雙線圈磁流變先導(dǎo)閥設(shè)計(jì)與性能研究

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(昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

引言

溢流閥是一種壓力控制閥，液壓系統(tǒng)中起調(diào)壓、穩(wěn)壓、安全閥的作用[1-3]。溢流閥有直動(dòng)式溢流閥和先導(dǎo)式溢流閥兩類。先導(dǎo)式溢流閥由導(dǎo)閥和主閥構(gòu)成，導(dǎo)閥的調(diào)壓特性決定先導(dǎo)式溢流閥的壓力特性[4]。因此，提高導(dǎo)閥的調(diào)壓特性，使其在液壓系統(tǒng)中能長(zhǎng)期、穩(wěn)定保持良好的調(diào)壓狀態(tài)，是人們一直努力解決的問(wèn)題。

目前，隨著磁流體材料技術(shù)的發(fā)展，磁流變閥被廣泛研究。磁流變閥是通過(guò)激勵(lì)磁場(chǎng)來(lái)控制閥內(nèi)磁流體流變性的一種壓力控制元件[5-6]。吳喜、王京濤、劉云韓、 賈天池等[7-10]分別設(shè)計(jì)了一種以磁流變閥為導(dǎo)閥的先導(dǎo)式溢流閥，提出了將磁流變閥應(yīng)用于先導(dǎo)式溢流閥的思想。

表1 鐵及鐵合金高導(dǎo)磁率材料參數(shù)表

本研究對(duì)磁流變先導(dǎo)式溢流閥的導(dǎo)閥(簡(jiǎn)稱磁流變先導(dǎo)閥)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究，采用圓環(huán)形和圓盤形組合式阻尼間隙，雙線圈反向通電，優(yōu)化磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，提高磁流變先導(dǎo)閥內(nèi)的磁場(chǎng)利用率，以提高磁流變先導(dǎo)閥的調(diào)壓特性，進(jìn)而提高磁流變先導(dǎo)式溢流閥的壓力特性。

1 磁流變先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 磁流變先導(dǎo)閥工作原理

磁流變先導(dǎo)閥的工作原理是利用磁流體受外界磁場(chǎng)作用下的流變性。當(dāng)線圈中無(wú)電流通過(guò)時(shí)，磁流變液呈牛頓流體特性，僅受沿程阻力作用；當(dāng)線圈通電時(shí)，線圈激勵(lì)出的磁場(chǎng)由導(dǎo)磁閥芯引導(dǎo)通過(guò)阻尼間隙，磁流變液由牛頓流體變?yōu)榘牍腆w的Bingham流體[11]。

1.2 磁流變先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表1為鐵及鐵合金高導(dǎo)磁率材料參數(shù)表，選用鐵鎳合金，保證磁流變先導(dǎo)閥的閥芯閥體對(duì)外部磁場(chǎng)的變化反應(yīng)敏銳，磁流變液可在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生磁流變效應(yīng)。

本研究設(shè)計(jì)了一種雙線圈磁流變閥作為磁流變先導(dǎo)式溢流閥導(dǎo)閥，如圖1所示。端蓋閥芯與閥體、定位導(dǎo)流環(huán)之間構(gòu)成阻尼間隙。

1.堵頭 2.左端蓋閥芯 3.O形密封圈 4.閥體 5.激勵(lì)線圈 6.定位導(dǎo)流盤 7.右端蓋閥芯圖1 雙線圈磁流變先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)麥克斯韋方程組[12-14]，使用Ansoft Maxwell仿真分析0.8，1，1.2 mm三種阻尼間隙的磁密度并確定最優(yōu)阻尼間隙寬度。根據(jù)控制變量法，設(shè)置通電線圈匝數(shù)為200圈，電流為2 A，雙線圈電流方向相反，阻尼間隙寬度作為變量，分別取0.8，1.0，1.2 mm，分別仿真得磁感線分布圖及磁密度云圖，如圖2～圖4所示。仿真結(jié)果表明，工作間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨阻尼間隙寬度的增大而減小。阻尼間隙寬度為0.8 mm時(shí)，阻尼間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.52～0.77 T。由于磁流變液在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5 T時(shí)趨于飽和黏度，因此選擇阻尼工作間隙寬度為0.8 mm。

圖2 0.8 mm阻尼間隙磁感線分布圖及磁密度云圖

圖3 1.0 mm阻尼間隙磁感線分布圖及磁密度云圖

圖4 1.2 mm阻尼間隙磁感線分布圖及磁密度云圖

2 磁流變先導(dǎo)閥的磁場(chǎng)仿真

由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得，取阻尼間隙寬度為0.8 mm。設(shè)置通電線圈匝數(shù)200匝，采用Ansoft Maxwell 2D對(duì)磁流變先導(dǎo)閥分別在單線圈工況和雙線圈工況下，進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真。

2.1 單線圈工作電磁場(chǎng)仿真

單線圈工作時(shí)，電磁場(chǎng)仿真分析后得出磁感線分布圖及工作間隙處達(dá)到磁流變液飽和黏度時(shí)的磁密度云圖，如圖5所示。

圖5 單線圈通電磁感線分布圖及磁密度云圖

2.2 雙線圈工作電磁場(chǎng)仿真

雙線圈工作時(shí)，兩線圈通電電流方向同向或反向。仿真分析后得出磁感線分布圖及工作間隙處達(dá)到磁流變液飽和黏度的磁密度云圖，如圖6～圖7所示。

通過(guò)電磁場(chǎng)仿真，發(fā)現(xiàn)雙線圈反向通電時(shí)，定位導(dǎo)流環(huán)中間部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.25 T以下，磁流體起到隔磁效果，即使得工作阻尼間隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度加強(qiáng)。因此，選擇在雙線圈反向通電時(shí)，對(duì)磁流體先導(dǎo)閥做CFD仿真。

圖6 線圈同向通電磁感線分布圖及磁密度云圖

圖7 線圈反向通電磁感線分布圖及磁密度云圖

3 磁流變先導(dǎo)閥CFD仿真分析

3.1 磁流變先導(dǎo)閥CFD仿真分析初始條件及假設(shè)

磁流變先導(dǎo)式溢流閥的工作介質(zhì)為納米鐵酸鎳磁流變液，其密度值為2.65 g/cm3，動(dòng)力黏度取0.015 N·s/m2，初始流速為1.5 m/s，入口壓力為額定壓力6.25 MPa，出口壓力相對(duì)大氣壓為0。假設(shè)磁流體為不可壓縮流體，忽略溫度傳導(dǎo)，加入氣穴模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型方程進(jìn)行分析[15-18]。

3.2 磁流變先導(dǎo)閥流場(chǎng)三維建模

建立流場(chǎng)三維模型如圖8所示，進(jìn)油口及出油口直徑為4.2 mm，導(dǎo)流槽深度為1.5 mm，圓環(huán)阻尼間隙寬度為0.8 mm，圓盤間隙厚度為0.8 mm。采用ICEM軟件劃分網(wǎng)格，生成流體網(wǎng)格，如圖9所示。

圖8 流場(chǎng)三維模型剖視圖

圖9 流體網(wǎng)格劃分圖

3.3 CFD仿真結(jié)果與分析

利用ANSYS15.0 Fluent仿真得到磁流變先導(dǎo)閥內(nèi)部流場(chǎng)靜態(tài)壓力分布云圖、流場(chǎng)液流速度矢量圖，如圖10～圖11所示。

圖10 靜態(tài)壓力場(chǎng)分布云圖

仿真結(jié)果知，液壓油在進(jìn)、出口處和中間圓環(huán)型阻尼間隙處壓降較為迅速，壓力損失約占總壓力損失的12.5%，在中間圓環(huán)形阻尼間隙處壓力損失約占總壓力損失的25%。

從圖11可以看出，磁流變先導(dǎo)閥內(nèi)部磁流變液最高流速為16.3 m/s，在進(jìn)、出油口及中間的圓環(huán)形阻尼間隙處磁流變液流速達(dá)到最大值。在圓盤形阻尼間隙處，磁流變液流速隨圓盤型阻尼間隙半徑的減小而增大。磁流變先導(dǎo)式溢流閥導(dǎo)閥的工作間隙布置在磁流變液流速最快的部分，可以通過(guò)改變其間磁流變液黏度起到較好的阻尼效果。

圖11 流速矢量圖

4 磁流變先導(dǎo)閥壓力特性試驗(yàn)

4.1 通電電流與調(diào)定壓力曲線圖

由于磁流變先導(dǎo)閥的壓力值較小，將磁流變先導(dǎo)閥安裝在先導(dǎo)式溢流閥上進(jìn)行壓力特性測(cè)試。建立磁流變先導(dǎo)式溢流閥調(diào)壓特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖12所示，搭建了如圖13所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。在單線圈通電和雙線圈通電兩種工作狀況下測(cè)試，直流電源加載電流從3.2，2.8，2.4 A，0～2.0 A逐漸降低，記錄壓力表3讀數(shù)。為消除不可控因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，反復(fù)試驗(yàn)兩次并求平均值。

1.可控油源 2.安全溢流閥 3.壓力表 4.磁流變先導(dǎo)溢流閥 5.直流穩(wěn)壓電源圖12 磁流變先導(dǎo)溢流閥調(diào)壓范圍實(shí)驗(yàn)原理圖

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試出磁流變先導(dǎo)式溢流閥在不同激勵(lì)電流條件下的調(diào)節(jié)壓力，計(jì)算出磁流變先導(dǎo)閥壓力，記錄三次試驗(yàn)結(jié)果，并求出平均值繪制折線圖如圖14～圖15所示。

圖13 磁流變先導(dǎo)溢流閥調(diào)壓范圍實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖14 單線圈通電電流-調(diào)定壓力圖

圖15 雙線圈通電電流-調(diào)定壓力圖臺(tái)

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以得出磁流變先導(dǎo)式溢流閥在只有一個(gè)激勵(lì)線圈加載電流的情況下，調(diào)壓范圍為0.35～1.45 MPa；在2個(gè)激勵(lì)線圈反向加載電流的情況下，調(diào)壓范圍0.4～2.4 MPa，調(diào)定壓力-電流曲線在0～1.2A電流區(qū)間內(nèi)呈線性。

4.2 磁流變先導(dǎo)式溢流閥動(dòng)態(tài)特性分析

對(duì)磁流變先導(dǎo)式溢流閥動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)建模，采用Laplace變換方法，利用MATLAB Simulink仿真得出流量階躍響應(yīng)時(shí)的進(jìn)口壓力響應(yīng)特性曲線。系統(tǒng)壓力分別設(shè)定為6.3，5.3，4.3，3.3 MPa，仿真結(jié)果如圖16所示。不同系統(tǒng)壓力對(duì)磁流變先導(dǎo)式溢流閥的階躍壓力響應(yīng)曲線會(huì)產(chǎn)生影響，各階躍壓力響應(yīng)曲線的壓力超調(diào)量、超調(diào)率、響應(yīng)時(shí)間、過(guò)度過(guò)程時(shí)間見(jiàn)表2。

圖16 不同系統(tǒng)壓力時(shí)的階躍壓力響應(yīng)曲線

表2 階躍壓力響應(yīng)曲線相關(guān)參數(shù)

由圖16中不同系統(tǒng)壓力下的階躍壓力響應(yīng)曲線圖可知，在不同系統(tǒng)壓力時(shí)，磁流變先導(dǎo)式溢流閥的進(jìn)口壓力最終收斂于系統(tǒng)壓力，因此可以判定磁流變先導(dǎo)式溢流閥的穩(wěn)定性良好。依據(jù)表2中階躍壓力響應(yīng)曲線相關(guān)參數(shù)數(shù)值可知，磁流變先導(dǎo)式溢流閥的壓力超調(diào)量、超調(diào)率、響應(yīng)時(shí)間及過(guò)渡過(guò)程時(shí)間都隨著系統(tǒng)壓力的增大而增加。磁流變先導(dǎo)式溢流閥的響應(yīng)時(shí)間范圍為0.42～0.5 ms，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間范圍為1.35～1.50 ms，對(duì)照參考文獻(xiàn)[10]中的磁流變先導(dǎo)式溢流閥的動(dòng)態(tài)特性，可以得出雙線圈磁流變先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于提高磁流變先導(dǎo)式溢流閥的響應(yīng)速度。由于磁流變先導(dǎo)式溢流閥的響應(yīng)速度的提高，導(dǎo)致液壓沖擊現(xiàn)象明顯，瞬態(tài)液動(dòng)力加大，導(dǎo)致壓力超調(diào)率數(shù)值偏大，其范圍在18.2%～22.2%。

5 結(jié)論

(1) 利用Ansoft Maxwell仿真分析得出阻尼間隙寬度為0.8，1.0，1.2 mm時(shí)磁流變先導(dǎo)閥內(nèi)的磁場(chǎng)情況，并確定最優(yōu)阻尼間隙寬度為0.8 mm；

(2) 阻尼間隙為0.8 mm時(shí)，在單線圈通電，雙線圈同向通電和雙線圈反向通電條件下，進(jìn)行磁場(chǎng)仿真分析。確定雙線圈反向通電時(shí)，中部磁流體有隔磁效果；

(3) 利用Fluent模塊對(duì)所設(shè)計(jì)的磁流變先導(dǎo)閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析。仿真結(jié)果顯示：導(dǎo)閥內(nèi)部磁流體最高流速為16.3 m/s，在中間圓環(huán)形阻尼工作間隙處磁流體流速達(dá)到最大；

(4) 通過(guò)磁流變先導(dǎo)式溢流閥壓力特性試驗(yàn)。在單激勵(lì)線圈通電、雙激勵(lì)線圈反向通電時(shí)，測(cè)得磁流變先導(dǎo)閥的調(diào)定壓力與電流曲線在0～1.2 A電流區(qū)間成正比，最后達(dá)到最大調(diào)定壓力；

(5) 通過(guò)對(duì)磁流變先導(dǎo)式溢流閥的動(dòng)態(tài)特性仿真，得出雙線圈磁流變先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于提高磁流變先導(dǎo)式溢流閥的響應(yīng)速度。