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      電磁摩擦與磁流變聯(lián)合傳動(dòng)性能研究

      2022-09-16 07:25:34劉明張海波黃金
      機(jī)床與液壓 2022年14期
      關(guān)鍵詞:傳動(dòng)裝置圓筒磁感應(yīng)

      劉明,張海波,黃金

      (重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,重慶 400054)

      0 前言

      磁流變液(Magnetorheological Fluid,MRF)是一種新型智能材料,主要由磁性顆粒、基礎(chǔ)載液和添加劑組成,其流變特性隨外加磁場(chǎng)的變化而變化。在無(wú)外加磁場(chǎng)情況時(shí),MRF表現(xiàn)為類(lèi)似牛頓流體的特性;當(dāng)有外加磁場(chǎng)時(shí),MRF的黏性、塑性等流變特性能在極短的時(shí)間(幾毫秒)內(nèi)發(fā)生急劇變化轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)固體的狀態(tài),表現(xiàn)出Bingham模型的特性。因MRF這種固液狀態(tài)轉(zhuǎn)化快速、連續(xù)、可逆且易于控制的特點(diǎn),MRF裝置廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)械、航空、建筑等領(lǐng)域。

      磁流變傳動(dòng)裝置是利用MRF在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生剪切屈服應(yīng)力來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩的裝置,常見(jiàn)的有離合器、制動(dòng)器和阻尼器。目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已經(jīng)對(duì)MRF傳動(dòng)進(jìn)行了大量相關(guān)研究。EL WAHED和BALKHOYOR研究了幾種工作模式下磁流變液的傳力性能,結(jié)果表明在混合模式下運(yùn)行時(shí)磁流變液的傳力性能大大提高。HUANG等從理論上推導(dǎo)了圓筒式MRF制動(dòng)器的傳遞轉(zhuǎn)矩方程,基于這一方程,許多關(guān)于圓筒式MRF體積、寬度、厚度的計(jì)算問(wèn)題都能得到解決。單慧勇等對(duì)MRF離合器的磁路設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,系統(tǒng)地分析了磁路設(shè)計(jì)中的材料選擇、線圈參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等對(duì)磁路的影響。喬臻等人利用ANSYS軟件分析了不同線圈纏繞方式對(duì)圓筒式MRF離合器輸出轉(zhuǎn)矩的影響,結(jié)論表明雙級(jí)異向繞組線圈在工作間隙產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩最大。

      目前MRF傳動(dòng)裝置的局限性在于剪切屈服應(yīng)力較小,不能滿足某些工況要求,同時(shí)機(jī)構(gòu)工作時(shí)溫度升高也會(huì)導(dǎo)致MRF的傳動(dòng)性能下降,所以為了彌補(bǔ)MRF傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩不足,許多學(xué)者都提出了關(guān)于MRF復(fù)合傳動(dòng)的裝置。陳松等人設(shè)計(jì)了一種MRF和形狀記憶合金復(fù)合傳動(dòng)裝置,對(duì)該裝置傳力性能進(jìn)行分析,推導(dǎo)出傳力公式,結(jié)果表明該裝置傳力效果較高且傳動(dòng)性能更加穩(wěn)定。黃金等人提出了一種形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的MRF和滑塊摩擦復(fù)合傳動(dòng)方法,該裝置傳遞的轉(zhuǎn)矩主要由MRF和摩擦滑塊兩部分構(gòu)成,通過(guò)計(jì)算分析得出該裝置彌補(bǔ)了因溫度升高導(dǎo)致的MRF傳遞轉(zhuǎn)矩性能下降的問(wèn)題,使裝置傳動(dòng)更加穩(wěn)定。任衍坤等設(shè)計(jì)了一種多盤(pán)式磁流變液傳動(dòng)裝置,利用Maxwell軟件進(jìn)行了磁路設(shè)計(jì)和磁場(chǎng)仿真,為磁流變液傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)。

      上述對(duì)于MRF傳動(dòng)性能提升的改進(jìn)裝置雖然取得了較好效果,但是為了增大傳遞轉(zhuǎn)矩需要增大裝置尺寸和傳動(dòng)盤(pán)數(shù)目,這些都會(huì)增加裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和質(zhì)量,無(wú)法滿足某些特定工作條件。因此,本文作者設(shè)計(jì)一種電磁摩擦和磁流變聯(lián)合傳動(dòng)裝置,在傳統(tǒng)的圓筒形MRF傳動(dòng)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),添加2組電磁吸力驅(qū)動(dòng)的摩擦盤(pán)。對(duì)該裝置進(jìn)行磁場(chǎng)分析,研究該裝置對(duì)MRF傳動(dòng)性能的影響,并做進(jìn)一步的優(yōu)化。該裝置中的MRF和主從動(dòng)摩擦盤(pán)的傳力特性巧妙地共同通過(guò)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)控制,節(jié)約能源的同時(shí)優(yōu)化了裝置結(jié)構(gòu)。

      1 工作原理

      電磁摩擦傳動(dòng)的工作原理:利用電磁吸力擠壓兩摩擦盤(pán),使它們相互壓緊從而產(chǎn)生摩擦力來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)矩。電磁摩擦與磁流變擠壓傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該傳動(dòng)裝置主要由輸出軸、軸承、密封圈、主動(dòng)摩擦盤(pán)、從動(dòng)摩擦盤(pán)、銜鐵、線圈、隔磁環(huán)、外筒、主動(dòng)軸、導(dǎo)向桿和MRF組成。其中,主動(dòng)軸中段圓筒與外筒內(nèi)壁之間的1 mm縫隙為MRF工作區(qū)域。

      圖1 電磁摩擦與磁流變聯(lián)合傳動(dòng)裝置

      傳動(dòng)裝置的工作原理如下:

      (1)初始狀態(tài)下,主動(dòng)軸在外源動(dòng)力牽引下進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)摩擦盤(pán)與從動(dòng)摩擦盤(pán)保持0.2 mm初始間隙;勵(lì)磁線圈未通電流,MRF表現(xiàn)為牛頓流體狀態(tài),所產(chǎn)生的黏性轉(zhuǎn)矩極小,依靠MRF的黏性轉(zhuǎn)矩不能帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)傳動(dòng)裝置處于脫開(kāi)狀態(tài)。

      (2)勵(lì)磁線圈通電,勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁通貫穿MRF的工作間隙,MRF中的磁性顆粒沿磁通方向排列成鏈狀結(jié)構(gòu),產(chǎn)生較大的剪切屈服應(yīng)力,依靠此應(yīng)力能傳遞轉(zhuǎn)矩;與此同時(shí),線圈產(chǎn)生的電磁力吸引銜鐵,推動(dòng)從動(dòng)摩擦盤(pán)壓緊主動(dòng)摩擦盤(pán)。依靠MRF的剪切應(yīng)力傳遞的轉(zhuǎn)矩與摩擦盤(pán)的摩擦轉(zhuǎn)矩共同作用帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng),其傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩顯著增大。此時(shí)傳動(dòng)裝置處于接合狀態(tài)。

      (3)勵(lì)磁線圈斷電,MRF又恢復(fù)為牛頓流體狀態(tài);同時(shí)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)消失,從動(dòng)摩擦盤(pán)與主動(dòng)摩擦盤(pán)在復(fù)位彈簧的驅(qū)動(dòng)下分離,摩擦盤(pán)與主動(dòng)盤(pán)脫離接觸,壓緊力消失。此時(shí)傳動(dòng)裝置恢復(fù)為初始脫開(kāi)狀態(tài)。

      2 磁場(chǎng)有限元分析

      2.1 建立磁路有限元模型

      磁場(chǎng)的磁路應(yīng)當(dāng)使MRF磁化方向與傳動(dòng)裝置中MRF剪切流動(dòng)方向垂直,并且要盡可能滿足MRF工作間隙內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠大。由于該圓筒形磁流變傳動(dòng)裝置采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),故選取其1/2應(yīng)用Maxwell軟件進(jìn)行二維靜態(tài)磁場(chǎng)分析,繞對(duì)稱軸進(jìn)行求解計(jì)算。MRF兩端為密封圈,因此內(nèi)外圓筒之間除MRF部分外充滿了空氣。該裝置的磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)化模型如圖2所示,結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

      圖2 磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)化模型

      表1 裝置結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位:mm

      2.2 定義材料屬性

      在Maxwell磁場(chǎng)分析中,需要定義各部分的材料屬性,其中內(nèi)圓筒和主從動(dòng)摩擦盤(pán)的材料均選用鐵,銜鐵的材料選用低碳鋼Steel1008,外圓筒的材料選用Steel1010,MRF選用MRF-140CG,線圈和隔磁環(huán)材料選用銅。銅的磁導(dǎo)率與空氣近似,文中將其相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)為1,鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)為4 000。外圓筒、銜鐵和MRF-140CG的磁導(dǎo)率為非線性,分別輸入材料的磁化曲線。

      Steel1008、Steel1010的磁化曲線如圖3所示,MRF-140CG的材料屬性如圖4所示。

      圖3 Steel1008、Steel1010磁化曲線 圖4 MRF-140CG材料屬性

      根據(jù)圖4將MRF-140CG的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系曲線擬合成三次函數(shù):

      =2451+1814+2793+5676

      (1)

      MRF-140CG的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力與磁場(chǎng)強(qiáng)度的三次擬合函數(shù)為

      ()=0000 002 015-0001 866+

      0583+1314

      (2)

      2.3 添加邊界條件和激勵(lì)并求解

      在Maxwell磁場(chǎng)分析過(guò)程中,設(shè)置分析方式為軸對(duì)稱靜態(tài)磁場(chǎng)分析,材料屬性定義完成后,添加balloon邊界條件。根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算得線圈橫截面積為400 mm,銅絲線圈允許流過(guò)的最大電流為1.5 A,定義勵(lì)磁線圈激勵(lì)=1 A,=600匝,則可得線圈電流密度,線圈纏繞方式選擇兩級(jí)異向繞組。

      (3)

      由式(3)可知電流密度=1.5×10A/m。

      完成設(shè)定后經(jīng)過(guò)仿真分析計(jì)算,得到磁力線分布情況和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖5所示??煽吹剑涸陔姶拍Σ僚c磁流變聯(lián)合傳動(dòng)裝置中,勵(lì)磁線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng),磁力線經(jīng)內(nèi)圓筒穿過(guò)MRF工作區(qū)到外圓筒,再?gòu)耐鈭A筒穿過(guò)MRF工作區(qū)和主從動(dòng)摩擦盤(pán)到內(nèi)圓筒,形成閉合回路。其中,在MRF工作區(qū)可以看到,磁力線大部分都是垂直穿過(guò),且磁力線全部分布在裝置內(nèi),說(shuō)明該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇符合要求。

      圖5 磁力線和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

      從圖5還可以看出,該裝置磁感應(yīng)強(qiáng)度較高的區(qū)域主要集中在勵(lì)磁線圈周?chē)?、MRF工作區(qū)和主從動(dòng)摩擦盤(pán)接觸區(qū),利用Maxwell軟件求解得MRF工作區(qū)域沿軸向距離的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況如圖6所示。

      圖6 工作間隙沿軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

      由圖6可知:工作間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度分布為0.053~0.889 T,中間部分磁感應(yīng)強(qiáng)度分布較為均勻且集中,沿工作間隙軸向每隔2 mm取一個(gè)點(diǎn)算出平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.522 T。

      3 線圈分布位置對(duì)磁路的影響

      為研究裝置線圈分布位置對(duì)磁路的影響,使勵(lì)磁線圈在主動(dòng)軸兩端對(duì)稱分布,距摩擦盤(pán)的距離設(shè)為,內(nèi)外圓筒長(zhǎng)度和寬度保持不變,MRF工作區(qū)域保持不變,取5個(gè)特殊的線圈分布位置對(duì)裝置進(jìn)行磁場(chǎng)分析,對(duì)應(yīng)的分別為0、5、10、15、20 mm,其磁場(chǎng)仿真結(jié)果分別如圖7—圖11所示。

      圖7 s=0 mm時(shí)磁感線分布和磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖

      圖8 s=5 mm時(shí)磁感線分布和磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖

      圖9 s=10 mm時(shí)磁感線分布和磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖

      圖10 s=15 mm時(shí)磁感線分布和磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖

      圖11 s=20 mm時(shí)磁感線分布和磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖

      由圖7—圖11可知:MRF工作間隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布與磁感應(yīng)強(qiáng)度分布類(lèi)似,隨著線圈距摩擦盤(pán)距離的增大而增大;而主從動(dòng)摩擦盤(pán)接觸區(qū)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布與磁感應(yīng)強(qiáng)度分布正好相反,隨著線圈距摩擦盤(pán)距離的增大而減小。在整個(gè)變化過(guò)程中,MRF工作間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度沿軸向距離分布如圖12所示。

      圖12 s取不同值時(shí)工作間隙沿軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

      由圖12可以看出:由于隔磁環(huán)的作用,兩異向繞組的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁力線,穿過(guò)工作間隙的兩端較少,中部較多且比較均勻。隨著勵(lì)磁線圈分布位置離摩擦盤(pán)距離逐漸變遠(yuǎn),穿過(guò)MRF工作間隙中部的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大,由0.78 T增大到1.55 T,但是MRF工作區(qū)產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的有效工作長(zhǎng)度逐漸減小,由64 mm減小為20 mm。

      4 轉(zhuǎn)矩分析

      4.1 MRF傳遞轉(zhuǎn)矩分析

      圓筒式MRF傳動(dòng)裝置工作時(shí),MRF位于內(nèi)圓筒和外圓筒之間,在主動(dòng)內(nèi)圓筒以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí),工作間隙內(nèi)的MRF受到剪切,從而帶動(dòng)從動(dòng)外圓筒以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。

      圓筒形MRF器件在磁場(chǎng)作用下傳遞轉(zhuǎn)矩由兩部分組成:一部分是由MRF剪切屈服應(yīng)力形成的剪切阻尼力矩,另一部分是類(lèi)似于普通流體流動(dòng)產(chǎn)生的黏性阻力矩。其公式具體表示為

      (4)

      式中:為內(nèi)圓筒半徑;為外圓筒半徑;Δ為內(nèi)外圓筒轉(zhuǎn)速差,Δ=-;為產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的有效工作長(zhǎng)度;為MRF在圓筒間的實(shí)際工作長(zhǎng)度;()為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下MRF的剪切屈服應(yīng)力,具體數(shù)值由圖4所示的MRF材料特性曲線可知;為MRF零磁場(chǎng)下的黏度,該裝置選用的MRF為L(zhǎng)ord公司生產(chǎn)的MRF-140CG,其=0.28 Pa·s。

      根據(jù)圖12,沿工作間隙每2 mm取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)算出平均磁感應(yīng)強(qiáng)度,再根據(jù)式(1)(3)可求得工作間隙動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。不同線圈分布位置下工作間隙沿軸向平均磁感應(yīng)強(qiáng)度、平均磁場(chǎng)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力如表2所示。

      表2 MRF工作區(qū)磁場(chǎng)性能

      4.2 電磁摩擦傳動(dòng)特性分析

      電磁摩擦傳遞轉(zhuǎn)矩部分依靠的是線圈通電產(chǎn)生的電磁吸力吸引銜鐵擠壓主動(dòng)摩擦盤(pán)與從動(dòng)摩擦盤(pán)接觸,從而產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩。由于氣隙磁場(chǎng)分布復(fù)雜,準(zhǔn)確計(jì)算磁導(dǎo)率非常困難,文中假設(shè)空氣磁導(dǎo)率系數(shù)為常數(shù),把銜鐵表面看作等磁位面,磁力線都垂直于銜鐵表面。電磁吸力的計(jì)算公式近似表示為

      (5)

      其中:為磁感應(yīng)強(qiáng)度;為磁路截面積;為線圈電流;為電磁線圈匝數(shù);為磁路長(zhǎng)度;為氣隙長(zhǎng)度;為修正系數(shù),取=4。

      銜鐵在電磁吸力的作用下擠壓主動(dòng)摩擦盤(pán)與從動(dòng)摩擦盤(pán)接觸,此時(shí)摩擦盤(pán)上的應(yīng)力為

      (6)

      其中:為摩擦盤(pán)的內(nèi)徑;為摩擦盤(pán)的外徑。

      取距摩擦盤(pán)圓心距離為的微圓環(huán),微圓環(huán)的寬度為d,則微圓環(huán)的面積d為

      d=2πd=πd

      (7)

      從而,該微圓環(huán)所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為

      (8)

      對(duì)上式進(jìn)行積分,積分限為內(nèi)徑到外徑,求得摩擦盤(pán)所傳遞轉(zhuǎn)矩為

      (9)

      式中:為兩摩擦盤(pán)接觸面的摩擦因數(shù),取0.2。

      4.3 聯(lián)合傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩

      傳動(dòng)裝置工作時(shí),內(nèi)圓筒以一定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)工作間隙內(nèi)MRF轉(zhuǎn)動(dòng),勵(lì)磁線圈通電,MRF在極短時(shí)間內(nèi)由液體轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)固體狀態(tài)傳遞轉(zhuǎn)矩。同時(shí),隨著勵(lì)磁線圈通電,電磁吸力吸引銜鐵擠壓主從動(dòng)摩擦盤(pán)接觸,從而傳遞轉(zhuǎn)矩,進(jìn)一步提升裝置的傳遞轉(zhuǎn)矩。綜合以上情況可知,該裝置的聯(lián)合傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩分為兩部分:一是MRF傳遞的轉(zhuǎn)矩,二是電磁吸力吸引摩擦盤(pán)接觸產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩。該裝置的聯(lián)合傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩可表示為

      =+

      (10)

      當(dāng)=800 r/min,=710 r/min時(shí),由表2和式(2)(8)(9)得出該裝置不同部位傳遞的轉(zhuǎn)矩如表3所示。

      表3 裝置各部分傳遞轉(zhuǎn)矩

      由表3可知:電磁摩擦部分傳遞的轉(zhuǎn)矩隨勵(lì)磁線圈離兩摩擦盤(pán)和銜鐵距離的增大而減小,這是由于隨著線圈離銜鐵和摩擦盤(pán)距離增大,穿過(guò)電磁摩擦工作區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度減小,電磁力減?。籑RF傳遞的轉(zhuǎn)矩隨勵(lì)磁線圈離兩摩擦盤(pán)和銜鐵距離的增大而減小,這是由于隨著線圈離銜鐵和摩擦盤(pán)距離增大,MRF有效工作長(zhǎng)度大幅減小。該裝置總的傳遞轉(zhuǎn)矩與不同線圈分布位置的關(guān)系如圖13所示??芍涸撗b置聯(lián)合傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨勵(lì)磁線圈離兩摩擦盤(pán)和銜鐵距離的增大而減小,由130.25 N·m下降到46.77 N·m。

      圖13 總轉(zhuǎn)矩與線圈位置的關(guān)系

      5 總結(jié)

      本文作者提出了一種MRF和電磁摩擦聯(lián)合傳動(dòng)裝置,將勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁力線運(yùn)用在MRF和電磁摩擦2個(gè)部分,并介紹了其工作原理。通過(guò)磁場(chǎng)有限元分析研究了不同勵(lì)磁線圈分布位置對(duì)裝置傳遞轉(zhuǎn)矩的影響,對(duì)雙級(jí)異向繞組勵(lì)磁線圈的幾種分布位置對(duì)應(yīng)的不同輸出轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明:隨著線圈位置與摩擦盤(pán)距離變遠(yuǎn),裝置傳遞的總轉(zhuǎn)矩越小;當(dāng)線圈位置距摩擦盤(pán)20 mm時(shí),裝置傳遞轉(zhuǎn)矩為46.77 N·m;當(dāng)線圈位置距摩擦盤(pán)0 mm時(shí),裝置傳遞轉(zhuǎn)矩為130.25 N·m,與單一磁流變液傳動(dòng)相比,性能提升255%;在線圈位置從20 mm調(diào)整到0 mm時(shí),該裝置傳遞轉(zhuǎn)矩增大了約1.78倍。因此,可認(rèn)為通過(guò)調(diào)整線圈位置,可大幅提高磁流變液和電磁摩擦傳動(dòng)裝置的性能。

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