双线圈磁流变阀压降特性分析

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2013年 10月第41卷 第 19期机床与液压MACHINE TOOL& HYDRAULICS0ct．2013Vo1．41 No．19DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．19．038双线圈磁流变阀压降特性分析胡国良，喻理梵，李海燕，黄敏，彭殉(华东交通大学机电工程学院，江西南昌330013)摘要：利用磁流变液体的可控特性，基于传统单线圈磁流变阀结构，设计一种双线圈圆环阻尼间隙磁流变阀。采用Maxwel电磁场仿真软件对双线圈磁流变阀进行磁场仿真 ，得出外加电流与阻尼间隙处磁感应强度大小的关系。建立双线圈磁流变阀压降数学模型，采用MATLAB数值仿真软件对磁流变阀压降特性进行仿真分析，初步得到了磁流变阀结构参数对压降的影响规律，从而为双线圈磁流变阀多级调压提供了一定的理论参考。

关键词 ：磁流变阀；双线圈；结构设计 ；压降特性中图分类号：TH137．5 文献标识码：A 文章编号：1001—3881(2013)19—133—4Pressure Drop Analysis for a Double-coil M agnetorheological ValveHU Guoliang，YU Lifan，LI Haiyan，HUANG Min，PENG Xun(School of Mechanical& Electronical Engineering，East China JiaotongUniversity，Nanchang Jiangxi 330013，China)Abstract：A double-coil magnetorheological (MR)valve was designed according to the rheological properties of magneto—rheo—logical fluid and traditional structure of the single—coil MR valve．The magnetic field simulation was conducted using Maxwel software，and the relationship between the external current and the magnetic induction intensity of the resistance gap was achieved．At the sametime，the mathematical model of pressure drop was established，and the characteristics of pressure drop were also simulated usingMATLAB software，and the influences of the structure parameters of the double—coil MR valve on the pressure drop were obtained．Therelevant results can provide some guidance to the multi—stage pressure drop regulating of the MR valve.

Kcywords：Maguetorheological(MR)valve；Double—coil；Structure design；Pressure drop characteristics磁流变阀是一种无移动元件的压力控制阀。当给磁流变阀内的线圈通电时，会在阻尼间隙处产生磁场。在磁场作用下，阻尼间隙处的磁流变液迅速变为半固态，形成沿磁场方向排列的链状体。磁流变液流过阻尼间隙，就必须克服这种链状排列 的分子 间的力 ，导致磁流变液流经阀的阻力及阀人 口的压力增加，因而可减慢或阻止液体的流动?。

磁流变阀是磁流变液系统的核心控制元件，它直接影响系统的性能。而影响磁流变阀性能的因素是多方面的 ，包括结 构、阻尼 间隙尺寸 及形状 等 。 。

YOKOTA等提出并设计了一种磁流变压力控制阀，在流量 为 1．8 L／min情况 下，压差 调 节最 大为 0．68MPa 。美国马里兰大学 的 YOO等提出了一种高效率的磁流变阀，响应频率可达 100 Hz ；西班牙的LEICHT等对磁流变阀进行了理论和实验分析，比较了宾汉模型、改进宾汉模型以及 Lord模型 3种模式下磁流变阀的动态特性 。国内重庆大学的艾红霞提出了一种同时具有圆环形和圆盘形阻尼间隙的磁流变阀，并对其进行了电磁场仿真分析 。昆明理工大学的王京涛设计了一种基于磁流变液的先导式溢流阀，采用 ANSYS进行了磁场分析，并利用 MATLAB对所设计的溢流阀静态和动态特性进行了仿真分析 。杭州电子科技大学的金方银对磁流变液压伺服阀驱动机制展开了实验研究，分析了压力控制系统中控制 电流、液压半桥输出压力 以及系统流量之间的相互关系，为高频响大流量的磁流变液压伺服阀的先导级的研究奠定了实验基础 。

以上研究均是针对单线圈型磁流变阀进行的，作者在现有单线圈磁流变阀基础上，提出一种双线圈型圆环阻尼间隙磁流变阀结构 ，并对该磁流变阀多级调压特性进行电磁场仿真，同时建立压降特性数学模型 ，为磁流变阀的压差可调特性提供一种新的思路。

收稿日期：2012—10—09基金项目：国家自然科学基金项目 (51165005)；华东交通大学研究生创新资金资助项目 (YC2012一XO07)作者简介：胡国良 (1973一)，男，博士，副教授，主要从事流体传动及控制技术、智能材料理论及其应用等方面的研究与教学工作。E—mail：glhu2006###163．eom。

· 134· 机床与液压 第 41卷1 双线圈磁流变阀结构设计图 1所示是所设计的双线圈圆环阻尼间隙磁流变阀结构示意图，主要由阀体、阀芯、励磁线圈等部件组成。阀芯绕有两组励磁线圈，励磁线圈的引出线通过一边阀端盖的小孔引出，阀端盖设有与磁流变液压回路中的管接头连接的螺纹孔。该控制阀的阀芯两端与阀端盖之间设置定位块作为精密定位装置，定位块上有均匀分布的导流孔，定位块与缸筒之间采用精密定位的过渡配合，定位块与阀芯通过定位销连接，以保证阀芯与缸筒之间的间隙 (即液流阻尼通道)具有均匀的径向尺寸，从而充分发挥磁场对磁流变液的作用。

1一 端盖 2一 定位 块 3一 导向块 4一 定 位销5一 阀芯 6_励磁线圈 卜 阀体图 1 双线圈磁流变阀结构图双线圈磁流变阀工作原理如图2所示。当控制器向两个励磁线圈分别输入一定方 向及大小的电流 ，和，2时，由于电磁效应会在阀芯、阀体和阻尼间隙间形成闭合的磁场回路，在3个阻尼间隙内产生磁场。由于磁流变 液的磁致剪切屈服强度与其磁场强度有关，因此可通过控制输入励磁线 圈电流 的方向及大小 ，控制 阻尼 间隙内磁场 的强度，从而控制 3个 阻尼间隙两端之间 的压差 ，进而① ② ③l ll 控制器图 2 双线圈磁流变阀工作原理图达到控制磁流变阀进出口压力差的目的。

2 双线圈磁流变阀电磁场仿真磁流变阀中产生和改变磁场的关键为阻尼间隙内的磁路分布，作者利用 Ansofl Maxwel电磁场有限元仿真软件对磁流变阀的电磁场进行数值模拟 ，研究磁场中阀体磁路内部的分布，从而为阀进出口压降特性分析提供参考。

图3所示为双线圈磁流变阀有限元实体模型，包括阀体、阀芯、励磁线圈、阻尼间隙及空气区5个区。其中，阀芯和阀体选用 l0号钢导磁材料，其导磁率由10号钢的B一日曲线定义；励磁线圈材料选用直径为0．5 mm的铜导线，其相对导磁率为 =1；阻尼间隙区充满磁流变液，其导磁率由磁流变液的日一日曲线定义；理想情况下 ，忽略磁流变阀的漏磁即磁力线平行于边界。仿真时每组励磁线圈匝数设为800匝，两励磁线圈分别通人大小相等方向相反的电流，其仿真结果如图4所示。从仿真结果可看出：阻尼间隙内磁感应强度随电流的增大而增大，但有极限值。出现这种极限值的原因是阀芯内磁感应强度随电流的增大产生了磁饱和现象。

O．8体磁 0．6圈芯塞0·0．2尼隙o．ool|图3 双线圈磁流变阀 图4 磁感应强度与施有限元实体模型 加电流的关系图5所示为施加不同电流大小的双线圈磁感应强度分布曲线，其中上侧线圈施加0．1 A电流，下侧线圈施加0．3 A电流，两线圈电流方向相反。当给双线圈磁流变阀各线圈施加不同大小的电流时，还可以实现多级调速。

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＼ f ＼( j L ／图5 施加不同电流大小时的磁感应强度曲线3 双线圈磁流变阀压降特性分析3．1 双线圈磁流变阀压降数学模型建立图6所示为双线圈磁流变阀圆环阻尼间隙简化模型。如图6(a)所示 ，具有圆环阻尼间隙的磁流变阀的阻尼通道即为阀芯凸台与阀体内壁之间的圆环间隙，通常将圆环阻尼间隙近似看成图6(b)所示的矩形平板模型，其中平板的宽度为2,rR．，厚度为环行阻尼间隙的厚度d，平板的长度为环行阻尼间隙的长度。

第 19期 胡国良 等：双线圈磁流变阀压降特性分析 ·135·，一 (a)圆环间隙模型 (b)近似平板模型图6 圆环阻尼间隙简化模型磁流变液经过环行液流阻力问隙沿 轴向单位长度产生的压降 卸 为单位长度黏塑性液体流动产生的压降△p 和克服磁流变液屈服应力产生的压降△p 之和 ：△p=△p +△p (1)(1)黏塑性体液体流动产生的压降△p如图7所示，在液流中取dxdy微元体，受压力P和P+dp，上下面受切应力 7和 +d．r，则微元体的受力平衡方程为 ：pdy+(r+df)dx=(P+dp)dy+zdx (2)由液体的运动黏度 =r／( )可得：r ： _du (3) r j将式 (3)代入式 (2)中，并对 u二次积分得：“= +c1y+c2 (4)由边界条件 ，Y=0时 “=0，Y=h时 u=0；并且= ，
得 ：c。=A ph
、 c：=0，代入式 (4)可得：+ 。 Z (5)因此 ，通过缝隙的流量为：9 = =ru枷 却 ㈩由式 (6)可得黏塑性液体流动产生的压降为：却 = 6g
，
t q (7)(2)克服磁流变液的屈服应力产生的压降ap.

由 = ： 得：】 ap】 d 丁dy (8)对 7I积分：： [ 竽dy： +cl (9)由边界条件 Y=0时 r=0，则 c =0，所以，克服磁化后的磁流变液的屈服应力产生的压降为ap = (10)把式 (10)和式 (7)代人式 (1)中即可得到双线圈型磁流变阀的压降为：△p=△p +△p，= 6~
d3
lH
Rq +2c t 7- +c号ry2(11)式中：d为阻尼间隙厚度；t为端盖到线圈的距离；o为两线圈之间的距离；H为环形阻尼间隙的长度；q为流进磁流变阀的磁流变液的体积流量；R =R—d 一0．5d；7为磁流变液的零场黏度； 为端盖到线圈之间的磁流变液磁化后的屈服应力；r 为两线圈之间的磁流变液磁化后的屈服应力；c为修正系数，取值范围为 2—3之间，当 △p ／△p <1时取 3，当△p ／△p >100时取 2。

3．2 压降特性仿真分析根据上文提供的磁流变液特性参数、磁流变阀的结构参数以及磁场仿真参数，采用 MATLAB对磁流变阀的压降特性进行仿真分析。图8所示为阻尼间隙d=0．5 mm时磁流变阀产生压降与流量大小之间的关系。可知：压降与流量呈线性关系，且双线圈磁流变阀产生的压降随流量的增加而增大。

图9为流量 q=4．0 L／min时，产生的压降与阻尼间隙大小之间的关系。如图所示：随阻尼间隙厚度增加，磁流变阀产生的压降有下降的趋势，但不呈线性关系。

图8 磁流变阀系统压 图9 磁流变阀系统压降与降与流量关系 阻尼间隙厚度关系在仿真压降与阻尼间隙厚度关系时，假设阻尼间隙内的磁感应强度是定值，而实际上阻尼间隙越大，阻尼间隙的磁阻越大，会使整个磁路的磁通量减小，阻尼间隙的磁感应强度也会随减小，使得实际的曲线比简化了的仿真的图形还要陡峭，即随着阻尼间隙尺寸的增加，产生的压降会更小。因此在设计磁流· 136· 机床与液压 第 41卷变阀以及磁流变器件时 ，阻尼间隙厚度尺寸不能太大。但是 ，如果阻尼间隙的尺寸太小 ，则 由于油膜效应 (或sJ-,~L截流 )，磁流变阀在没有激励电流时也很难有磁流变液通过，会大大降低磁流变阀的可调范围。

图 l0为流量 q=4．0 L／rain、阻尼间隙尺寸分别为 d：0．5 mm时，磁流变阀产生的压降与阀芯直径d．的关系。由图可知，压降随阀芯直径的增大而减小 。

图10 磁流变阀系统压降与阀芯直径关系4 结论设计了一种双线圈圆环阻尼间隙磁流变阀，采用Maxwel电磁场仿真软件对磁流变阀进行了磁场仿真 ，得出了阻尼间隙处磁感应强度与施加电流大小之间的关系。

建立了双线圈圆环阻尼间隙磁流变阀的压降数学模型，利用 MATLAB对双线 圈磁流变阀进行压降特性分析 ，得出双线圈磁流变阀的流量、阻尼间隙及阀芯直径等结构参数与压降之间的关系。

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