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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(tài)流動；當給它施加一定的磁場后在毫秒級內(nèi)，由牛頓液體變?yōu)榘牍腆w且磁場越大這種現(xiàn)象越明顯，當撤銷磁場后瞬間又還原為牛頓液態(tài)，這種現(xiàn)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(fā)現(xiàn)后在工業(yè)、土木及減振等各個領域都有廣泛的應用[1,2]。

與傳統(tǒng)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(nèi)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(nèi)達華大學的Aydar設計了一種圓盤式阻尼間隙磁流變閥， 能產(chǎn)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(huán)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(diào)式磁流變閥，該閥阻尼間隙可在1～2 mm之間機械可調(diào)，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(fā)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(shù)磁流變閥液流通道均為單一的軸向圓環(huán)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(shù)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(huán)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(jīng)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(huán)間隙，然后流經(jīng)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(nèi)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(nèi)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(jīng)圓環(huán)軸向間隙和圓盤徑向間隙時，間隙內(nèi)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(diào)節(jié)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(shù)值。

圖3　磁流變閥的主要結構尺寸示意圖

主要參數(shù)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(shù)N284

2　壓降數(shù)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(huán)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(jīng)該閥圓環(huán)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(jīng)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(shù)，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(shù)有q、d1、d2、R、R1、R2及τy。當結構參數(shù)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(xù)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(tǒng)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(tǒng)造成損害；溢流閥2起到模擬負載的作用，通過調(diào)節(jié)旋鈕達到調(diào)節(jié)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(tài)數(shù)據(jù)。

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(zhuǎn)溢流閥2旋鈕來調(diào)節(jié)模擬負載，其中，在初始狀態(tài)順時針方向旋轉(zhuǎn)1圈為負載1，旋轉(zhuǎn)1.5圈為負載2，旋轉(zhuǎn)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(wěn)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(nèi)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(nèi)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(wěn)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(xiàn)這種狀況，是因為磁性材料都存在著磁滯現(xiàn)象。因此在后續(xù)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(fā)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(wěn)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(wěn)，性能較穩(wěn)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(huán)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：

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[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(zhí)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(diào)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(diào)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.