于军事工程领域和武器系统制动缓冲领域，做了许多研究工作，其在减震、隔震、缓冲阻尼等领域工程化应用的日趋成熟。美国的Virginia Tech 的Mehdi Ahmadian等人已研发出用于火炮反后坐装置缓冲的长行程磁流变阻尼器，其結构原理图如图2所示。

2 基于MR效应的缓冲设计

借鉴直线式磁流变阻尼器与常规气缸缓冲结构，基于磁流变液的磁流变效应，本文提出一种具有复合式缓冲结构的高速气缸，其结构组成如图3所示。

如图3所示，复合式缓冲高速气缸的组成主要是在溢流阀式缓冲气缸的结构基础上，增加了一个剪切式磁流变阻尼装置，以及与缓冲通道联通用于触发线圈通电的压力继电器9。磁流变阻尼装置采用内嵌式结构，如图其线圈1内嵌于气缸缓冲行程部分缸筒内，磁流变液封闭于嵌入活塞2的浮动套筒7与缸筒内壁之间，弹簧5用于不缓冲时浮动套筒的定位。缓冲原理是当缓冲开始后，缓冲腔内压力上升，高压气体通过进气孔8推动浮动套筒反向运动，可以降低缓冲开始瞬间活塞及密封件承受的压力冲击；同时由于浮动套筒推动磁流变液在间隙内与活塞运动方向反向流动，气缸内壁与活塞之间的相对运动，使磁流变液阻尼装置工作于剪切式阻尼模式，流变液产生剪切变形，在外加磁场的作用下，剪切式磁流变阻尼装置能够为缓冲提供较大的剪切阻力。

其缓冲动作过程原理图如图4所示；该复合式缓冲动作由剪切阀式阻尼缓冲与常规溢流缓冲并行，气体通过缓冲通道压力上升，溢流阀开始溢流，同时触发压力继电器动作使线圈通电，磁流变液发生磁流变效应，瞬间产生一个很大的黏性阻力，对气缸进行缓冲制动。

3 建模与仿真

3.1 复合缓冲高速气缸数学模型建模

以高速气缸工作行程为外伸运动时的缓冲过程为例，建立高速气缸复合式缓冲数学模型。

（1）剪切式磁流变效应阻尼数学模型

从磁流变液的本构关系Bingham模型出发，根据流体的受力状态和流动特点的不同，磁流变阻尼器主要分为剪切式、阀式、剪切阀式和挤压流动式。剪切阀式磁流变阻尼器工作原理相当于为剪切式与阀式工作原理的叠加，因此，根据磁流变液的Bingham本构模型，推导得到剪切式阻尼力的计算模型表达式为：

F=τ（H）·π·D·x （1）

其中：τ（H）是磁场作用下的动态屈服应力，为磁流变液的有效作用长度，其余各符号表示物理意义数学模型简图中标注所示。

（2）能量微分方程

根据热力学第一定律，缓冲室1、气缸进气腔2、缓冲通道腔3内能量微分方程可统一表示为：

（2）

其中：pi为各腔室内气体压力；Vi为各腔室容积；Tin、Tout为腔室内外温度；Qini、Qouti为各腔室流入流出气体的流量；k为比热比，R为气体常数。

（3）溢流阀流量方程

（3）

其中：Ae为溢流阀过流孔有效断面积，pu、pd为阀孔上下游压力，Tu为上游温度，b为临界压力比。

（4）活塞运动方程

根据牛顿第二定律，缓冲过程活塞的运动方程为：

（4）

其中：M为惯性负载及活动部件质量；x为活塞位移；s为活塞行程；Ff为摩擦力； F为磁流变提供黏性阻力，A1、A2分别为活塞在缓冲室腔1 和进气腔2的有效作用面积。

3.2 缓冲特性仿真

本文使用Matlab对惯性负载及活动部件质量M=100 kg，缓冲行程初始速度为5m/s工况的高速气缸缓冲过程进行仿真。仿真设定参数依据SMC 公司的RHC系列高速气缸，其缸径为100mm，缓冲段长度为400mm。溢流阀流量系数CV取0.25。磁流变液参考美国Lord 公司的MRF-132AD型磁流变液，磁流变液间隙h=1mm。

仿真模型不考虑气体温升，将溢流阀简化考虑，不研究溢流阀开启过程，分别对单独溢流阀式缓冲方式和复合式缓冲两种缓冲模式进行仿真，得到两种缓冲方式下的速度-位移变化曲线，如图6、图7所示。

由两种缓冲方式下的速度-位移曲线图可以看出，单溢流缓冲能力有限，在有限缓冲段内未能减速制动，在缓冲子能够从终点活塞与缸体发生了剧烈碰撞。加入了磁流变阻尼的高速气缸缓冲距离明显缩短，在350 mm的缓冲行程内平缓减速制动，避免了活塞与缸体在末端的碰撞，提高了缓冲效率和能力，保护了缸体密封件，提高了高速气缸的缓冲性能，能够有效提升气缸的使用寿命。

结论

本文提出的基于MR效应的高速气缸复合式缓冲技术，能够利用磁流变液的磁流变效应对高速气缸进行辅助缓冲，有效缩短气缸的缓冲行程，其具有阀式结构的磁流变阻尼装置，能够降低缓冲开始瞬间的压力冲击。并且磁流变效应产生的剪切阻力能够通过控制外加磁场的强度进行控制，能够提高气缸对复杂工况下气缸的缓冲适应性，尤其适用于高速重载缓冲行程较长的特殊工况。

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