混合流動式磁流變閥壓降性能試驗分析

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(華東交通大學 機電工程學院， 江西 南昌　330013)

引言

磁流變液是一種新型智能材料，在沒有磁場的狀況下以牛頓液體狀態流動；當給它施加一定的磁場后在毫秒級內，由牛頓液體變為半固體且磁場越大這種現象越明顯，當撤銷磁場后瞬間又還原為牛頓液態，這種現象叫做磁流變液的磁流變效應。磁流變液自從1948年首先被Rabinow發現后在工業、土木及減振等各個領域都有廣泛的應用[1,2]。

與傳統液壓閥不同，磁流變閥是基于磁流變液的磁流變效應，通過控制勵磁線圈電流的大小，達到控制進出口兩端壓力差的目的。國內外許多學者都對磁流變閥進行過結構設計及相應性能分析。內達華大學的Aydar設計了一種圓盤式阻尼間隙磁流變閥， 能產生9 MPa左右的壓差，但體積龐大，應用范圍有限[3,4]；重慶大學艾紅霞設計了一種單線圈圓環阻尼間隙磁流變閥，并進行了電磁場仿真[5]；華東交大胡國良設計出了一種阻尼間隙可調式磁流變閥，該閥阻尼間隙可在1～2 mm之間機械可調，并對其進行了實驗測試分析[6]；為了有效增大磁流變閥阻尼長度，并使磁流變閥在阻尼間隙處不易堵塞，華東交大胡國良同時發明了一種兩級徑向流動蜿蜒式磁流變閥[7]。

雖然磁流變閥的結構形式很多，但大多數磁流變閥液流通道均為單一的軸向圓環流動或徑向圓盤流動形式；由于液流通道形式單一，同時要達到所需的壓差要求，因此大多數的磁流變閥的體積較大。基于此，本研究在外形結構尺寸一定的前提下，設計出一種結構緊湊，同時具有軸向圓環流動和徑向圓盤流動通道的混合流動式磁流變閥。這種磁流變閥結構能夠在不增加體積的情況下，有效增大阻尼間隙面積。另外，在搭建的磁流變閥測試實驗臺上對其壓降性能進行了測試分析。

1　混合流動式磁流變閥結構設計及工作原理

圖1所示為所設計的混合流動式磁流變閥三維剖視圖，該閥主要由閥體、閥芯、端蓋、導流盤、導磁圓盤、定位盤及勵磁線圈組成。在工作狀況下，磁流變液首先經過左端蓋，然后到達導流盤，再通過導磁圓盤與閥套形成的軸向圓環間隙，然后流經導磁圓盤與閥芯、定位盤間形成的徑向圓盤間隙，到達閥芯內孔，最后由右端蓋流出。圖2為加工好的混合流動式磁流變閥實物零件圖。導磁圓盤、閥套、閥芯為10#鋼導磁材料，左右端蓋及定位圓盤為不銹鋼不導磁材料。當勵磁線圈內通入直流電流后，該閥將形成如圖3所示的閉合磁場。當磁流變液流經圓環軸向間隙和圓盤徑向間隙時，間隙內的磁流變液由于受到磁場作用，將形成鏈狀，導致磁流變液的流動受阻，從而磁流變閥進出口兩端形成壓力差。通過調節勵磁電流大小，可以控制磁流變閥兩端壓力差。

圖1　混合流動式磁流變閥三維剖視圖

圖2　混合流動式磁流變閥實物零件圖

圖3為該閥主要結構尺寸示意圖，同時表1給出了該閥的主要結構參數值。

圖3　磁流變閥的主要結構尺寸示意圖

主要參數值閥套厚度H1/mm10導磁圓盤厚度l/mm6定位圓盤厚度H2/mm8導磁圓盤半徑R/mm20閥芯孔半徑R1/mm2閥芯螺紋半徑R2/mm13閥芯半徑R3/mm14繞線部分長度B/mm17繞線槽深H/mm7軸向阻尼間隙厚度d1/mm1徑向阻尼間隙厚度d2/mm1．5勵磁線圈圈數N284

2　壓降數學模型建立

混合流動式磁流變閥阻尼間隙液流通道由軸向圓環流動和徑向圓盤流動共同組成，故其壓降包括軸向壓降和徑向壓降兩部分。其中軸向壓降是在磁場作用下，磁流變液流經該閥圓環通道引起的，其表達式為[8]:

(1)

徑向壓降是在磁場作用下，磁流變液流經該閥圓盤通道引起的，其表達式為:

(2)

因此混合流動式磁流變閥總壓降為：

Δp=Δp1+Δp2

(3)

其中,η為磁流變液的零場黏度；q為流進磁流變閥的磁流變液的體積流量；l軸向阻尼間隙的長度；d1為軸向阻尼間隙厚度；d2為徑向阻尼間隙厚度；R為導磁圓盤半徑；R2為閥芯螺紋半徑；R1為閥芯孔半徑；c為修正系數，當Δpτ/Δpη<1時取3，當Δpτ/Δpη>100時取2；τy為磁致剪切屈服應力。

從上面公式當中可以看出：影響壓降大小的主要參數有q、d1、d2、R、R1、R2及τy。當結構參數確定后，磁致剪切屈服應力τy成為影響壓降大小的唯一因素，而τy大小與線圈施加電流大小直接相關，因此后續性能分析實驗主要測試壓降與電流之間的關系。

3　壓降性能實驗分析

3.1　磁流變閥性能測試試驗臺

為了測試混合流動式磁流變閥的壓降性能，搭建了如圖4所示的磁流變閥測試實驗臺。主要由電機、泵、溢流閥、壓力傳感器、采集卡、油箱、電源、計算機、待檢測的磁流變閥等組成。電機和泵為測試系統提供動力；油箱用來儲存磁流變液；溢流閥1起保護作用，防止因進口壓力過大對測試系統造成損害；溢流閥2起到模擬負載的作用，通過調節旋鈕達到調節負載的作用；壓力傳感器1測試進口壓力；壓力傳感器2測試出口壓力；電源1為混合流動式磁流變閥勵磁線圈提供激勵電流；電源2為兩個壓力傳感器提供電壓；采集卡用來采集兩壓力傳感器壓力；計算機用來顯示實驗動態數據。

圖4　混合流動式磁流變閥性能測試試驗臺

3.2　混合流動式磁流變閥壓降性能分析

通過旋轉溢流閥2旋鈕來調節模擬負載，其中，在初始狀態順時針方向旋轉1圈為負載1，旋轉1.5圈為負載2，旋轉2圈為負載3。

圖5所示為混合流動式磁流變閥在負載1作用下的壓力變化情況。從圖中可以看出負載1的進口壓力及壓降隨著電流的增大而增大，并且變化趨勢基本一致，最后兩者在電流為3 A時保持穩定；出口壓力隨著電流的增加基本保持恒定約為0.5 MPa。

圖5　負載1作用下閥的壓力變化曲線

出口壓力是由負載決定的，負載恒定，出口壓力也就恒定，電流的變化對出口壓力并不會造成影響；隨著電流的增大，混合流動式磁流變閥阻尼間隙內的磁感應強度增強，相應的剪切屈服應力也就增大，磁流變液要想通過阻尼間隙就需要更大的動力，因此進口壓力增大，而出口壓力保持不變，所以壓降也就相應的增加，且變化趨勢一致。當電流為3 A時，混合流動式磁流變閥內的磁流變液達到飽和，相應的剪切屈服應力不再增加，所以進口壓力和進出口壓差最終維持穩定。壓降變化范圍為0.2～1.1 MPa。

圖6所示為負載2作用下的混合流動式磁流變閥壓力變化情況。從圖6可以看出此時閥出口壓力約為0.8 MPa，進口壓力和壓降與負載1作用變化一致，且壓降變化范圍為0.18～1.1 MPa。因此從圖5和圖6可以看出，壓降大小與負載壓力大小無關，只與勵磁電流大小有關。

圖6　負載2作用下閥的壓力變化曲線

圖7為負載2作用下磁流變閥加載和卸載壓降變化曲線。從圖中可以看出0～3 A加載曲線和3 A～0卸載曲線并不完全重合，且卸載壓降要大于加載壓降，之所以會出現這種狀況，是因為磁性材料都存在著磁滯現象。因此在后續的應用當中要考慮磁性材料的磁滯，以使壓降控制更精準。

圖7　負載2作用下閥的加載及卸載曲線

圖8所示為三種典型負載作用下的混合流動式磁流變閥壓降變化情況。從圖中可以看出在負載發生變化的情況下，混合式磁流變閥的壓降基本保持不變；在加載電流一定的情況下，壓降基本保持穩定，但是由于受紊流、渦流及磁流變液性能等因素的影響，仍存在少量波動。總體來說混合式磁流變閥壓降變化較平穩，性能較穩定。

圖8　三種負載下閥的壓降變化

4　結論

設計了一種阻尼間隙由圓環流動和圓盤流動共同組成的混合流動式磁流變閥，并對其進行了壓降性能測試。實驗結果表明，隨著加載電流的增大，混合流動式磁流變閥的壓降也增大，并且電流為3 A時達到飽和，最大壓降為1.1 MPa。另外，三種不同負載下的實驗測試也表明負載變化對壓降變化影響很小。

參考文獻：

[1]陳鋼,汪品紅,潘言全.磁流變液控制閥在電控系統中應用的研究[J].液壓與氣動,2006,(4):44-46.

[2]趙家文.磁流變技術在氣液阻尼缸中的應用[J].液壓與氣動,2011,(11):77-79.

[3]Aydar G,Wang X J,Gordaninejad F. A Novel Two Way Controllable Magnetorheological Fluid Damper [J]. Smart Materials and Structures,2011,19(6):18-24.

[4]Gordaninejad F, Wang X, Hitchcock G, et al. Modular High-force Seismic Magneto-rheological Fluid Damper[J]. Journal of Structural Engineering,2010,136(2):135-143.

[5]艾紅霞.磁流變閥及具有阻尼特性的磁流變液壓執行器的研究 [D].重慶：重慶大學,2005.

[6]胡國良, 喻理梵,黃敏,等.新型阻尼間隙可調式磁流變閥結構設計及性能測試[J].液壓與氣動,2014，(5):98-100.

[7]胡國良，龍銘，黃敏，等.一種徑向流動兩級盤式磁流變閥：中國，ZL:201310020017.9[P].2015-02-04.

[8]喻理梵.阻尼間隙可調式磁流變閥結構設計及其性能測試[D].南昌：華東交通大學,2014.