混合流动式磁流变阀的结构设计及性能分析.pdf

年月 第卷 第期 机 床 与 液 压 收 稿 日 期 基 金 项 目国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 江 西 省 科 协远 航 工 程资 助 项 目赣 科 协 字 号 作 者 简 介胡 国 良男博 士教 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 混合流动式磁流变阀的结构设计及性能分析 胡 国 良廖 明 科 华 东 交 通 大 学 机 电 工 程 学 院江 西 南 昌 摘 要针 对 目 前 磁 流 变 阀 结 构 形 式 单 一 且 体 积 大 的 不 足设 计 了 一 种 结 构 紧 凑 的 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀该 磁 流 变 阀 阻 尼 间 隙 液 流 通 道 由 轴 向 圆 环 流 动 和 径 向 圆 盘 流 动 共 同 组 成介 绍 了 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 结 构 及 工 作 原 理并 建 立 了 其 压 降 数 学 模 型利 用 有 限 元 仿 真 分 析 软 件 对 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 的 静 态 磁 场 进 行 了 仿 真 分 析结 果 表 明该 磁 流 变 阀 磁 场 利 用 率 高同 时 能 够 获 得 足 够 大 的 压 差并 且 可 调 范 围 大 关 键 词混 合 流 动 式 磁 流 变 阀结 构 设 计压 降有 限 元 仿 真 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 前 言 磁 流 变 阀 是 一 种 依 托 磁 流 变 液 的 磁 流 变 效 应 的 智 能 控 制 元 件与 传 统 液 压 阀 不 同磁 流 变 阀 是 通 过 控 制 内 部 励 磁 线 圈 电 流 的 大 小来 调 节 阻 尼 间 隙 内 磁 流 变 液 的 状 态从 而 达 到 控 制 流 量 的 作 用当 给 励 磁 线 圈 通 入 电 流 后阻 尼 间 隙 内 的 磁 流 变 液 在 毫 秒 级 内 由 牛 顿 液 体 变 为 半 固 体 状电 流 越 大 磁 流 变 液 通 过 阻 尼 间 隙 所 需 克 服 的 剪 切 应 力 也 就 越 大通 过 控 制 励 磁 线 圈 电 流 的 大 小可 以 控 制 进 出 口 两 端 的 压 力 差 国 内 外 很 多 学 者 都 对 磁 流 变 阀 进 行 过 结 构 设 计 和 相 关 性 能 研 究内 达 华 大 学 的 课 题 组 设 计 了 一 种 圆 盘 式 阻 尼 间 隙 磁 流 变 阀能 产 生 左 右 的 压 差南 洋 理 工 大 学 的 等 通 过 仿 真 及 优 化使 磁 流 变 阀 阻 尼 间 隙 处 能 获 得 最 大 磁 通 量 密 度马 来 西 亚 的 等 仿 真 对 比 了 单 线 圈 环 形 阻 尼 间 隙 磁 流 变 阻 尼 阀双 线 圈 环 形 阻 尼 间 隙 磁 流 变 阀结 果 表 明 在 磁 场 相 同 的 条 件 下新 型 磁 流 变 阀 优 于 其 他 两 种 结 构韩 国 仁 荷 大 学 的 等 对 单 线 圈 圆 环 型 双 线 圈 圆 环 型三 线 圈 圆 环 型 及 圆 环 和 圆 盘 型 四 种 类 型 的 磁 流 变 阀 的 结 构 参 数 进 行 了 优 化 设 计 课 题 组 也 提 出 了 一 种 双 线 圈 圆 环 式 阻 尼 间 隙 磁 流 变 阀 和 一 种 阻 尼 间 隙 机 械 可 调 式 磁 流 变 阀两 种 磁 流 变 阀 特 别 适 合 应 用 于 调 压 范 围 较 宽 的 应 用 场 合 为 了 增 大 有 效 阻 尼 长 度同 时 使 磁 流 变 阀 在 阻 尼 间 隙 处 不 易 堵 塞课 题 组 同 时 发 明 了 一 种 两 级 径 向 流 动 蜿 蜒 式 磁 流 变 阀 虽 然 磁 流 变 阀 的 结 构 形 式 很 多但 大 多 数 磁 流 变 阀 液 流 通 道 均 为 单 一 的 圆 环 流 动 或 径 向 圆 盘 流 动 形 式并 且 阀 的 体 积 较 大基 于 此本 文 作 者 设 计 出 一 种 结 构 紧 凑磁 场 利 用 率 高可 调 范 围 大 的 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀并 对 其 静 态 磁 场 和 压 降 进 行 了 仿 真 分 析 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 结 构 设 计 及 工 作 原 理 图所 示 为 所 设 计 的 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀图 为 加 工 好 的 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 零 件 图 和 装 配 图该 阀 主 要 由 左 端 盖右 端 盖导 流 盘阀 套导 磁 盘定 位 盘励 磁 线 圈及 阀 芯组 成其 中 导 磁 盘与 阀 套在 轴 向 形 成 圆 环 间 轴 向 隙导 磁 盘与 定 位 盘阀 芯之 间 在 径 向 形 成 圆 盘 径 向 间 隙垫 片 用 于 调 节 径 向 间 隙 大 小磁 流 变 液 首 先 从 左 端 盖出 发流 经 导 流 盘再 通 过 间 隙 圆 环 然 后 流 过 径 向 间 隙到 达 阀 芯内 孔最 后 由 右 端 盖流 出当 励 磁 线 圈内 通 入 直 流 电 流 后由 于 导 磁 盘阀 套阀 芯为 导 磁 材 料其 余 材 料 均 为 不 导 磁 或 隔 磁 材 料磁 场 将 通 过 阀 芯垂 直 穿 过 圆 环 轴 向 间 隙再 经 过 导 磁 盘垂 直 穿 过 圆 盘 径 向 间 隙到 达 阀 套最 后 形 成 闭 合 回 路液 流 通 道 内 都 充 满 了 磁 流 变 液当 磁 流 变 液 流 经 圆 环 轴 向 间 隙 和 圆 盘 径 向 间 隙 时间 隙 内 的 磁 流 变 液 将 会 被 磁 化阻 碍 磁 流 变 液 的 流 动从 而 两 端 形 成 压 力 差 通 过 调 节 电 流 大 小可 以 控 制 磁 流 变 阀 两 端 压 力 差 图混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 的 结 构 简 图 图混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 实 物 图 压 降 数 学 模 型 磁 流 变 阀 没 有 移 动 元 件是 以 流 动 模 式 工 作 的 一 般 磁 流 变 阀 只 是 由 径 向 压 降 或 者 轴 向 压 降 组 成文 中 设 计 的 混 合 式 磁 流 变 阀 压 降 由 两 部 分 组 成轴 向 压 降 和 径 向 压 降轴 向 压 降 和 径 向 压 降 都 包 括 两 部 分 黏 性 压 差 磁 致 压 差 其 中 轴 向 压 降 的 表 达 式 如 下 式 中 为 流 进 磁 流 变 阀 的 磁 流 变 液 的 体 积 流 量 径 向 阻 尼 间 隙 的 长 度 为 径 向 阻 尼 间 隙 厚 度 为 导 磁 圆 盘 半 径 为 修 正 系 数取 值 范 围 为 之 间当 时 取 当 时 取 为 磁 致 剪 切 屈 服 应 力 相 应 的 径 向 压 降 的 表 达 式 如 下 式 中 为 阀 芯 小 径 为 阀 芯 孔 半 径 为 径 向 阻 尼 间 隙 厚 度 因 此 混 合 式 磁 流 变 阀 总 压 降 为 压 降 的 计 算 与 剪 切 屈 服 应 力 有 关 文 中 采 用 重 庆 材 料 研 究 院 研 制 的 型 磁 流 变 液 进 行 相 应 的 研 究所 对 应 的 关 系 如 下 其 拟 合 曲 线 如 图所 示只 要 知 道 阻 尼 间 隙 处 的 磁 感 应 强 度的 大 小便 可 知 道 相 对 应 剪 切 屈 服 应 力 的 大 小 也 就 能 知 道 该 电 流 下 的 压 降 值 图 拟 合 曲 线 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 的 建 模 与 仿 真 有 限 元 模 型 建 立 为 了 直 观 了 解 混 合 式 磁 流 变 阀 的 性 能采 用 有 限 元 软 件 对 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 进 行 静 态 磁 场 仿 真首 先 依 据 磁 流 变 阀 初 定 的 各 部 分 尺 寸 建 模考 虑 到 磁 流 变 阀 截 面 为 规 则 的 轴 对 称 图 形在 不 影 响 仿 真 精 度 的 前 提 下取 截 面 的 作 为 仿 真 对 象以 减 少 计 算 量建 立 的 有 限 元 仿 真 模 型 如 图所 示划 分 的 网 格 如 图所 示 机 床 与 液 压第卷 图混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 仿 真 模 型 图混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 有 限 元 网 格 划 分 静 态 磁 场 及 压 降 仿 真 仿 真 时设 定 直 流 电 流 大 小 励 磁 线 圈 匝 数 并 加 载 磁 力 线 平 行 边 界 条 件导 磁 圆 盘 阀 芯阀 套 为钢 导 磁 的 材 料磁 流 变 液 使 用 的 是 重 庆 材 料 研 究 院 研 制 的 型仿 真 时 分 别 输 入 它 们 所 对 应 的 曲 线其 余 为 不 导 磁 材 料输 入 所 对 应 的 相 对 磁 导 率求 解 后 所 得 的 磁 力 线 分 布 和 磁 感 应 强 度 分 布 分 别 如 图 所 示 图磁 力 线 分 布图磁 感 应 强 度 分 布 由 图可 知励 磁 线 圈 所 产 生 的 磁 力 线先 经 过 阀 芯 再 垂 直 穿 过 径 向 阻 尼 间 隙到 达 导 磁 圆 盘 后 接 着 垂 直 穿 过 轴 向 阻 尼 间 隙 再 到 达 阀 套最 终 回 到 阀 芯 形 成 闭 合 回 路混 合 阀 的 磁 力 线 垂 直 穿 过 轴 向 间 隙 和 径 向 间 隙在 不 增 加 体 积 的 情 况 下提 高 了 磁 场 的 利 用 率但 同 时 可 以 看 出混 合 阀 存 在 少 部 分 漏 磁 现 象 这 是 因 为 在 理 想 状 况 下阀 芯 的 绕 线 圈 部 分 离 阀 套 是 无 穷 远 的因 此 不 存 在 漏 磁 状 况但 实 际 情 况 是 两 者 之 间 距 离 是 一 定 的可 以 通 过 提 高 两 者 距 离 或 减 小 阻 尼 间 隙 来 减 少 漏 磁 从 图可 看 出阀 芯 处 磁 感 应 强 度 最 大轴 向 间 隙 和 径 向 间 隙 出 磁 感 应 强 度 分 布 都 比 较 均 匀且 径 向 间 隙 处 的 磁 感 应 强 度 要 大 于 轴 向 间 隙 处 的 磁 感 应 强 度为 了 更 清 晰 地 描 述 两 间 隙 有 效 区 域 处 的 磁 感 应 强 度分 别 建 立 图中 所 示 的 径 向 路 径 和 轴 向 路 径 两 路 径 处 的 磁 感 应 分 布 分 别 如 图和 图所 示 图径 向 间 隙 处 的 磁 感 应 强 度 图轴 向 间 隙 处 的 磁 感 应 强 度 从 图中 可 以 看 出 径 向 间 隙 处 的 磁 感 应 强 度 在 之 间沿 路 径 的 平 均 磁 感 应 强 度 为 依 据 型 磁 流 变 液 的 曲 线 可 知当 磁 场 强 度 为 时磁 流 变 液 已 经 趋 于 饱 和剪 切 应 力 约 为 同 时 可 以 看 出 在 路 径 开 始 和 终 止 区 域磁 感 应 强 度 有 所 波 动这 是 因 为 两 区 域 处 于 磁 场 强 度 高 和 磁 场 强 度 低 的 交 界 处总 体 来 说 磁 感 应 强 度 在 径 向 间 隙 还 是 比 较 均 匀从 图可 以 看 出 轴 向 间 隙 处 的 磁 感 应 强 度 在 之 间磁 感 应 强 度 总 体 来 说 比 较 均 匀平 均 磁 感 应 强 度 为 相 应 的 剪 切 应 力 约 在 电 流 一 定 的 情 况 下径 向 间 隙 处 的 磁 感 应 强 度 要 大 于 轴 向 间 隙 处 的 磁 感 应 强 度 改 变 励 磁 线 圈 中 电 流 大 小可 以 分 别 得 出 不 同 电 流 下 所 对 应 的 径 向 间 隙 和 轴 向 间 隙 平 均 磁 感 应 强 度 通 过 三 次 多 项 式 拟 合 分 别 得 出 其 对 应 的 拟 合 方 程 第期胡 国 良 等混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 的 结 构 设 计 及 性 能 分 析 仿 真 所 得 压 降 如 图所 示磁 流 变 液 未 饱 和 前 随 着 电 流 的 增 大压 降 不 断 增 大待 电 流 增 大 到 一 定 程 度磁 流 变 液 开 始 饱 和饱 和 后 压 降 保 持 不 变最 大 压 降 约 压 降 变 化 的 总 体 趋 势 是 先 缓 慢 增 加 然 后 快 速 增 加 再 缓 慢 增 加最 后 趋 于 稳 定径 向 间 隙 处 的 压 降 要 大 于 轴 向 间 隙 处 的 压 降径 向 间 隙轴 向 间 隙 处 压 降 以 及 总 压 降 分 别 在 电 流 为 达 到 最 大 并 趋 于 稳 定可 以 看 出 该 磁 流 变 阀 能 耗 较 低计 算 可 知 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 的 最 大 可 调 范 围 为 可 调 范 围 大 图压 降 随 电 流 变 化 图 结 论 设 计 了 一 种 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀并 采 用 对 其 进 行 静 态 磁 场 仿 真同 时 对 其 进 行 压 降 仿 真仿 真 结 果 表 明 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 能 够 利 用 磁 力 线 走 势 提 高 磁 场 利 用 率且 轴 向 间 隙 和 径 向 间 隙 处 的 磁 感 应 强 度 分 布 都 很 均 匀能 够 达 到 所 需 的 磁 感 应 强 度 设 计 的 混 合 流 动 式 磁 流 变 阀 最 大 压 差 为 且 压 差 可 调 范 围 大 参 考 文 献 艾 红 霞磁 流 变 阀 及 具 有 阻 尼 特 性 的 磁 流 变 液 压 执 行 器 的 研 究 重 庆重 庆 大 学 金 方 银磁 流 变 液 压 伺 服 阀 的 驱 动 机 理 与 实 验 研 究 杭 州杭 州 电 子 科 技 大 学 胡 国 良李 海 燕彭繤等双 线 圈 磁 流 变 阀 结 构 设 计 及 电 磁 场 仿 真 分 析 机 床 与 液 压 胡 国 良龙 铭黄 敏等一 种 径 向 流 动 两 级 盘 式 磁 流 变 阀 上 接 第页 彭 和 平基 于 新 一 代 框 架 的 公 差 设 计 理 论 与 方 法 研 究 武 汉华 中 科 技 大 学 陆 剑 中孙 家 宁金 属 切 削 原 理 与 刀 具北 京机 械 工 业 出 版 社 机 床 与 液 压第卷