阻尼間隙可調式磁流變閥壓降特性實驗研究

胡國良，張海云，喻理梵

(華東交通大學機電工程學院，江西南昌 330013)

0 前言

磁流變液作為一種可控智能材料，其流變特性是隨外加磁場變化而變化的。磁流變閥是以磁流變液為工作介質和磁流變效應為控制原理設計的一種液壓智能控制元件。磁流變閥閥芯和閥體形成磁流變液流經通道，通過改變外加電流的大小來改變液流通道內的磁場強度，進而改變通道內的磁流變液的黏度，形成不同的壓力差。由于磁流變閥采用電信號控制，無相對移動部件，不僅結構簡單、運動可靠，而且控制方便、響應速度快，可以滿足對液壓系統和液壓元件的智能化、低能耗、高效率、高可靠性和環保的要求［1－2］。

基于磁流變液的流變特性，國內外研究學者對磁流變閥的結構設計和應用付出了不懈努力。國外學者KORDONSKY等［3］使用磁流變閥及液壓缸構成惠斯通橋臂結構，通過控制磁流變閥的通電相序實現對液壓缸運動方向的控制。GORODKIN等［4］提出了一種具有減震效果的磁流變節流閥模型，研究分析了模型在不同電流強度下的阻尼特性。SALLOOM等［5］利用磁流變閥構成換向閥結構，通過控制4個磁流變閥勵磁電流的有無，實現12種工作狀態。美國馬里蘭大學的YOO等［6］提出了一種高效率的磁流變閥結構，其閥芯直徑不大于25 mm，阻尼間隙厚度小于1 mm，響應頻率能夠達到100 Hz。國內重慶大學光電學院的王代華等［7－8］提出了一種同時具有圓環形和圓盤形阻尼間隙的磁流變閥，并對其進行了電磁場仿真分析對比和實驗測試。湖北工學院的陳鋼等人［9］將磁流變液用于減壓閥的設計，給出了其數學模型，并對新型減壓閥進行了仿真研究。也有學者對雙線圈型磁流變閥壓降特性進行了相關仿真分析及實驗研究［10－12］。

綜上所述，國內外關于磁流變閥結構方面的研究很多，有單線圈、雙線圈甚至三線圈型磁流變閥，也有圓環式和圓盤式阻尼通道的磁流變閥，但這些磁流變閥的阻尼間隙均是固定的，只能適度通過調節勵磁線圈中電流大小來控制閥進出口壓差，導致調壓范圍有一定局限性。鑒于此，文中設計了一種單線圈阻尼間隙可調式磁流變閥，該磁流變閥阻尼間隙可在1.0～2.0 mm范圍內機械可調;同時搭建了實驗測試平臺進行壓降性能測試分析。

1 阻尼間隙可調式磁流變閥結構設計

圖1所示為所設計的阻尼間隙可調式磁流變閥結構原理圖，主要由閥芯、鎖緊螺母、閥套、閥體及端蓋等主要部件組成。閥套上繞有勵磁線圈，線圈的引線由閥體上的小孔引出。通過旋轉閥芯在閥體中的軸向位置可調整阻尼間隙厚度。當阻尼間隙厚度確定好后，可通過旋緊鎖緊螺母固定閥芯軸向方向的移動，保準阻尼間隙厚度。

圖1 阻尼間隙可調式磁流變閥結構原理圖

圖2所示為可調式磁流變閥的兩種極限工作狀態示意圖。從圖2(a)可知，旋轉閥芯使得閥芯軸向長度離右端蓋距離最大 (l=lmax)時，此時阻尼間隙處厚度達到最小，hmin=1 mm。反之，如圖2(b)，旋轉閥芯使得閥芯軸向長度離右端蓋距離最小 (l=lmin)時，此時阻尼間隙處厚度達到最大，hmax=2 mm。

圖2 阻尼間隙可調式磁流變閥兩種極限工作狀態

圖3所示為閥套錐面與閥芯錐面之間間隙形成液流通道及其關鍵尺寸，由幾何關系可知阻尼間隙厚度的表達式為:

式中:hmin為最小阻尼間隙厚度;l為閥芯伸出右端蓋的長度;lmax最小阻尼間隙厚度時閥芯伸出右端蓋的長度;θ為閥芯錐面的半錐角。

圖3 阻尼間隙可調式磁流變閥關鍵尺寸

由圖2和方程 (1)可知，所設計的磁流變閥阻尼間隙厚度與閥芯伸出右端蓋的長度成反比。因此旋轉閥芯，調節閥芯在閥套中的軸向位置即可實現對磁流變閥阻尼間隙厚度的調節。確定阻尼間隙的厚度后，向磁流變閥的勵磁線圈中導入一定大小的電流，由于電磁感應，閥體、閥套、阻尼間隙及閥芯形成電磁回路 (圖1及圖2中虛線所示)，阻尼間隙內將形成一定大小的感應磁場且方向與阻尼間隙基本垂直，使流經磁流變閥阻尼間隙的磁流變液產生磁致剪切屈服應力，從而產生進/出口壓力差。通過控制電流大小、閥芯位置即可控制進/出口壓力差。

表1為阻尼間隙可調式磁流變閥主要結構參數值。圖4為根據上述結構設計及主要參數值加工出的磁流變閥主要元器件圖及實體圖。

表1 磁流變閥主要結構參數值

圖4 阻尼間隙可調式磁流變閥實物圖

2 阻尼間隙可調式磁流變閥實驗測試

2.1 阻尼間隙可調式磁流變閥測試平臺介紹

圖5所示為搭建好的磁流變閥性能測試平臺。該測試平臺主要包括LabVIEW測試系統電氣部分和磁流變液壓回路兩大部分。其中LabVIEW測試系統電氣部分由計算機、采集卡、電源、壓力傳感器Ⅰ及壓力傳感器Ⅱ構成;液壓回路部分由齒輪泵、磁流變閥、溢流閥Ⅰ、溢流閥Ⅱ及油箱構成。定量齒輪泵作為測試平臺動力源;壓力傳感器Ⅰ、Ⅱ分別連接在被測磁流變閥進口和出口處，檢測進口壓力和出口壓力;溢流閥Ⅰ作為安全閥保護測試系統，溢流閥Ⅱ模擬負載工況同時需要預先設定調節好;電源Ⅰ、Ⅱ分別用來給壓力傳感器Ⅰ、Ⅱ供電，以及用來給待測磁流變閥中的勵磁線圈供電;數據采集卡可實時采集壓力傳感器Ⅰ、Ⅱ中磁流變閥進出口壓力值;計算機用來顯示、收集及分析處理磁流變閥測試結果。

圖5 磁流變閥性能測試平臺

2.2 阻尼間隙可調式磁流變閥性能測試實驗分析

圖6(a)—(c)所示為阻尼間隙分別調至1.0、1.5、2.0 mm時，磁流變閥在不同電流下進出口壓力及壓差變化情況。

圖6 不同阻尼間隙時磁流變閥壓力變化

實驗前，先調節設定好溢流閥Ⅱ的壓力作為模擬負載，從圖6可看出，隨著電流的增大，磁流變閥進口壓力逐步增大，出口壓力則基本保持不變，進而磁流變閥的進出口壓差逐步增大。這主要是隨著勵磁電流的增大，磁流變閥阻尼間隙內磁場強度不斷增強，磁流變液的剪切屈服強度不斷增強，使進口壓力及壓差不斷增大。

圖7(a)— (c)為磁流變閥在阻尼間隙分別為1.0、1.5、2.0 mm時，磁流變閥進出口壓差與不同模擬負載的關系曲線。實驗時通過調節溢流閥Ⅱ設定3種典型的模擬負載，從圖中看出，不同模擬負載下，磁流變閥的進出口壓差曲線幾乎重合，都是隨著通入勵磁線圈中電流的增大而增大，即磁流變閥進出口壓差變化與施加負載的大小無關，同時也說明磁流變閥的性能比較穩定。

圖7 不同模擬負載下磁流變閥壓差變化

圖8(a)— (c)為阻尼間隙分別為1.0、1.5、2.0 mm時，電流按0～1.8 A和1.8～0 A的加載和卸載兩種方式進行實驗測試。

圖8 不同阻尼間隙閥的壓差滯回曲線

由圖可知，兩條曲線不重合，具有一定弓形形狀，顯示出滯回曲線受到了一定的剪切滑移影響，且在這3種阻尼間隙厚度下，滯回百分比表示為相同電流時兩條滯回曲線之間差值除以相應最大壓差值，約為10%。這是由于在磁場作用下磁流變液產生磁致剪切屈服應力所引起的。

圖9為阻尼間隙在1.0、1.5、2.0 mm時，磁流變閥進出口壓差曲線，可以看出在同一阻尼間隙厚度下閥的進出口壓差隨著勵磁電流的增大而增大;而隨著阻尼間隙厚度變小，在相同勵磁電流下閥的進出口壓差越大。

圖10表示磁流變閥在1.0～2.0 mm阻尼間隙可調范圍內壓差調節范圍。由圖可知，閥的壓差可調范圍即陰影部分范圍內，介于130～1 100 kPa之間。

圖9 不同阻尼間隙閥進出口壓差對比圖

圖10 磁流變閥壓差可調范圍

3 結束語

設計了一種新型阻尼間隙可調式磁流變閥，并搭建了測試平臺進行相應性能測試，得出以下相關結論:

(1)同一阻尼間隙厚度下閥的進出口壓差隨著勵磁電流的增大而增大;而隨著阻尼間隙厚度變小，在相同勵磁電流下閥的進出口壓差越大。

(2)磁流變閥進出口壓差與施加負載大小無關，主要由施加在勵磁線圈上的電流大小決定。

(3)磁流變閥的工作性能很大程度上取決于所選用的磁流變液的性能好壞，這尤其對壓差范圍有較大影響，此次實驗所測閥的壓差可調范圍為130～1 100 kPa。

［1］ KOSTAMO E，KOSTAMO J，KAJASTE J，et al.Magnetorheological Valve in Servo Applications［J］.Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2012，23(9):1001－1010.

［2］王耀光，劉榮.智能材料在液壓控制中的應用［J］.液壓與氣動，2008(12):1－5.

［3］ KORDONSKY W，GORODKIN S R.Magnetorheological Fluid Based Seal［C］.In:Bullogh W A，Proceedings of the 5th Intelnational Conference on ER Fluids，MR Suspensions and Associated Technology Singapore:World Scientific，2000:721－727.

［4］GORODKIN S，LUKINNOVICH A.Magnetorheological Throttle Valve in Passive Damping Systems［J］.Journal of Intelligent Material Systems and Structures，1998，9:637－641.

［5］SALLOOM M Y，SAMAD Z.Magneto-rheological Directional Control Valve［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2012，58(1－4):279－292.

［6］YOO J H，WERELEY N M.Design of a High-efficiency Magnetorheological Valve［J］.Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2002，13:679－685.

［7］AI H X，WANG D H，LIAO W H.Design and Modeling of a Magnetorheological Valve with Both Annular and Radial Flow Paths［J］.Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2006，17(4):327－334.

［8］WANG D H，AI H X，LIAO W H.A Magnetorheological Valve with Both Annular and Radial Fluid Flow Resistance Gaps［J］.Smart Materials and Structures，2009，18(11):1－16.

［9］陳鋼，潘言全，官建國，等.磁流變液減壓閥的設計與分析［J］.液壓與氣動，2003(11):35－37.

［10］胡國良，李海燕，彭珣，等.雙線圈磁流變閥結構設計及電磁場仿真分析［J］.機床與液壓，2013，41(15):107－110.

［11］胡國良，黃敏，喻理梵，等.雙線圈磁流變閥結構參數對壓降影響的研究［J］.液壓與氣動，2014(1):89－92.

［12］HU Guoliang，LONG Ming，HUANG Min，et al.Design，A-nalysis，Prototyping，and Experimental Evaluation of an Efficient Double Coil Magnetorheological Valve［J］.Advances in Mechanical Engineering，2014，6:/403410.