楊智超， 鄧 斌

(西南交通大學先進驅動節(jié)能技術教育部工程研究中心， 四川成都 610031)

引言

液壓換向閥在開啟和換向時往往會產(chǎn)生較大的沖擊和震蕩，這種沖擊嚴重時會使液壓管子爆裂，損壞密封裝置和液壓儀表，并會產(chǎn)生很大的噪聲，給系統(tǒng)的正常工作帶來隱患。目前降低液壓沖擊的方法主要有：降低換向閥的換向速度，增大管徑；設置緩沖裝置；通過電氣控制方式緩沖液壓沖擊。但是這些方法并不能徹底解決液壓沖擊帶來的危害， 而且還可能會降低液壓系統(tǒng)的響應速度[1-3]。本研究從改造液壓元件的驅動方式出發(fā)，設計了一種能夠降低、調節(jié)液壓閥換向沖擊的新型閥用電磁驅動機構。

該新型閥用電磁驅動機構主要由雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構、隔磁銅片和MRD三部分組成，雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的驅動桿和MRD的活塞桿做成一體式的，雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構與MRD之間安裝有銅片，這樣能防止雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構中的磁場對MRD中的磁流變液(MRF)性能的影響。其中MRD由端蓋、缸體、線圈、活塞、驅動桿等組成，在缸體內部充盈著磁流變液；雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構由上端蓋、上線圈、永磁體、下線圈、動鐵心、機體以及下端蓋組成，圖1所示是該新型閥用電磁驅動機構的示意圖。

1．MRD 2.隔磁銅片 3.雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構 4.端蓋 5.缸體 6.線圈 7.活塞 8.磁流變液(MRF) 9.驅動桿 10.上端蓋 11.上線圈 12.永磁體 13.下線圈 14.動鐵心 15.機體 16.下端蓋圖1 機構簡圖

雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的作用是在保持位或換向過程中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁線圈使閥體處于保持位或實現(xiàn)換向，磁流變液阻尼器(MRD)的作用是換向時通過控制輸入電流的大小，來改變MRF的屈服強度，可以根據(jù)使用需求輸出可控阻尼力來調節(jié)液壓閥的換向電磁驅動力進而降低液壓閥換向所帶來的沖擊力。該新型驅動機構由于采用雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構實現(xiàn)換向及保持工作位，因此具有節(jié)能環(huán)保、可靠性高等優(yōu)點，而MRD由于其阻尼力具有連續(xù)可調，可重復利用的優(yōu)點，使該新型閥用電磁驅動機構具有工作穩(wěn)定性高，能最大限度降低液壓沖擊、保證液壓系統(tǒng)持續(xù)正常工作的功能，圖2所示是該機構操作過程示意圖。

1 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的設計與仿真

1.1 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的設計

雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構采用圓柱形結構，主要由永磁體、動鐵芯、上線圈、下線圈以及機體等組成，永磁體的作用是在由它和動鐵心、機體以及氣隙共同組成磁路里，按照磁阻最小原則產(chǎn)生一個恒定的磁場，依靠永磁體的磁力使動鐵心和驅動桿保持靜止，需要換向時，電磁線圈通電產(chǎn)生換向電磁力與永磁體的電磁力作用產(chǎn)生合力，驅動動鐵心和驅動桿完成換向[4]。

圖2 機構操作過程示意圖

根據(jù)電磁閥工況要求，雙穩(wěn)態(tài)操動機構的設計參數(shù)如下：

永磁體產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)保持力：F0≥90 N

電磁線圈產(chǎn)生的換向力：F1≥110 N

行程：s=4 mm

為簡化分析過程，在設計計算及仿真分析過程中，假設材料均具有各向同性，忽略線圈溫升對導磁材料磁阻及線圈磁勢產(chǎn)生的影響，不考慮導磁材料的磁滯效應，不考慮渦流損耗對永磁體性能的影響[5]。

綜合考慮永磁材料的性能特點及設計要求，永磁體采用環(huán)形結構，永磁體材料選用NdFeB 400/107，其主要性能參數(shù)如下：

剩磁Br≥1.41 T

最大磁能積(BH)max=374～406 kJ/m3

矯頑力Hcb≥938 kA/m

內稟矯頑力Hcj≥1075 kA/m

動鐵心及機體在機構中作為傳遞和轉換磁場能量的部件，需要具有較高的磁導率，較低的矯頑力，選用電工純鐵DT4，它具有飽和磁感應高的特點(293 K達21580 Gs)，其具體參數(shù)如下：

矯頑力Hcb≤96 A/m

最大磁導率μm≥0.0075 H/m

驅動桿采用銅制造，其導磁性能較差，在設計計算中可作為非導磁材料處理。

由于機體的材料采用電工純鐵，因此雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構設計成圓形形狀，采用經(jīng)驗公式法計算[6-7]，機構各主要部件具體參數(shù)如下：

永磁體：內徑：17 mm，外徑：29 mm，高度：3 mm

動鐵心：內徑：8 mm，外徑：15 mm，高度：38.8 mm

機體：內徑：59 mm，外徑：64 mm，高度：43 mm

驅動桿：直徑8 mm

線圈：內徑：17 mm，外徑：57 mm，匝數(shù)：1000匝，換向時通入電流：1.5 A

1.2 靜態(tài)、瞬態(tài)磁場特性有限元仿真分析

液壓閥在保持位時，雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構依靠永磁體產(chǎn)生的電磁力實現(xiàn)閥體穩(wěn)定在保持位；液壓閥換向時，需要對雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的保持位相對方向的線圈通入電流，大小為1.5 A，使線圈產(chǎn)生的電磁力能夠克服永磁體的電磁力實現(xiàn)換向。結合雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的設計尺寸，利用Maxwell軟件分別對其進行靜態(tài)(電磁線圈未通電的狀態(tài))、瞬態(tài)(電磁線圈通1.5 A的電流時的狀態(tài))磁場有限元分析。由于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構是軸對稱的，因此為了節(jié)省計算時間，在Maxwell軟件建模時采用關于z軸的軸對稱模型[8]。

雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構Maxwell電磁場有限元分析步驟：

(1) 前處理：建立關于z軸對稱的模型，配置各部件材料屬性，劃分網(wǎng)格，施加邊界條件，將驅動桿及動鐵心設置為運動部件，并為運動部件設置運動參數(shù)、添加力學載荷[9-10]，給線圈設置電流源激勵；

(2) 求解；

(3) 后處理：查看動鐵心及驅動桿運動過程中的受力變化情況。

如圖3所示仿真得到在雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的運動部件所受磁場力隨時間變化的曲線，該曲線表明動鐵心在0時，運動部件受到永磁體與電磁線圈的電磁場合力，大小為F2=22.2575 N，方向指向z軸正方向，兩力的合力驅動雙穩(wěn)態(tài)永磁機構實現(xiàn)換向；隨著時間的增加，動鐵心及驅動桿所受磁場力不斷增大，位置也不斷增大，這表明機構能夠連續(xù)的運動到行程末端，在換向完成即5 ms時，運動部件所受合力大小達到F3為280.9853 N，方向為z軸正方向。

圖3 瞬態(tài)磁場下雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構運動部件受力變化曲線

2 MRD的設計與仿真

2.1 各部件結構設計及材料選擇

假設雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的電磁線圈在其運動部件運動完行程全程的時間內始終通電，由于MRD的作用是產(chǎn)生阻尼力以降低雙穩(wěn)態(tài)永磁驅動機構的換向末端所帶來的較大沖擊力，為了避免出現(xiàn)MRD所產(chǎn)生的阻尼力大于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的電磁驅動力，使雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構不能實現(xiàn)換向的現(xiàn)象出現(xiàn)，因此對MRD提出如下要求：

(1) 為使雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構即使受到MRD的最小阻尼力時依然能夠驅動液壓閥換向，MRD粘滯力須小于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構在0時所受的力F2，即小于22.2575 N，這是設計MRD的首要條件；

(2) MRD所能產(chǎn)生的最大阻尼力(最大阻尼力受電磁線圈導線線徑所能通過最大電流及MRF的磁飽和強度的影響，并不是無限增大的)須和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構在5 ms時所受得力大小差距不大。

由于所設計的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構最大沖擊力只有280.9853 N，且需要來回往復的換向，因此單線圈、雙出桿、剪切閥式模型的MRD比較適合，且MRD的活塞桿直徑不變。

該MRD的阻尼力可用式(1)表示[11]：

(1)

式中，F(xiàn)τ—— 庫侖力，N

Fη—— 粘滯力，N

L—— 阻尼通道有效長度，m

τy—— 磁流變液的屈服強度，kPa

h—— 阻尼通道間隙，m，一般取0.001～0.002 m之間

D—— 活塞直徑，m

R—— 推桿直徑，m

μ0—— MRF的零場黏度，Pa·s

由上述公式可知，MRD的阻尼力大小受到MRF性能、MRD結構參數(shù)等諸多參數(shù)的影響，本研究中僅分析不同大小阻尼間隙寬度對MRD阻尼力的影響，并選出最優(yōu)的阻尼間隙寬度值。

MRD缸體材料選用電工純鐵DT4，活塞同樣選用電工純鐵DT4，活塞桿由于和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的驅動桿做成一體式的，其材料選擇為銅，MRD的電磁線圈選用0.5 mm線徑的漆包線，匝數(shù)為500匝。所設計的MRD的磁流變液(MRF)采用美國LORD公司生產(chǎn)的MRF-132DG型磁流變液，該型號MRF具有響應時間較快、屈服強度可調范圍較大、耐溫性較好以及磨蝕性較低等優(yōu)點。其基本技術指標如下：

零場黏度μ0(313 K)：(0.112±0.02)Pa·s

密度：2.95～3.15 g/cm3

MRF的B-H(磁感應強度-磁場強度)曲線、H-τ(磁場強度-屈服強度)曲線分別如圖4、圖5所示。

為了滿足MRD小型化、MRD結構強度和阻尼力滿足降低雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構沖擊力的要求，對MRD的關鍵結構參數(shù)進行初始設計：阻尼缸體厚度8 mm[12]，有效阻尼通道長度12 mm，線圈匝數(shù)500匝，活塞直徑28 mm，活塞長度23 mm。

2.2 MRD電磁場仿真及MATLAB數(shù)據(jù)處理及優(yōu)化

確定了MRD的關鍵結構參數(shù)后，以阻尼間隙寬度h為自變量，由于阻尼間隙寬度一般為1～2 mm之間[13-14]，取h為1.1，1.2，1.3，…，2 mm，利用MATLAB軟件分別計算其粘滯力的大小，從而選擇合適的阻尼間隙寬度，圖6所示即為計算所得的不同阻尼通道寬度h下的粘滯力Fη曲線，由計算結果可知：粘滯力的大小隨阻尼通道寬度增大而減小，且在h=1.5 mm時，粘滯力大小為23.16 N，此時MRD即使不通電，其產(chǎn)生的粘滯力大于F2，故阻尼通道寬度須小于1.5 mm，由仿真結果可知，當h=1.6 mm時，粘滯力大小為19.08 N，此時小于F2，故阻尼通道寬度的大小需滿足：1.6 mm≤h≤2 mm。

圖4 MRF-132DG型磁流變液B-H曲線

圖5 MRF-132DG型磁流變液H-τ曲線

圖6 不同阻尼間隙寬度的粘滯力曲線

然后分別對阻尼通道間隙寬度為1.6，1.7，1.8，1.9，2 mm的MRD進行Maxwell靜磁場仿真，通過其磁場數(shù)值的大小來確定阻尼通道寬度的最優(yōu)解。結合MRD結構尺寸，由于MRD是圓柱狀對稱結構，故在Maxwell里建立關于z軸對稱的模型進行電磁場仿真。在線圈里分別通入大小為0，0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 A的電流信號，并分別記錄通入不同電流時所產(chǎn)生的對應的磁場強度，通過Maxwell仿真得到的不同阻尼間隙寬度h、不同電流I情況下的磁場強度H數(shù)據(jù)曲線如圖7所示，可以看出：

(1) 隨著阻尼通道的增大，相同電流下阻尼通道間隙越小，所產(chǎn)生的磁場強度越大，電流大于1.2 A時，MRD的磁場強度漸漸趨于飽和；

(2) 相同阻尼通道間隙的情況下，電流越大，所產(chǎn)生的磁場強度越大，且磁場強度會隨著電流的增大逐漸趨近于飽和。

圖7 不同阻尼間隙寬度的I-H曲線

利用MATLAB的cftool工具分別對這5個不同阻尼通道間隙的I-H曲線建立5個多項式擬合曲線方程，并利用MATLAB/Simulink建立I-H數(shù)學子程序。同樣的方法對MRF-132DG型磁流變液的H-τ曲線建立多項式擬合方程，然后通過MATLAB/Simulink軟件建立I-H、H-τ的模塊子程序，由于MRF的屈服強度隨磁場強度的增大而增大，因此可以建立起MRD所通入電流與其所產(chǎn)生的阻尼力的擬合程序，將這兩個子程序集成到用同樣方法建立的MRD的阻尼力公式(見式(1))的Simulink程序里，改變自變量電流的大小即可求得不同阻尼間隙寬度相對應的阻尼力大小。

由Simulink計算結果可得：阻尼間隙寬度一定的情況下，MRD的阻尼力隨電流的增大而增大；電流一定的情況下，MRD的阻尼力隨阻尼間隙寬度的增大而減小。當所通電流大小為1.5A時，阻尼間隙寬度分別等于1.6，1.7，1.8，1.9，2 mm時MRD的最大阻尼力分別為246.7，226.7，205.1，188.2，173.2 N，由于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的末端沖擊力為280.9853 N，當阻尼間隙寬度為1.6 mm時MRD的最大阻尼力與雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的末端沖擊力差距是最小的，為了最大程度的調節(jié)并降低雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的換向沖擊力，故MRD的阻尼間隙寬度選為1.6 mm是最佳的。

仿真得到MRD的不同阻尼間隙寬度的阻尼力與電流之間的關系曲線(I-F曲線)如圖8所示。

圖8 MRD的I-F曲線

3 結論

(1) 設計了一種能夠降低液壓閥換向沖擊力的帶MRD緩沖的雙穩(wěn)態(tài)永磁電磁閥用驅動機構，雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構和MRD串聯(lián)連接，為了防止雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構產(chǎn)生的磁場對MRD中MRF的影響，連接部分須加隔磁銅片；

(2) 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的作用是驅動閥芯實現(xiàn)換向和保持位。設計時首先根據(jù)所需要的永磁保持力及電磁換向驅動力的大小設計出雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構，通過Maxwell軟件首先對雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構進行瞬態(tài)電磁場仿真，得到其換向過程中所受的最小及最大的電磁驅動力，以此作為設計MRD的可控阻尼力的調節(jié)范圍；

(3) MRD的作用是調節(jié)、降低雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的換向所帶來的沖擊力，在設計時需考慮工況和輸出阻尼力的大小選擇適合的結構模型，本研究為了較好的降低雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的沖擊力，其粘滯力須小于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的換向剛開始時的電磁驅動力，其最大阻尼力須和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的換向剛剛完成時的電磁驅動力相差不大，這樣才能實現(xiàn)通過MRD調節(jié)雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的沖擊力的目的，經(jīng)過仿真分析，MRD的阻尼間隙寬度為1.6 mm時，所設計的MRD的粘滯力和阻尼力可調范圍均符合所希望達到的要求。