具有内外线圈结构的磁流变阀压降性能分析 (1).pdf

书书书第 卷 第 期 年 月南昌工程学院学报 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；江西省研究生创新专项资金项目（）作者简介：胡国良（），男，博士，教授，文章编号：（）具有内外线圈结构的磁流变阀压降性能分析胡国良，杨肖，朱文才，喻理梵（华东交通大学 载运工具与装备教育部重点实验室，江西 南昌 ）摘要：多线圈磁流变阀的设计多采用线圈并排放置结构，不可避免地增加了磁流变阀轴向长度和体积。基于此，本文创造性地提出并设计了一种具有内外线圈结构的磁流变阀，建立了磁流变阀的压降数学模型，使用 软件对磁流变阀进行磁流场仿真分析，得到了不同通电条件下磁流变阀的磁感应强度分布及压降变化。仿真结果表明，里层流道不受外线圈电流影响，中层及外层流道不受内线圈电流影响。同时得出了在内线圈单独通电、外线圈单独通电以及内外线圈同时通电时磁流变阀的输出压降以及压降可调范围。关键词：磁流变阀；内外线圈；磁流场仿真；压降中图分类号：文献标志码：，（，）：（），：；磁流变液是一种由微米级铁磁颗粒和矿物油或硅油以及添加剂组成的可控智能牛顿流体，在没有磁场的情况下，这些铁磁性颗粒自由流动，随机分布在油中 。在磁场的作用下，这些粒子会沿磁场方向排列并形成链状结构，磁流变液将在毫秒内从非牛顿流体转变为固体或半固体。撤去磁场，磁流变液又会迅速转变为牛顿流体状态。这种变化被称为磁流变效应，并且完全可逆 。利用磁流变液的流变特性，采用磁流变液作为工作介质的磁流变智能器件已经得到广泛应用 。如磁流变阻尼器 、制动器 、离合器 、阀 及软体机器人 等。磁流变阀作为典型的磁流变智能器件，可作为旁通阀 控制液压缸或作为内置阀 构成阻尼器。磁流变阀的性能主要体现在输出的可控压降及压降可调范围，而励磁线圈的配置则是影响输出压降的重要因素。提出了一种具有双线圈单轴向流道的结构，通过优化设计实现了间隙处的最大磁通密度，使得磁流变阀配置的效率最大化。等人采用有限元分析的方法，分别对单线圈、双线圈及三线圈等磁流变阀结构参数进行仿真优化，确定了最佳的磁流变阀配置，得到了不同压降和不同约束容积的磁流变阀优化结果。胡国良 等人在单线圈磁流变阀的基础上，设计了一种双线圈磁流变阀，研究了阀芯倒角、励磁线圈通电方向以及阻尼间隙宽度对磁流变阀压降的影响。陈文 等人设计了一种双线圈先导式磁流变溢流阀，测得单线圈激励以及双线圈激励时的压力与电流的关系。结果表明先导式磁流变溢流阀的调压能力以及响应速度得到了提高。等人提出了一种双线圈环形多通道磁流变阀，研究了电流、线圈匝数以及阻尼间隙对输出压降的影响，并与普通型磁流变阀进行了比较，实验结果表明双线圈环形多流道磁流变阀的压降性能相较于普通型提高了 倍。除此之外，将线圈与永磁铁一起使用也能达到多线圈的效果，等人提出了一种线圈与永磁铁共同激励的磁流变阀，两者磁场可以相互叠加，线圈不通电时还可以通过永磁铁产生一定的背压，而且永磁铁体积更小，比多线圈磁流变阀更容易实现紧凑的设计。在上述针对磁流变阀的结构创新中，可以通过增加励磁线圈的数量来达到提高磁流变阀的性能的目的。但传统的多线圈磁流变阀多是研究线圈并排放置下的性能，只是单一地增加励磁线圈的数量。这些设计虽然可以增大磁流变阀的压降大小，实现多级调速，提高效率，但是不可避免地会增大轴向液流通道的长度及磁流变阀的体积。基于此，本文提出一种双线圈内外叠加放置的磁流变阀，通过各元部件的合理布置形成里中外三层环形流道，同时采用磁流体耦合仿真研究在线圈内外放置的情况下磁流变阀的性能，为磁流变阀的应用做进一步探索。具有内外线圈结构的磁流变阀结构设计 工作原理与结构图 所示为具有线圈内外放置结构的磁流变阀的结构原理及三维模型图。其部件主要包括端盖、内绕线架、导流环、外绕线架、隔磁盘及内外线圈等。可分为三个部分：阀芯、线圈及外壳。其中外绕线架、导流环、内绕线架以及隔磁盘之间相互配合构成阀芯部件，绕线架与隔磁盘之间以及左端盖与导流环之间采用 型密封圈进行密封以防止漏液。线圈可以绕制在内线圈及外线圈的凹槽之上形成线圈绕组。阀套及左右端盖之间通过螺纹连接形成外壳并围成一个封闭的空间。通过在内绕线架、导流环、外绕线架及隔磁盘的表面设置凸台，在磁流变阀内部形成了三条环形阻尼通道。磁流变液从左端盖中心孔流入，经过内绕线架左侧进入由内绕线架与导流环构成的环形阻尼通道 ，然后经由导流环右侧进入由导流环与外绕线架所构成的环形阻尼通道 ，再通过外绕线架左侧孔隙进入外绕线架与阀套形成的环形阻尼通道 ，最后经由隔磁盘与右端盖之间的径向阻尼间隙，从右端盖中心小孔流出。当线圈中通入电流时，改变磁流变阀内部的磁场强度，磁流变液的剪切屈服应力增大，从而改变磁流变阀的输出压降。当内部线圈通电，外部线圈不通电时，磁力线在内绕线架、环形阻尼通道 与导流环之间形成闭合回路。调节内部线圈电流大小可控制 通道处磁 左端盖；内绕线架；内线圈；导流环；外线圈；外绕线架；隔磁盘；右端盖图 具有内外线圈结构的磁流变阀南昌工程学院学报 年流变液的剪切屈服应力，控制输出压降，但此时有效阻尼间隙仅有 ，输出压降可调范围较小。当内部线圈不通电，外部线圈通电时，磁力线在导流环、环形阻尼通道 、外绕线架、环形阻尼通道 与阀套之间形成闭合回路。此时调节外部线圈电流大小可控制 与 流道处的剪切屈服应力，可调范围比只有内部线圈通电时更大。若同时给内部及外部线圈通电，此时 、流道均为有效阻尼间隙，输出的可控压降更大，可调范围也更广。压降数学模型建立所设计的磁流变阀是轴对称结构，取磁流变阀的 截面作为研究对象。图 所示为具有内外线圈结构的磁流变阀压降区域划分图。液流通道可分为 个区域，内中外三层环形阻尼间隙与两条径向阻尼间隙。图 压降区域划分图具有内外线圈结构的磁流变阀总压降可表示为 ，（）式中 为磁流变阀总压降；为 环形流道总压降；为 环形流道总压降；为 环形流道总压降；为径向流道总压降。由 模型可知，具有内外线圈结构的磁流变阀总压降由磁致压降 以及黏致压降 构成。由图 可知，磁力线垂直穿过内中外三条环形阻尼间隙 、及 ，因此在环形阻尼间隙中既有磁致压降，也有黏致压降，而径向阻尼间隙中没有磁力线穿过，只有黏致压降。圆环阻尼间隙 内的压降可表示为 ()，（）式中 、为 流道内磁致压降；为 流道内黏致压降；为修正系数，取 ；为绕线架侧翼宽度；为环形阻尼间隙厚度；、为 流道内剪切屈服应力；为零场黏度，为 ；为体积流量，取 ；为绕线轴长度；为内绕线架半径。圆环阻尼间隙 内的压降可表示为 （）（），（）式中 、为 流道内磁致压降；为 流道内黏致压降；为导流环厚度；、为 流道内剪切屈服应力。圆环阻尼间隙 内的压降可表示为 （），（）式中 、为 流道内磁致压降；为 流道内黏致压降；为外绕线架半径；、为 流道内剪切屈服应力。径向阻尼通道内磁流变液的流动可近似看作平行平板缝隙流，因此其黏致压降可表示为 ，（）式中 、为 流道内黏致压降；为缓冲区半径。综上，具有内外线圈结构的磁流变阀的总压降可表示为 （）()()（）具有内外线圈结构的磁流变阀磁流场仿真 材料选择及模型建立工作介质磁流变液选用 型磁流变液，其 曲线以及 曲线如图 所示。采用最小二乘法对剪切屈服应力 与磁感应强度 的关系进行五次多项式拟合，可得到 型磁流变液的动态剪切屈服应力与磁感应强度之间的近似关系式为（），（）式中、及 为多项式拟合系数，；。第 期胡国良，等：具有内外线圈结构的磁流变阀压降性能分析图 型磁流变液性能曲线为了直观地了解具有内外线圈结构的磁流变阀的压降性能特性，在能够直接耦合任意物理场的仿真软件 中建立了如图 所示的实体模型。考虑到所设计的具有内外线圈结构的磁流变阀为轴对称结构，为简化计算，在不影响精度的情况选取 截面作为研究对象。图 磁流变阀实体模型图如图 所示，该实体模型由端盖 、液流通道 、内绕线架 、内线圈 、外线圈 、阀套 、导流环 、外绕线架 及隔磁盘 等组成。各元件材料属性如表 所示。表 各元件材料属性元件材料导磁性端盖 不锈钢不导磁内绕线架 低碳钢导磁导流环 低碳钢导磁外绕线架 低碳钢导磁隔磁盘 不锈钢不导磁阀套 低碳钢导磁端盖以及隔磁盘不参与磁路导磁，因此采用隔磁性能优秀的 不锈钢，相对磁导率为 ；液流通道工作介质采用的是 型磁流变液，属于导磁材料，相对磁导率设定为 ；线圈不参与磁路导磁但产生磁场，采用的是漆包铜线，将其视为相对磁导率为 的均匀材料；内外绕线架、阀套及导流环均参与磁路的导磁，采用导磁性良好的 低碳钢，其相对磁导率设置为 ，低碳钢的 曲线如图 所示。图 号低碳钢磁化特性曲线 仿真结果分析图 为具有内外线圈结构的磁流变阀的磁力线分布及路径定义图。分别显示了内线圈通电，外线圈通电，以及内外线圈同时通电时磁流变阀的磁力线分布及路径定义。当内线圈通 电流，外线圈不通电时，磁流变阀的磁力线在内绕线架与导流环之间形成闭环。磁力线从绕线架通过 流道的上方有效阻尼间隙（磁力线垂直穿过的环形液流通道）穿入导流环，然后再经 流道下方的有效阻尼间隙回到内绕线架，从而形成一个闭环。此时只有 流道中存在有效阻尼间隙，流道与 流道中不存在有效阻尼间隙。南昌工程学院学报 年图 具有内外线圈结构的磁流变阀磁力线分布及路径定义当内线圈不通电，外线圈通 电流时，磁力线在阀套、外绕线架与导流环之间形成闭环。磁力线从导流环通过 流道的上方有效阻尼间隙穿入外绕线架，然后经 流道上方的有效阻尼间隙穿入阀套，再经 流道下方有效阻尼间隙穿入外绕线架，最后经 下方有效阻尼间隙穿入导流环形成一个闭环。此时 流道与 流道中均存在有效阻尼间隙，而 流道无磁力线穿过，不存在有效阻尼间隙。当内外线圈同时通 电流时，三条环形流道 、及 均有磁力线垂直穿过，因此，、及 流道均存在有效阻尼间隙。由图 可知，内线圈单独通电时只影响 流道，外线圈单独通电时只影响 及 流道。有必要进一步研究当内外线圈同时通电时对各流道的影响规律。图 所示为所定义的三条环形液流通道处磁感应强度沿路径分布曲线。其中图 （）为内线圈单独通 电流时 流道磁感应强度沿路径分布，图 （）为外线圈单独通 电流时 及 流道磁感应强度沿路径分布，图 （）则是内外线圈同时通 电流时 、及 流道磁感应强度沿路径分布。由图 （）可知，在内外线圈同时通 电流时，流道的磁感应强度大小与内线圈单独通电时的磁感应强度相差不大，及 流道的磁感应强度大小与外线圈单独通电时的磁感应强度也相差不大。由此可知，内线圈对 及 流道几乎没有影响，外线圈对 流道也几乎没有影响。对三条定义的环形流道有效阻尼间隙路径上的磁感应强度积分后再比上对应的定义路径长度可得到对应流道上的平均磁感应强度，即图 磁感应强度沿路径分布()，（）式中 为平均磁感应强度；为定义路径长度。图 所示为各流道平均磁感应强度随内外线圈第 期胡国良，等：具有内外线圈结构的磁流变阀压降性能分析电流变化曲线。由图 （）可知，当内线圈单独通电，电流大于 时平均磁感应强度的增长率逐渐下降。因此可知在内线圈电流为 时 流道有效阻尼间隙处达到了磁饱和，饱和磁感应强度为 。由图 （）可知，当外线圈单独通电时，及 流道内平均磁感应强度随电流的增加逐步上升。当外线圈施加电流为 时，及 流道内有效阻尼间隙处平均磁感应强度分别为 和 。从图 （）及图 （）中可以看出，当内外线圈同时通电，内线圈通 相同电流时，流道内有效阻尼间隙处平均磁感应强度随外线圈电流变化曲线呈一条直线；外线圈通 电流时，及 流道内有效阻尼间隙处随内线圈电流变化曲线也呈直线状。进一步验证了无论是内外线圈单独通电还是内外线圈同时通电，流道不受外线圈电流影响，及 流道不受内线圈电流影响。图 所示为不同激励条件下，磁流变阀压降随电流变化曲线。当体积流量 设置为 ，由图（）可知，当内线圈单独通电时，具有内外线圈结构的磁流变阀输出压降在电流大于 时达到饱和，与图 （）中内线圈单独通电时 流道内有效阻尼间隙处平均磁感应强度变化趋势相同。此时磁流变阀输出压降为 ，压降可调范围为 。当内外线圈单独通电时，从图 （）中可以看出，具有双线圈结构的磁流变阀输出压降随电流的增加逐步上升，在外加电流为 时，输出压降达到了 ，同时压降可调范围提升到了 ，高于内线圈单独通电时的 。由图 与图 （）已经得知，外线圈几乎不影响 流道，且当内线圈单独通电时，流道处平均磁感应强度及输出压降 在 的外加电流作用下达到饱和。因此，内外线圈同时通电时，将内线圈电流稳定在 ，研究此时磁流变阀输出压降随外线圈电流变化。从图 （）中可以看出，当内线圈电流固定在 时，磁流变阀输出压降随外线圈电流逐渐上升。在外线圈电流为 时，磁流变阀输出压降达到了 ，压降可调范围为 。磁流变阀输出压降及压降可调范围进一步提升。图 各流道平均磁感应强度随电流变化南昌工程学院学报 年图 不同激励条件下磁流变阀压降随电流变化 结论（）本文提出了一种具有内外线圈结构的磁流变阀，该磁流变阀的双线圈采用内外放置，在保证一定尺寸的情况下，形成了三条环形阻尼间隙，推导了磁流变阀的压降数学模型，使用能够直接耦合任意物理场的仿真软件 对提出的磁流变阀进行了磁流场仿真分析。（）仿真结果表明，里层 流道不受外线圈电流影响，中层 及外层 流道不受内线圈电流影响。当内线圈单独通电时，有效阻尼间隙只存在于 流道，外加电流为 时达到磁饱和，此时输出压降仅为 ，压降可调范围为 ；当外线圈单独通电时，与 流道内存在有效阻尼间隙，外加电流为 时，压降达到 ，压降可调范围为 。当内外线圈同时通电，内线圈电流稳定在 ，压降随外线圈电流逐步上升。外线圈电流为 时，输出压降为 ，压降可调范围达到 。通过在三种不同的通电条件下输出不同的压降，扩展不同的压降调节范围，应用范围更广。参考文献：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：董效，冯显英 软体机器人研究现状及展望 现代制造技术与装备，（）：胡国良，钟芳 磁流变阀控液压缸系统性能分析 机床与液压，（）：胡国良，邓英俊，冯海波，等 内置磁流变阀对磁流变阻尼器动力性能的影响 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