磁流變技術(shù)在液壓傳動(dòng)與控制中的應(yīng)用研究

湯金華

（江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337055）

磁流變技術(shù)在液壓傳動(dòng)與控制中的應(yīng)用研究

湯金華

（江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337055）

文章分析了磁流變液效應(yīng)，對磁流變液在液壓傳動(dòng)與控制中的工作模式和實(shí)際應(yīng)用研究進(jìn)行了詳細(xì)地闡述，展望了磁流變技術(shù)應(yīng)用于液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)領(lǐng)域的未來發(fā)展。

磁流變技術(shù)；液壓傳動(dòng)；液壓控制

1 磁流變液效應(yīng)

參照一般的磁疇理論對磁流變液產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行解釋，將磁流變液懸浮體中的每一個(gè)微小顆粒都當(dāng)成是一個(gè)小磁體，其間的鄰近原子間具有較強(qiáng)的交換耦合作用，呈現(xiàn)磁矩平行排列的狀態(tài)，形成磁疇。在沒有外磁場干擾的情況下，每一個(gè)磁疇中的原子排列一致且穩(wěn)定，期間的微小顆粒不顯磁性。當(dāng)發(fā)生外磁場干擾時(shí)，磁疇間的磁能低于其磁疇反方向的磁能從而自發(fā)磁化磁疇中磁矩，而此時(shí)磁疇中的微小顆粒顯出磁性，期間排序呈鏈狀。外磁場磁力與磁疇中的微小顆粒的磁飽和強(qiáng)度及其剪切應(yīng)力呈正比關(guān)系。磁流變液的組成部分主要是由分散相的磁性顆粒、基礎(chǔ)液和高分子添加劑組成，選擇具有高磁飽和和強(qiáng)度的磁性顆粒是制備優(yōu)質(zhì)磁流變液的重要前提?；A(chǔ)液的選擇，需要具有低粘度、高沸點(diǎn)、低凝固點(diǎn)和高密度等特點(diǎn)。添加劑的選擇，是為了改善磁流變液的性能，增加磁性顆粒表面的活性、與較好的潤濕性和穩(wěn)定性。

2 磁流變液在液壓傳動(dòng)與控制中的工作模式

磁流變液的工作模式有流動(dòng)模式、剪切模式和擠壓模式三種。流動(dòng)模式中上下級(jí)板固定，磁流變液則在期間裝置的作用力下流動(dòng)，其間產(chǎn)生的壓力差導(dǎo)致的屈服應(yīng)力與磁場無關(guān)的粘性分量組合成公式：

其中ΔPH代表屈服應(yīng)力分量，ΔPH代表粘性分量，τH代表磁流變液中動(dòng)態(tài)的屈服應(yīng)力，η代表其間的粘度，Q代表其間體積流速，L 代表上下極板的長度，h 代表上下極板的寬度，s 代表上下級(jí)板的間隙，c 代表系數(shù)。剪切模式上下級(jí)板平行相對運(yùn)動(dòng)，磁場和極板運(yùn)動(dòng)呈垂直方向，形成剪切阻力，期間屈服應(yīng)力分量和粘性力分量組合成公式：

其中FΗ代表屈服應(yīng)力分量，F(xiàn)η代表粘性力分量，η代表動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，v 代表塑性粘度，A 代表上下極板間相對速度，代表上下極板間長、寬和間隙。擠壓模式中施加磁場的方向和極板運(yùn)動(dòng)的方向平行，且同時(shí)和極板做相對運(yùn)動(dòng)，使極板中的磁流變液處在拉伸和壓縮的交替狀態(tài)，呈現(xiàn)出擠壓模式。

由于磁流變液中的組成部分中包含較好的表現(xiàn)活性劑，其中磁疇間的微小顆粒并不會(huì)對液壓系統(tǒng)造成污染和損害，避免了對液壓系統(tǒng)的工作造成影響，所以磁流變液可作為液壓系統(tǒng)中的傳動(dòng)工作介質(zhì)。因其具有較好的潤滑性，故在液壓系統(tǒng)的運(yùn)行中，可起到對控制元件和執(zhí)行元件潤滑的作用。

3 磁流變技術(shù)在液壓傳動(dòng)與控制的應(yīng)用研究

磁流變技術(shù)應(yīng)用在液壓傳動(dòng)與控制的研究中，國內(nèi)外許多學(xué)者對此做了大量的研究。例如Lord公司研發(fā)的旋轉(zhuǎn)式控制器、Barkan等人研發(fā)的雙圓盤式大轉(zhuǎn)矩磁流變液離合器、國內(nèi)鄭軍等人研發(fā)的圓柱式磁流變液傳動(dòng)裝置、丁柏群等人設(shè)計(jì)的汽車論內(nèi)葉輪式磁流變液控制器等，而對各種類型的磁流變閥的研發(fā)，更是遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)液壓閥的性能。這些關(guān)于磁流變技術(shù)的研究，都將成為磁流變液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。下面主要介紹各類磁流變閥的實(shí)際應(yīng)用。

磁流變溢流閥是通過銜鐵和線圈組成，當(dāng)磁流變液從第一層鐵芯和第二次鐵芯之間流過時(shí)，外加的磁場會(huì)使其瞬間變成固態(tài)。當(dāng)壓力達(dá)到定值時(shí)，磁流變液也恢復(fù)流動(dòng)態(tài)。所以線圈通電時(shí)，磁流變溢流閥可達(dá)到溢流的效果。磁流變減壓閥是由內(nèi)含鐵芯的線圈和銜鐵組成，磁流變液從銜鐵和鐵芯之間流過。當(dāng)線圈通電時(shí)，磁流變液發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到減壓的效果，對其線圈電流大小的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)磁流變液屈服應(yīng)力的強(qiáng)度變化，達(dá)到調(diào)壓的效果。磁流變比例閥，是通過外界磁場的作用使磁流變液的粘度增大，從而使閥門進(jìn)口壓力增強(qiáng)，以減緩液體流動(dòng)。當(dāng)通電時(shí)，比例閥中發(fā)生阻力的變化，形成活塞缸的壓力差，從而發(fā)生活塞移動(dòng)，以此達(dá)到執(zhí)行元件的連續(xù)、穩(wěn)定的定位。磁流變伺服閥，主要是通過產(chǎn)生和放大磁流變液壓系統(tǒng)中需要的控制電流信號(hào)的電信號(hào)控制器、內(nèi)含四個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸一樣的橋式磁流變元件集成板及常用的滑閥類的功率放大元件組成。磁流變伺服閥中，當(dāng)外加磁場作用下磁流變液形成塑性流體，其間伺服元件仍可保持其阻特性。但當(dāng)磁場增強(qiáng)，其工作的壓力差隨之變大，通過對電流的調(diào)節(jié)改變磁流變也得粘度，以達(dá)到磁流變伺服閥的調(diào)節(jié)作用。其中電信號(hào)的指令研發(fā)便于測量、比較和校正，該方向的研究可逐步實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化控制。磁流變開關(guān)閥，主要是對輸入磁流變閥的電壓脈沖的占空比的控制，調(diào)解磁流變閥輸出量的平均值和占空比的占比，從而達(dá)到變量的控制。

4 結(jié)束語

磁流變液是液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)中主要的工作介質(zhì)，其原理是通過外加磁場使磁流變液粘度增大，以此達(dá)到減緩和阻止液體流動(dòng)的效果。在液壓系統(tǒng)的應(yīng)用中，利用磁流變技術(shù)研發(fā)的控制閥較于傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)更加具有低成本、零磨損、壽命長、控制簡便等優(yōu)點(diǎn)，具備良好的發(fā)展前景。隨著磁流變技術(shù)的不斷成熟和完善，其磁流變研發(fā)的元件可逐步替代傳統(tǒng)的機(jī)電元件，促進(jìn)電子控制和機(jī)械執(zhí)行之間的聯(lián)系，以達(dá)到機(jī)械設(shè)備的靈活、簡便的操作，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和精確控制，可以說磁流變技術(shù)為液壓傳動(dòng)和控制技術(shù)帶來了改革性的巨變，也將逐步使液壓傳動(dòng)和控制系統(tǒng)日臻完善。

［1］王京濤，吳張永，岑順鋒，等.磁流變技術(shù)在液壓傳動(dòng)與控制中的應(yīng)用展望［J］.機(jī)床與液壓，2011，（10）：131-133，144.

［2］王慶輝，吳張永，溫成卓，等.磁流變液壓技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望［A］.2011裝備制造業(yè)綠色創(chuàng)造節(jié)能減排發(fā)展論壇論文集［C］.2011：1-6.

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1671-3818（2016）10-0061-01