基于MR效應(yīng)的高速氣缸緩沖結(jié)構(gòu)研究

劉亞彬

摘 要：氣缸是氣動系統(tǒng)最主要的執(zhí)行元件，其高速化是氣動技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，而氣缸的高速化首先需要解決緩沖問題。本文在介紹了常規(guī)高速氣缸以及長行程磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)原理基礎(chǔ)上，針對常規(guī)高速氣缸緩沖性能的不足，利用常規(guī)高速氣缸和磁流變阻尼器在結(jié)構(gòu)上的共性特點(diǎn)，提出了一種基于磁流變液MR效應(yīng)的高速氣缸緩沖結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了具有剪切閥式磁流變阻尼裝置的高速氣缸緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立了其數(shù)學(xué)模型，利用Matlab仿真工具對單溢流式緩沖與基于磁流變效應(yīng)的復(fù)合式緩沖兩種緩沖工況，進(jìn)行了仿真對比分析，驗(yàn)證了基于MR效應(yīng)的高速氣缸優(yōu)良的緩沖性能。

關(guān)鍵詞：磁流變；高速氣缸；緩沖；仿真

中圖分類號：TH138.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

常規(guī)氣缸的使用速度一般在50mm/s～500mm/s，本文中高速氣缸是指使用速度1m/s以上的氣缸，目前高速氣缸的使用范圍在1m/s～3m/s。但在一些特殊應(yīng)用場合，如無人機(jī)的氣動彈射，需要將負(fù)載在短時間內(nèi)加速到20m/s以上，即便使用動滑輪組減速，需要的氣缸最高運(yùn)動速度也要在5m/s 左右，目前高速氣缸使用速度距離該種需求還有一定差距。

事實(shí)上，使氣缸加速到5 m/s甚至更高速度并不困難，只需提高供氣通道的通徑尺寸就可實(shí)現(xiàn)，限制氣缸高速使用的關(guān)鍵問題是：如何能夠使氣缸到達(dá)加速行程終點(diǎn)后能夠平穩(wěn)緩沖可靠制動。若緩沖失效，會導(dǎo)致氣缸活塞桿在運(yùn)行末端猛烈撞擊端蓋，出現(xiàn)活塞反彈和振動現(xiàn)象，密封件嚴(yán)重?fù)p壞，活塞桿嚴(yán)重變形，造成高速氣缸失效。研究新型緩沖技術(shù)已成為高速氣缸進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的課題。

1 工作原理

圖1所示某型高速氣缸緩沖結(jié)構(gòu)原理圖，其原理是活塞桿伸出過程緩沖開始前，緩沖室5內(nèi)空氣經(jīng)過緩沖密封圈6和活塞桿9之間空隙經(jīng)供氣/排氣孔2排出；緩沖開始后，緩沖套3堵塞該間隙，關(guān)閉緩沖室5，缸內(nèi)高壓氣體只能通過緩沖通道7進(jìn)入溢流閥8，經(jīng)溢流閥后再進(jìn)入供氣/排氣孔，經(jīng)溢流后活塞桿平穩(wěn)緩沖制動，完成緩沖過程。

該型氣缸緩沖方式為溢流閥式緩沖，常見的還有針閥式緩沖，其原理和結(jié)構(gòu)與之相似，其具有一定的緩沖效果，但對外界工況變化適應(yīng)能力差，且無法滿足如今對高速化的需求。

磁流變液（magnetorheological fluid，MRF）是一種新型智能材料，磁流變液在磁場作用下，能在毫秒級的時間內(nèi)連續(xù)、可逆的轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈唣ざ取⒌土鲃有缘腂ingham流體，其表觀黏度能增加兩個數(shù)量級以上，具有類似固體的力學(xué)性質(zhì)，此效應(yīng)被稱為磁流變效應(yīng)（MR-effect）；外加磁場撤去時，磁流變液又恢復(fù)了良好的流動性。國內(nèi)外已經(jīng)將磁流變技術(shù)應(yīng)用于軍事工程領(lǐng)域和武器系統(tǒng)制動緩沖領(lǐng)域，做了許多研究工作，其在減震、隔震、緩沖阻尼等領(lǐng)域工程化應(yīng)用的日趨成熟。美國的Virginia Tech 的Mehdi Ahmadian等人已研發(fā)出用于火炮反后坐裝置緩沖的長行程磁流變阻尼器，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

2 基于MR效應(yīng)的緩沖設(shè)計

借鑒直線式磁流變阻尼器與常規(guī)氣缸緩沖結(jié)構(gòu)，基于磁流變液的磁流變效應(yīng)，本文提出一種具有復(fù)合式緩沖結(jié)構(gòu)的高速氣缸，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

如圖3所示，復(fù)合式緩沖高速氣缸的組成主要是在溢流閥式緩沖氣缸的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了一個剪切式磁流變阻尼裝置，以及與緩沖通道聯(lián)通用于觸發(fā)線圈通電的壓力繼電器9。磁流變阻尼裝置采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，如圖其線圈1內(nèi)嵌于氣缸緩沖行程部分缸筒內(nèi)，磁流變液封閉于嵌入活塞2的浮動套筒7與缸筒內(nèi)壁之間，彈簧5用于不緩沖時浮動套筒的定位。緩沖原理是當(dāng)緩沖開始后，緩沖腔內(nèi)壓力上升，高壓氣體通過進(jìn)氣孔8推動浮動套筒反向運(yùn)動，可以降低緩沖開始瞬間活塞及密封件承受的壓力沖擊；同時由于浮動套筒推動磁流變液在間隙內(nèi)與活塞運(yùn)動方向反向流動，氣缸內(nèi)壁與活塞之間的相對運(yùn)動，使磁流變液阻尼裝置工作于剪切式阻尼模式，流變液產(chǎn)生剪切變形，在外加磁場的作用下，剪切式磁流變阻尼裝置能夠?yàn)榫彌_提供較大的剪切阻力。

其緩沖動作過程原理圖如圖4所示；該復(fù)合式緩沖動作由剪切閥式阻尼緩沖與常規(guī)溢流緩沖并行，氣體通過緩沖通道壓力上升，溢流閥開始溢流，同時觸發(fā)壓力繼電器動作使線圈通電，磁流變液發(fā)生磁流變效應(yīng)，瞬間產(chǎn)生一個很大的黏性阻力，對氣缸進(jìn)行緩沖制動。

3 建模與仿真

3.1 復(fù)合緩沖高速氣缸數(shù)學(xué)模型建模

以高速氣缸工作行程為外伸運(yùn)動時的緩沖過程為例，建立高速氣缸復(fù)合式緩沖數(shù)學(xué)模型。

（1）剪切式磁流變效應(yīng)阻尼數(shù)學(xué)模型

從磁流變液的本構(gòu)關(guān)系Bingham模型出發(fā)，根據(jù)流體的受力狀態(tài)和流動特點(diǎn)的不同，磁流變阻尼器主要分為剪切式、閥式、剪切閥式和擠壓流動式。剪切閥式磁流變阻尼器工作原理相當(dāng)于為剪切式與閥式工作原理的疊加，因此，根據(jù)磁流變液的Bingham本構(gòu)模型，推導(dǎo)得到剪切式阻尼力的計算模型表達(dá)式為：

F=τ（H）·π·D·x （1）

其中：τ（H）是磁場作用下的動態(tài)屈服應(yīng)力，為磁流變液的有效作用長度，其余各符號表示物理意義數(shù)學(xué)模型簡圖中標(biāo)注所示。

（2）能量微分方程

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，緩沖室1、氣缸進(jìn)氣腔2、緩沖通道腔3內(nèi)能量微分方程可統(tǒng)一表示為：

（2）

其中：pi為各腔室內(nèi)氣體壓力；Vi為各腔室容積；Tin、Tout為腔室內(nèi)外溫度；Qini、Qouti為各腔室流入流出氣體的流量；k為比熱比，R為氣體常數(shù)。

（3）溢流閥流量方程

（3）

其中：Ae為溢流閥過流孔有效斷面積，pu、pd為閥孔上下游壓力，Tu為上游溫度，b為臨界壓力比。

（4）活塞運(yùn)動方程

根據(jù)牛頓第二定律，緩沖過程活塞的運(yùn)動方程為：

（4）

其中：M為慣性負(fù)載及活動部件質(zhì)量；x為活塞位移；s為活塞行程；Ff為摩擦力； F為磁流變提供黏性阻力，A1、A2分別為活塞在緩沖室腔1 和進(jìn)氣腔2的有效作用面積。

3.2 緩沖特性仿真

本文使用Matlab對慣性負(fù)載及活動部件質(zhì)量M=100 kg，緩沖行程初始速度為5m/s工況的高速氣缸緩沖過程進(jìn)行仿真。仿真設(shè)定參數(shù)依據(jù)SMC 公司的RHC系列高速氣缸，其缸徑為100mm，緩沖段長度為400mm。溢流閥流量系數(shù)CV取0.25。磁流變液參考美國Lord 公司的MRF-132AD型磁流變液，磁流變液間隙h=1mm。

仿真模型不考慮氣體溫升，將溢流閥簡化考慮，不研究溢流閥開啟過程，分別對單獨(dú)溢流閥式緩沖方式和復(fù)合式緩沖兩種緩沖模式進(jìn)行仿真，得到兩種緩沖方式下的速度-位移變化曲線，如圖6、圖7所示。

由兩種緩沖方式下的速度-位移曲線圖可以看出，單溢流緩沖能力有限，在有限緩沖段內(nèi)未能減速制動，在緩沖子能夠從終點(diǎn)活塞與缸體發(fā)生了劇烈碰撞。加入了磁流變阻尼的高速氣缸緩沖距離明顯縮短，在350 mm的緩沖行程內(nèi)平緩減速制動，避免了活塞與缸體在末端的碰撞，提高了緩沖效率和能力，保護(hù)了缸體密封件，提高了高速氣缸的緩沖性能，能夠有效提升氣缸的使用壽命。

結(jié)論

本文提出的基于MR效應(yīng)的高速氣缸復(fù)合式緩沖技術(shù)，能夠利用磁流變液的磁流變效應(yīng)對高速氣缸進(jìn)行輔助緩沖，有效縮短氣缸的緩沖行程，其具有閥式結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼裝置，能夠降低緩沖開始瞬間的壓力沖擊。并且磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的剪切阻力能夠通過控制外加磁場的強(qiáng)度進(jìn)行控制，能夠提高氣缸對復(fù)雜工況下氣缸的緩沖適應(yīng)性，尤其適用于高速重載緩沖行程較長的特殊工況。

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