基于MR效應的高速氣缸緩沖結構研究

劉亞彬

摘 要：氣缸是氣動系統最主要的執行元件，其高速化是氣動技術發展的必然趨勢，而氣缸的高速化首先需要解決緩沖問題。本文在介紹了常規高速氣缸以及長行程磁流變阻尼器的結構原理基礎上，針對常規高速氣缸緩沖性能的不足，利用常規高速氣缸和磁流變阻尼器在結構上的共性特點，提出了一種基于磁流變液MR效應的高速氣缸緩沖結構，并進行了具有剪切閥式磁流變阻尼裝置的高速氣缸緩沖結構設計，建立了其數學模型，利用Matlab仿真工具對單溢流式緩沖與基于磁流變效應的復合式緩沖兩種緩沖工況，進行了仿真對比分析，驗證了基于MR效應的高速氣缸優良的緩沖性能。

關鍵詞：磁流變；高速氣缸；緩沖；仿真

中圖分類號：TH138.5 文獻標志碼：A

0 引言

常規氣缸的使用速度一般在50mm/s～500mm/s，本文中高速氣缸是指使用速度1m/s以上的氣缸，目前高速氣缸的使用范圍在1m/s～3m/s。但在一些特殊應用場合，如無人機的氣動彈射，需要將負載在短時間內加速到20m/s以上，即便使用動滑輪組減速，需要的氣缸最高運動速度也要在5m/s 左右，目前高速氣缸使用速度距離該種需求還有一定差距。

事實上，使氣缸加速到5 m/s甚至更高速度并不困難，只需提高供氣通道的通徑尺寸就可實現，限制氣缸高速使用的關鍵問題是：如何能夠使氣缸到達加速行程終點后能夠平穩緩沖可靠制動。若緩沖失效，會導致氣缸活塞桿在運行末端猛烈撞擊端蓋，出現活塞反彈和振動現象，密封件嚴重損壞，活塞桿嚴重變形，造成高速氣缸失效。研究新型緩沖技術已成為高速氣缸進一步擴展應用領域亟待解決的課題。

1 工作原理

圖1所示某型高速氣缸緩沖結構原理圖，其原理是活塞桿伸出過程緩沖開始前，緩沖室5內空氣經過緩沖密封圈6和活塞桿9之間空隙經供氣/排氣孔2排出；緩沖開始后，緩沖套3堵塞該間隙，關閉緩沖室5，缸內高壓氣體只能通過緩沖通道7進入溢流閥8，經溢流閥后再進入供氣/排氣孔，經溢流后活塞桿平穩緩沖制動，完成緩沖過程。

該型氣缸緩沖方式為溢流閥式緩沖，常見的還有針閥式緩沖，其原理和結構與之相似，其具有一定的緩沖效果，但對外界工況變化適應能力差，且無法滿足如今對高速化的需求。

磁流變液（magnetorheological fluid，MRF）是一種新型智能材料，磁流變液在磁場作用下，能在毫秒級的時間內連續、可逆的轉變為具有高黏度、低流動性的Bingham流體，其表觀黏度能增加兩個數量級以上，具有類似固體的力學性質，此效應被稱為磁流變效應（MR-effect）；外加磁場撤去時，磁流變液又恢復了良好的流動性。國內外已經將磁流變技術應用于軍事工程領域和武器系統制動緩沖領域，做了許多研究工作，其在減震、隔震、緩沖阻尼等領域工程化應用的日趨成熟。美國的Virginia Tech 的Mehdi Ahmadian等人已研發出用于火炮反后坐裝置緩沖的長行程磁流變阻尼器，其結構原理圖如圖2所示。

2 基于MR效應的緩沖設計

借鑒直線式磁流變阻尼器與常規氣缸緩沖結構，基于磁流變液的磁流變效應，本文提出一種具有復合式緩沖結構的高速氣缸，其結構組成如圖3所示。

如圖3所示，復合式緩沖高速氣缸的組成主要是在溢流閥式緩沖氣缸的結構基礎上，增加了一個剪切式磁流變阻尼裝置，以及與緩沖通道聯通用于觸發線圈通電的壓力繼電器9。磁流變阻尼裝置采用內嵌式結構，如圖其線圈1內嵌于氣缸緩沖行程部分缸筒內，磁流變液封閉于嵌入活塞2的浮動套筒7與缸筒內壁之間，彈簧5用于不緩沖時浮動套筒的定位。緩沖原理是當緩沖開始后，緩沖腔內壓力上升，高壓氣體通過進氣孔8推動浮動套筒反向運動，可以降低緩沖開始瞬間活塞及密封件承受的壓力沖擊；同時由于浮動套筒推動磁流變液在間隙內與活塞運動方向反向流動，氣缸內壁與活塞之間的相對運動，使磁流變液阻尼裝置工作于剪切式阻尼模式，流變液產生剪切變形，在外加磁場的作用下，剪切式磁流變阻尼裝置能夠為緩沖提供較大的剪切阻力。

其緩沖動作過程原理圖如圖4所示；該復合式緩沖動作由剪切閥式阻尼緩沖與常規溢流緩沖并行，氣體通過緩沖通道壓力上升，溢流閥開始溢流，同時觸發壓力繼電器動作使線圈通電，磁流變液發生磁流變效應，瞬間產生一個很大的黏性阻力，對氣缸進行緩沖制動。

3 建模與仿真

3.1 復合緩沖高速氣缸數學模型建模

以高速氣缸工作行程為外伸運動時的緩沖過程為例，建立高速氣缸復合式緩沖數學模型。

（1）剪切式磁流變效應阻尼數學模型

從磁流變液的本構關系Bingham模型出發，根據流體的受力狀態和流動特點的不同，磁流變阻尼器主要分為剪切式、閥式、剪切閥式和擠壓流動式。剪切閥式磁流變阻尼器工作原理相當于為剪切式與閥式工作原理的疊加，因此，根據磁流變液的Bingham本構模型，推導得到剪切式阻尼力的計算模型表達式為：

F=τ（H）·π·D·x （1）

其中：τ（H）是磁場作用下的動態屈服應力，為磁流變液的有效作用長度，其余各符號表示物理意義數學模型簡圖中標注所示。

（2）能量微分方程

根據熱力學第一定律，緩沖室1、氣缸進氣腔2、緩沖通道腔3內能量微分方程可統一表示為：

（2）

其中：pi為各腔室內氣體壓力；Vi為各腔室容積；Tin、Tout為腔室內外溫度；Qini、Qouti為各腔室流入流出氣體的流量；k為比熱比，R為氣體常數。

（3）溢流閥流量方程

（3）

其中：Ae為溢流閥過流孔有效斷面積，pu、pd為閥孔上下游壓力，Tu為上游溫度，b為臨界壓力比。

（4）活塞運動方程

根據牛頓第二定律，緩沖過程活塞的運動方程為：

（4）

其中：M為慣性負載及活動部件質量；x為活塞位移；s為活塞行程；Ff為摩擦力； F為磁流變提供黏性阻力，A1、A2分別為活塞在緩沖室腔1 和進氣腔2的有效作用面積。

3.2 緩沖特性仿真

本文使用Matlab對慣性負載及活動部件質量M=100 kg，緩沖行程初始速度為5m/s工況的高速氣缸緩沖過程進行仿真。仿真設定參數依據SMC 公司的RHC系列高速氣缸，其缸徑為100mm，緩沖段長度為400mm。溢流閥流量系數CV取0.25。磁流變液參考美國Lord 公司的MRF-132AD型磁流變液，磁流變液間隙h=1mm。

仿真模型不考慮氣體溫升，將溢流閥簡化考慮，不研究溢流閥開啟過程，分別對單獨溢流閥式緩沖方式和復合式緩沖兩種緩沖模式進行仿真，得到兩種緩沖方式下的速度-位移變化曲線，如圖6、圖7所示。

由兩種緩沖方式下的速度-位移曲線圖可以看出，單溢流緩沖能力有限，在有限緩沖段內未能減速制動，在緩沖子能夠從終點活塞與缸體發生了劇烈碰撞。加入了磁流變阻尼的高速氣缸緩沖距離明顯縮短，在350 mm的緩沖行程內平緩減速制動，避免了活塞與缸體在末端的碰撞，提高了緩沖效率和能力，保護了缸體密封件，提高了高速氣缸的緩沖性能，能夠有效提升氣缸的使用壽命。

結論

本文提出的基于MR效應的高速氣缸復合式緩沖技術，能夠利用磁流變液的磁流變效應對高速氣缸進行輔助緩沖，有效縮短氣缸的緩沖行程，其具有閥式結構的磁流變阻尼裝置，能夠降低緩沖開始瞬間的壓力沖擊。并且磁流變效應產生的剪切阻力能夠通過控制外加磁場的強度進行控制，能夠提高氣缸對復雜工況下氣缸的緩沖適應性，尤其適用于高速重載緩沖行程較長的特殊工況。

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