孫安欣， 謝方偉, 趙呈向, 田祖織, 石修偉

(1.中國礦業(yè)大學 機電工程學院， 江蘇 徐州 221116； 2.徐州徐工挖掘機械有限公司， 江蘇 徐州 220005)

引言

在工業(yè)領域中，液壓系統(tǒng)以其大慣量、重負載、高精度等良好性能使其占有重要地位[1]。作為新型液壓系統(tǒng)的關鍵控制元件，磁流變閥以其響應速度快、控制精度高等優(yōu)點被廣泛應用[2]。然而，磁流變閥的壓力特性是限制其在液壓系統(tǒng)的應用和發(fā)展的主要原因之一[3]，為此，國內外很多學者對此開展了大量的研究工作。

部分學者致力于通過增大磁流變閥有效阻尼長度來改善其壓降性能。設計蛇形蜿蜒式流道[4-5]、蚊香板式流道[6]、螺旋液流通道[7]、亦或將錐形、環(huán)形流體通道相結合[8]以增加有效流道長度，進而改善其壓力特性。另有部分學者通過增加流道內磁感應強度來提高壓降性能。增加磁感應強度主要依靠增加勵磁線圈數(shù)量來實現(xiàn)，設計雙線圈磁流變閥[9-11]，通過控制輸入勵磁線圈電流大小，從而控制阻尼間隙內的磁場強度，達到調節(jié)磁流變閥壓力特性的目的。增加磁感應強度也可以通過復合激勵的方法來實現(xiàn)，王乃斌[12-13]等設計了一種采用永磁體和線圈復合激勵的混合流磁流變閥，并采用有限元仿真軟件分析了不同線圈電流下磁感應強度分布和壓降變化規(guī)律，有效地提升了壓降性能。還可以通過改變閥門材料特性來增加有效磁通面積[14]，從而達到增加磁感應強度的目的。還有一部分學者通過對磁流變閥各結構參數(shù)進行優(yōu)化來提高壓降性能。運用ANSYS優(yōu)化工具箱[15-16]、采用拉格朗日乘子法并結合擬牛頓法[17]、模糊控制[18]等對閥體基本結構參數(shù)進行優(yōu)化設計，利用Maxwell等電磁場仿真軟件對優(yōu)化前后的磁流變閥進行仿真，進而提高磁流變閥壓降性能。

從以上研究可知，改善磁流變閥的壓力特性主要通過增大有效阻尼長度、提高磁場強度、設計新型結構并對其進行仿真優(yōu)化來實現(xiàn)的?；诖耍狙芯吭O計了一種新型磁流變閥，采用有限元仿真軟件Maxwell得出磁感線分布和磁感應強度隨路徑變化規(guī)律，并計算進出口及各流道壓降，得出其壓力特性，為磁流變閥的研究、應用和發(fā)展提供了一定的理論依據。

1 結構設計及工作原理

1.1 結構設計

垂直于磁流變液流動方向的磁場分量能夠促進磁流變閥充分發(fā)揮磁流變效應[19]，所以磁感線集中、均勻、垂直地穿過磁流變閥流道能夠改善壓力特性[20]。基于此，在傳統(tǒng)磁流變閥研究的基礎上，設計了一種新型磁流變閥，結構形式如圖1所示，該磁流變閥為復合流道間隙類型，包括圓環(huán)軸向型流道1、圓盤徑向型流道2以及圓管型流道3，如圖2所示。由于閥體內隔磁環(huán)的使用，使勵磁線圈產生的磁感線能夠垂直于軸向流道和徑向流道，增大磁場的有效流通面積。通過外接步進電機控制調距軸在軸向的位移，達到調節(jié)圓盤徑向流道間隙的目的，該方法簡單方便，極大地提高了磁場利用率，改善磁流變閥的壓降調節(jié)范圍。

1.調距軸 2.鎖緊螺母 3.左端蓋 4.螺釘 5.密封圈 6.密封圈 7.閥套 8.導磁盤 9.密封圈 10.隔磁環(huán) 11.閥芯 12.線圈 13.螺釘 14.密封圈 15.右端蓋

圖2 新型磁流變閥液流通道結構

1.2 工作原理

當給勵磁線圈通入電流時，磁流變閥進入工作狀態(tài)，由電磁效應產生的磁感線穿過導磁盤、閥套、閥芯形成閉合回路。因隔磁環(huán)與其他零部件的相互配合，產生的磁感線能夠垂直于閥套與導磁盤形成的軸向流道和導磁盤與閥芯形成的徑向流道。與此同時，流道中磁流變液瞬間轉變?yōu)榫哂懈唣ざ?、低流動性的半固體，剪切屈服強度變大，流動阻力增強，流速變慢，產生壓降。由此可知，通過調節(jié)流道間隙和勵磁電流可以達到調節(jié)閥進出口壓差的目的。

2 新型磁流變閥電磁場仿真

磁路分布是影響磁流變閥壓力特性的重要原因之一，為了更直觀地了解所設計磁流變閥磁場分布情況，本研究利用Ansoft Maxwell電磁場有限元軟件對所設計的新型磁流變閥進行電磁場數(shù)值仿真，為進出口壓力特性提供參考。

所設計的磁流變閥為對稱結構，為便于分析和計算，建立了其1/2模型，并進行仿真。圖3為新型磁流變閥有限元仿真2D模型，包括導磁盤、流道間隙、隔磁環(huán)、閥套、閥芯、勵磁線圈等6個區(qū)域，材料定義如表1。

圖3 新型磁流變閥有限元仿真2D模型

表1 新型磁流變閥仿真材料

圖4是新型磁流變閥勵磁線圈電流為1 A、徑向間隙大小為1 mm時的仿真結果。圖4a為磁感線分布情況，從圖中可以看出，磁感線所圍成的封閉曲線與流道間隙方向基本垂直且絕大部分的磁感線都從其中穿過，靠近勵磁線圈的磁感線更加密集而且磁場強度更大。圖4b為磁感應強度與路徑關系圖。從圖中可以看出，磁感應強度在圓環(huán)過渡到圓盤間隙的過程中從至高點跌落至零點。這是因為隔磁環(huán)阻斷了部分磁感線，使磁場強度很低。圓盤間隙處的磁感應強度隨路徑的增加而減小，這是由于離勵磁線圈較遠，磁場強度較弱，磁感應強度較低。圓管間隙處的磁感應強度幾乎為零。

圖4 新型磁流變閥仿真結果

3 新型磁流變閥壓力特性分析

3.1 壓降數(shù)學模型的建立

如圖2所示，本研究所設計的新型磁流變閥流道由圓環(huán)式流道、圓盤式流道和圓管式流道組成，三個流道所產生的總壓降由各流道磁流變液流動所產生的黏滯壓降Δpv和克服磁流變液屈服應力所產生的屈服壓降Δpy構成。

1) 各流道的黏滯壓降

(1) 圓環(huán)流道的黏滯壓降

(1)

式中, Δpv1—— P區(qū)域1的黏滯壓降，Pa

υ—— 磁流變液零場黏度，Pa·s

ha—— 導磁盤厚度，m

R—— 閥套半徑，m

ga—— 圓環(huán)間隙寬度，m

th—— 閥套厚度，m

(2) 圓盤流道的黏滯壓降

(2)

式中， Δpv2—— 區(qū)域2的黏滯壓降，Pa

W—— 繞線槽深度，m

gr—— 徑向間隙寬度

r1—— 閥芯中部半徑，m

r0—— 孔口半徑，m

(3) 圓管流道的黏滯壓降

(3)

式中， Δpv3—— 區(qū)域3的黏滯壓降，Pa

H—— 閥芯長度，m

(4) 由式(1)～式(3)得三種流道總粘滯壓降

Δpv=Δpv1+ΔPv2+Δpv3=Δpv1

(4)

2) 各流道的屈服壓降

(1) 圓環(huán)流道的屈服壓降

(5)

式中， Δpy1—— 區(qū)域1的屈服壓降，Pa

c—— 液流速率的修正系數(shù)

τy1(B) —— 圓環(huán)形流道間隙處隨磁場強度變化的剪切應力，F(xiàn)

(2) 圓盤流道的屈服壓降

(6)

式中， Δpy2—— 區(qū)域2的屈服壓降，Pa

τy2(B) —— 圓環(huán)形流道間隙處隨磁場強度變化的剪切應力，F(xiàn)

(3) 圓管流道的屈服壓降

Δpy3=0

(7)

式中， Δpy3—— 區(qū)域3的屈服壓降，Pa。

(4) 由式(5)～式(7)得，三種流道總屈服壓降

Δpy=Δpy1+Δpy2+Δpy3=Δpy1

(8)

3) 由式(4)、式(8)得，閥口進出口總壓降

Δp=Δpv+Δpy

=Δpv1+Δpv2+Δpv3+Δpy1+Δpy2

(9)

3.2 壓降特性仿真分析

磁流變閥的壓力特性主要受磁流變液入口流量、勵磁電流、流道間隙的影響。根據上文所提供的磁流變液特性參數(shù)、磁流變閥的結構參數(shù)以及磁場仿真參數(shù)，對磁流變閥的壓降特性進行仿真計算。

1) 流量大小對壓降的影響

圖5為新型磁流變閥在不同流量下的壓降輸出特性曲線。結合前文可知，電流為0時屈服壓降為0，此時總壓降即為黏滯壓降，隨流量的增加而線性增長；當電流不為0時，總壓降由粘滯壓降和屈服壓降組成，與流量呈線性遞增關系；屈服壓降與流量大小無關，只受電流的影響，隨著電流的增大，產生的壓降同幅度增大。

圖5 Δp-q關系曲線

2) 徑向間隙對壓降的影響

圖6為四種徑向間隙下壓降與電流變化關系圖。圖6a為圓環(huán)處屈服壓降隨電流變化關系曲線。從圖中可以看出，隨著電流的增大，不同徑向間隙下圓環(huán)處屈服壓降的差距變??；且增長速率以1 A為界先大后小。圖6b為圓盤處屈服壓降與電流變化關系圖，從圖中可以看出，圓盤處屈服壓降與電流呈正增長關系；且隨著電流的增長，不同徑向間隙下屈服壓降的差距逐漸增大。圖6c為總屈服壓降與電流關系圖，從圖中可以看出，總屈服壓降與電流呈正相關，與流道間隙呈負相關；當勵磁電流為1.5 A、徑向流道間隙為0.5 mm時，總屈服壓降最大，為4435 kPa。

圖6 壓降與電流關系曲線

圖7為四種徑向間隙下進出油口總壓降與電流變化關系圖。從圖中可以看出，總壓降與電流呈正增長關系，與流道間隙呈負相關；電流為0時，不同流道間隙下的總壓降不為0；當勵磁電流為1.5 A、徑向流道間隙為0.5 mm時，總壓降可達最大值7095 kPa。

圖7 Δp-I關系曲線

綜上可知，電流越大、流量越大、徑向間隙越小，新型磁流變閥所獲得的總壓降也越大，反之則越小。

4 結論

本研究設計了一種具有圓環(huán)形、 圓盤形和圓管形三種流道間隙的新型磁流變閥，采用Maxwell電磁場仿真軟件，得出磁感線分布和磁感應強度隨路徑變化規(guī)律；建立了新型磁流變閥壓降數(shù)學模型并對其進行計算分析，得出了新型磁流變閥流量、勵磁電流、阻尼間隙等參數(shù)與屈服壓降、進出口壓降之間的關系；當激勵線圈電流為1.5 A，徑向流道間隙為0.5 mm時，進出油口總壓降最大，為7095 kPa；徑向流道間隙為2 mm 時，進出油口總壓降最大為2260 kPa。研究結果表明，磁流變閥總壓降與電流和流量成正相關，與徑向間隙成負相關，為磁流變閥的設計提供一定的理論參考。