磁流變液在液壓缸調速中的應用

宋曉梅, 王揚揚

(沈陽大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽　110044)

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磁流變液在液壓缸調速中的應用

宋曉梅, 王揚揚

(沈陽大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽110044)

摘要:研究了磁流變液黏度與磁場及溫度之間的變化關系.結果表明,磁流變液黏度變化是可逆、快速和方便的.基于磁流變液的這一優(yōu)點將其應用到液壓缸調速中,并對其進行進油回路的速度負載特性分析.對傳統液壓缸調速進行分析,通過改變流量實現對傳動系統的調速.

關鍵詞:磁流變液; 磁場強度; 溫度; 黏度; 液壓缸調速; 速度負載特性

磁流變液是一種具有良好發(fā)展前景的新型智能材料,自誕生之日起就受到科學家的青睞[1].但由于技術“瓶頸”的出現,在一段時間內沒有得到發(fā)展.20世紀后期,以美國lord(洛德)公司為代表對磁流變液技術進行了相關的研究并取得了一定的成果[2].

液壓缸的傳動速度由節(jié)流閥流量和液壓缸的有效作用面積決定,通過改變節(jié)流閥的流量實現對其速度的調節(jié).對于細長孔的節(jié)流閥,節(jié)流閥通流面積和黏度是流量變化的因素,但對于傳統的節(jié)流閥若要在傳動過程中改變通流面積和油液的黏度都是不易實現的,所以很難實現在傳動過程中調速.

磁流變液的黏度是可以變化的,基于磁流變液的這一優(yōu)點,將其應用到液壓缸調速中,可以實現方便可行的調速控制.本文通過實驗分析,找出磁流變液黏度變化的相關因素及變化關系函數并利用黏度的改變來控制液壓缸的傳動速度,達到調節(jié)液壓缸速度的目的.

1影響磁流變液黏度因素的分析

1.1磁場對磁流變液黏度的影響

磁流變液是由母液、磁性微粒和防沉劑組成.在沒有磁場作用時,磁性顆粒在母液中成無規(guī)律隨機分布,此時,黏度表現為母液本身的黏度.當磁流變液遇到磁場作用時,磁性微粒受到磁場的作用,開始沿磁場方向成鏈狀排列,隨著磁感應強度的增加,磁鏈變?yōu)橹鶢?這樣使磁流變液的黏度增加,撤去磁場之后磁流變液的黏度回到零場狀態(tài).磁流變液黏度的增加不僅跟磁感應強度有關,而且還與磁場方向有關[3].當磁場方向與磁流變液流動方向相同時,磁流變液的黏度幾乎跟磁場沒有關系,不會隨著磁感應強度的變化而變化.當磁場方向與磁流變液運動方向垂直時,黏度變化會隨著磁場強度而變化[4].

圖1　酯基磁流變液磁粘特性曲線

由圖1可知:基于對酯基磁流變液的分析,磁流變液的黏度隨著磁感應強度的增強而增加,呈單調增加的趨勢.當磁感應強度<0.3 T時,磁流變液的黏度并沒有很大的變化,而當磁感應強度≥0.3 T時,磁流變液的黏度增加的速率加大,此時磁感應強度對磁流變液黏度的影響非常大.利用MATLAB的擬合軟件針對圖1的特性曲線進行擬合后得到在20 ℃時酯基磁流變液的磁粘特性表達式:

(1)

式中:η為磁流變液黏度,mPa·s;B為磁感應強度,T.

1.2溫度對磁流變液黏度的影響

對于任何油性液體來說,溫度的變化總是會給黏度帶來很大的影響.在一定的范圍內,隨著溫度的升高,油液的黏度會逐漸的下降,磁流變液黏度同樣也隨著溫度的升高而降低[5].

圖2　磁流變液粘溫特性曲線

由圖2可知:實驗溫度是由-40～80 ℃之間,在-40 ℃時,磁流變液的黏度能達到1 600 mPa·s,隨著溫度的升高磁流變液的黏度在不斷的下降.在-40～20 ℃之間黏度下降的速率較大,此時溫度對磁流變液黏度的影響較大,而當溫度達到20 ℃以上時黏度的下降速率比較平緩,此時溫度對磁流變液黏度的影響就不大了.

通過MATLAB軟件對圖2中粘溫特性曲線進行擬合得到在-40 ℃≤t<20 ℃之間的粘溫函數:

(2)

式中:t為溫度,℃.

當t≥20 ℃時,

η=147.6×exp(-0.101t)+

(3)

式中:η為磁流變液黏度,mPa·s;t為溫度,℃.

通過對酯基磁性顆粒的磁流變液粘溫特性進行實驗,發(fā)現酯基磁流變液的黏度隨著溫度的增長而減小.

在工作過程中,磁流變液溫度變化是不可避免的,可以通過增加磁場的強度的變化來減少因溫度變化而引起的黏度變化.

2液壓缸調速

2.1傳統液壓缸調速

液壓缸傳動速度是由速度控制回路來控制的,主要是由減壓閥和節(jié)流閥組成.通過改變輸入流量進行控制,在不考慮液壓油泄露和可壓縮性的前提下:

(4)

式中:v為活塞運動速度,mm/s;q為流量,mm3/s;A為液壓缸的有效工作面積,mm2.

對于細長孔,即l/d>4小孔流量公式為[6]:

(5)

式中:q為流量,mm3/s;d為孔直徑,mm;η為油液的黏度,mPa·s;l為孔的長度,mm.

通過改變小孔直徑和油液的黏度可以實現對流量的改變,從而達到對液壓缸活塞速度的控制.

2.2磁流變液可控調速

基于磁流變液黏度隨磁場強弱和溫度高低的變化而變化,以及磁流變液黏度變化是可逆、快速和方便等優(yōu)點,將磁流變液黏度的可變性應用到液壓缸傳動調速中,以解決在傳動過程中速度變化的問題.

對于非勻速的液壓缸傳動,傳統的液壓缸是通過流量變化實現,改變節(jié)流閥的通流面積可以改變流量的大小,節(jié)流閥直徑相對較小很難改變,因而很難通過改變節(jié)流閥直徑而控制流量.當應用磁流變液時,細長孔節(jié)流閥流量大小的變化可以通過改變磁流變液的黏度來實現.

由于液壓缸的工作環(huán)境在室內,溫度會大于20 ℃所以選擇由公式(1)、式(3)、式(4)和式(5)可知磁流變液液壓缸的速度表達式:

(6)

式中:v為活塞運動速度,mm/s;d為孔直徑,mm;B為磁感應強度,T;t為溫度,℃;A為液壓缸的有效工作面積,mm2.

其工作原理:由圖3可知,當線圈未通電時,磁流變液的黏度是基液的黏度,在傳動過程中,流量是恒值不會改變.當線圈通電之后產生磁場,磁流變液在磁場作用下磁流變液的黏度會發(fā)生變化,變化值由式(3)可得,黏度變化后通過節(jié)流孔的流量發(fā)生相應的變化.流量變化會導致液壓缸活塞的傳動速度發(fā)生變化.根據在傳動過程中速度的需求量的不同,由式(6)事先計算出需要的磁感應強度.在整個傳動過程中通過改變磁場的變化來實現對速度的調控.

圖3　可調速磁流變液液壓缸工作示意圖

2.3速度控制回路的速度負載特性分析

液壓系統采用定量泵供油時因泵輸出的流量qp一定,因此要控制執(zhí)行元件的輸入流量q,必須在泵的出口處旁接一個支路,將多余的流量溢回到油箱中,這種回路由節(jié)流閥、溢流閥、定量泵和執(zhí)行元件組成,如圖4所示.

圖4　進油節(jié)流調速回路

將節(jié)流閥串聯在液壓缸和液壓泵之間,用它來控制液壓缸的流量從而達到調速目的,這樣的回路稱為進油路節(jié)流調速回路.由式(4)可知,在進油路節(jié)流回路中,活塞的運動速度取決于進入液壓缸流量和液壓缸進油腔的有效面積.

根據連續(xù)性方程,進入液壓缸的流量q等于通過節(jié)流閥的流量,而通過節(jié)流閥的流量可以由節(jié)流閥的壓力流量方程表示,即:

(7)

式中:q為節(jié)流閥的流量,mm3/s;K為節(jié)流閥口和油液特性的液阻系數;AT為節(jié)流閥的通流面積,mm2;ΔP1為節(jié)流閥兩端壓差,N;pp為液壓泵的出口壓力,N;P1為液壓缸進油腔壓力,N.

當活塞勻速運動時,液壓缸的回油腔直接連接著油箱,所以所受的壓力為0,活塞的受力平衡方程為

(8)

式中:P1為液壓缸進油腔壓力,N;A為液壓缸的有效工作面積,mm2;FL為液壓缸克服的總負載力,N.

將式(8)代入式(7)中可得:

(9)

式中:q為節(jié)流閥的流量,mm3/s;K為節(jié)流閥口和油液特性的液阻系數;AT為節(jié)流閥的通流面積,mm2;pp為液壓泵的出口壓力,N;FL為液壓缸克服的總負載力,N;A為液壓缸的有效工作面積,mm2.

(10)

式中:v為活塞運動速度,mm/s;q為節(jié)流閥的流量,mm3/s;A為液壓缸的有效工作面積,mm2;K為節(jié)流閥口和油液特性的液阻系數;AT為節(jié)流閥的通流面積,mm2;pp為液壓泵的出口壓力,N;FL為液壓缸克服的總負載力,N.

對于傳統的液壓缸傳動,由式(9)可知,執(zhí)行元件的輸入流量由節(jié)流閥的通流面積和節(jié)流閥兩端的壓差ΔP1決定,將流量q代入式(4)中可以得到式(10),活塞的運動速度與節(jié)流閥的通流面積AT成正比,與負載FL的增加成反比.在此傳動過程中由于節(jié)流閥的通流面積不能改變,只能做勻速直線運動.

磁流變液液壓缸傳動也滿足式(9),但流量的變化不僅由通流面積AT和節(jié)流閥兩端的壓差ΔP1決定,還可通過外部磁場力和溫度來控制.代入式(4)中,磁流變液液壓缸傳動也滿足進油回路速度負載特性,但是活塞的傳動速度v由三個變量決定,分別是節(jié)流閥的通流面積AT,節(jié)流閥兩端的壓差ΔP1和改變油液黏度的磁感應強度和溫度決定,從而實現可控性.

3總結

影響磁流變液黏度的主要因素有磁感應強度和溫度,隨著磁感應強度的增加磁流變液的黏度會出現相應的增加,而磁流變液溫度的增加會導致黏度的下降.因此,通過工作腔磁感應強度和溫度的變化來調整磁流變液黏度的大小,從而通過改變流量的大小,達到改變液壓缸傳動速度的效果.這一理論給液壓缸變速提供了新的調速方法及其理論依據.

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【責任編輯: 曹一萍】

Speed Control of MRF Hydraulic Cylinder

SongXiaomei,WangYangyang

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:The variation between magnetorheological fluid (MRF) viscosity, magnetic field and temperature is studied. The experimental results show that, the changes of MRF viscosity are reversible, fast and convenient. Based on the advantages of MRF, it is applied to the hydraulic cylinder speed control, and the speed load characteristics of oil inlet circuit are analyzed. Speed regulation of conventional hydraulic cylinders are analyzed, the speed control of transmission system is achieved by varying the flow rate.

Key words:magnetorheological fluid; magnetic field intensity; temperature; viscosity; the hydraulic cylinder speed control; speed load characteristic.

中圖分類號:TB 32

文獻標志碼:A

文章編號:2095-5456(2016)02-0166-04

作者簡介:宋曉梅(1969-),女,遼寧沈陽人,沈陽大學副教授,碩士生導師.

收稿日期:2015-11-11