一種新型液壓閥用電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

楊智超， 鄧 斌

(西南交通大學(xué)先進(jìn)驅(qū)動(dòng)節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心， 四川成都 610031)

引言

液壓換向閥在開(kāi)啟和換向時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊和震蕩，這種沖擊嚴(yán)重時(shí)會(huì)使液壓管子爆裂，損壞密封裝置和液壓儀表，并會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，給系統(tǒng)的正常工作帶來(lái)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(shè)置緩沖裝置；通過(guò)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(lái)的危害， 而且還可能會(huì)降低液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度[1-3]。本研究從改造液壓元件的驅(qū)動(dòng)方式出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種能夠降低、調(diào)節(jié)液壓閥換向沖擊的新型閥用電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

該新型閥用電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、隔磁銅片和MRD三部分組成，雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)桿和MRD的活塞桿做成一體式的，雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)與MRD之間安裝有銅片，這樣能防止雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的磁場(chǎng)對(duì)MRD中的磁流變液(MRF)性能的影響。其中MRD由端蓋、缸體、線(xiàn)圈、活塞、驅(qū)動(dòng)桿等組成，在缸體內(nèi)部充盈著磁流變液；雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)由上端蓋、上線(xiàn)圈、永磁體、下線(xiàn)圈、動(dòng)鐵心、機(jī)體以及下端蓋組成，圖1所示是該新型閥用電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖。

1．MRD 2.隔磁銅片 3.雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu) 4.端蓋 5.缸體 6.線(xiàn)圈 7.活塞 8.磁流變液(MRF) 9.驅(qū)動(dòng)桿 10.上端蓋 11.上線(xiàn)圈 12.永磁體 13.下線(xiàn)圈 14.動(dòng)鐵心 15.機(jī)體 16.下端蓋圖1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是在保持位或換向過(guò)程中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁線(xiàn)圈使閥體處于保持位或?qū)崿F(xiàn)換向，磁流變液阻尼器(MRD)的作用是換向時(shí)通過(guò)控制輸入電流的大小，來(lái)改變MRF的屈服強(qiáng)度，可以根據(jù)使用需求輸出可控阻尼力來(lái)調(diào)節(jié)液壓閥的換向電磁驅(qū)動(dòng)力進(jìn)而降低液壓閥換向所帶來(lái)的沖擊力。該新型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由于采用雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)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(diǎn)，而MRD由于其阻尼力具有連續(xù)可調(diào)，可重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)，使該新型閥用電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)操作過(guò)程示意圖。

1 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

1.1 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用圓柱形結(jié)構(gòu)，主要由永磁體、動(dòng)鐵芯、上線(xiàn)圈、下線(xiàn)圈以及機(jī)體等組成，永磁體的作用是在由它和動(dòng)鐵心、機(jī)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(gè)恒定的磁場(chǎng)，依靠永磁體的磁力使動(dòng)鐵心和驅(qū)動(dòng)桿保持靜止，需要換向時(shí)，電磁線(xiàn)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(qū)動(dòng)動(dòng)鐵心和驅(qū)動(dòng)桿完成換向[4]。

圖2 機(jī)構(gòu)操作過(guò)程示意圖

根據(jù)電磁閥工況要求，雙穩(wěn)態(tài)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(xiàn)圈產(chǎn)生的換向力：F1≥110 N

行程：s=4 mm

為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，在設(shè)計(jì)計(jì)算及仿真分析過(guò)程中，假設(shè)材料均具有各向同性，忽略線(xiàn)圈溫升對(duì)導(dǎo)磁材料磁阻及線(xiàn)圈磁勢(shì)產(chǎn)生的影響，不考慮導(dǎo)磁材料的磁滯效應(yīng)，不考慮渦流損耗對(duì)永磁體性能的影響[5]。

綜合考慮永磁材料的性能特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求，永磁體采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，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(nèi)稟矯頑力Hcj≥1075 kA/m

動(dòng)鐵心及機(jī)體在機(jī)構(gòu)中作為傳遞和轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)能量的部件，需要具有較高的磁導(dǎo)率，較低的矯頑力，選用電工純鐵DT4，它具有飽和磁感應(yīng)高的特點(diǎn)(293 K達(dá)21580 Gs)，其具體參數(shù)如下：

矯頑力Hcb≤96 A/m

最大磁導(dǎo)率μm≥0.0075 H/m

驅(qū)動(dòng)桿采用銅制造，其導(dǎo)磁性能較差，在設(shè)計(jì)計(jì)算中可作為非導(dǎo)磁材料處理。

由于機(jī)體的材料采用電工純鐵，因此雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成圓形形狀，采用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算[6-7]，機(jī)構(gòu)各主要部件具體參數(shù)如下：

永磁體：內(nèi)徑：17 mm，外徑：29 mm，高度：3 mm

動(dòng)鐵心：內(nèi)徑：8 mm，外徑：15 mm，高度：38.8 mm

機(jī)體：內(nèi)徑：59 mm，外徑：64 mm，高度：43 mm

驅(qū)動(dòng)桿：直徑8 mm

線(xiàn)圈：內(nèi)徑：17 mm，外徑：57 mm，匝數(shù)：1000匝，換向時(shí)通入電流：1.5 A

1.2 靜態(tài)、瞬態(tài)磁場(chǎng)特性有限元仿真分析

液壓閥在保持位時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)依靠永磁體產(chǎn)生的電磁力實(shí)現(xiàn)閥體穩(wěn)定在保持位；液壓閥換向時(shí)，需要對(duì)雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的保持位相對(duì)方向的線(xiàn)圈通入電流，大小為1.5 A，使線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁力能夠克服永磁體的電磁力實(shí)現(xiàn)換向。結(jié)合雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸，利用Maxwell軟件分別對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)(電磁線(xiàn)圈未通電的狀態(tài))、瞬態(tài)(電磁線(xiàn)圈通1.5 A的電流時(shí)的狀態(tài))磁場(chǎng)有限元分析。由于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)是軸對(duì)稱(chēng)的，因此為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在Maxwell軟件建模時(shí)采用關(guān)于z軸的軸對(duì)稱(chēng)模型[8]。

雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)Maxwell電磁場(chǎng)有限元分析步驟：

(1) 前處理：建立關(guān)于z軸對(duì)稱(chēng)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(qū)動(dòng)桿及動(dòng)鐵心設(shè)置為運(yùn)動(dòng)部件，并為運(yùn)動(dòng)部件設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)、添加力學(xué)載荷[9-10]，給線(xiàn)圈設(shè)置電流源激勵(lì)；

(2) 求解；

(3) 后處理：查看動(dòng)鐵心及驅(qū)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件所受磁場(chǎng)力隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)表明動(dòng)鐵心在0時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件受到永磁體與電磁線(xiàn)圈的電磁場(chǎng)合力，大小為F2=22.2575 N，方向指向z軸正方向，兩力的合力驅(qū)動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)換向；隨著時(shí)間的增加，動(dòng)鐵心及驅(qū)動(dòng)桿所受磁場(chǎng)力不斷增大，位置也不斷增大，這表明機(jī)構(gòu)能夠連續(xù)的運(yùn)動(dòng)到行程末端，在換向完成即5 ms時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件所受合力大小達(dá)到F3為280.9853 N，方向?yàn)閦軸正方向。

圖3 瞬態(tài)磁場(chǎng)下雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件受力變化曲線(xiàn)

2 MRD的設(shè)計(jì)與仿真

2.1 各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇

假設(shè)雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁線(xiàn)圈在其運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)完行程全程的時(shí)間內(nèi)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的換向末端所帶來(lái)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(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁驅(qū)動(dòng)力，使雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)換向的現(xiàn)象出現(xiàn)，因此對(duì)MRD提出如下要求：

(1) 為使雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)即使受到MRD的最小阻尼力時(shí)依然能夠驅(qū)動(dòng)液壓閥換向，MRD粘滯力須小于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)在0時(shí)所受的力F2，即小于22.2575 N，這是設(shè)計(jì)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(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑所能通過(guò)最大電流及MRF的磁飽和強(qiáng)度的影響，并不是無(wú)限增大的)須和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)在5 ms時(shí)所受得力大小差距不大。

由于所設(shè)計(jì)的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)最大沖擊力只有280.9853 N，且需要來(lái)回往復(fù)的換向，因此單線(xiàn)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(kù)侖力，N

Fη—— 粘滯力，N

L—— 阻尼通道有效長(zhǎng)度，m

τy—— 磁流變液的屈服強(qiáng)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(chǎng)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(jié)構(gòu)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(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)桿做成一體式的，其材料選擇為銅，MRD的電磁線(xiàn)圈選用0.5 mm線(xiàn)徑的漆包線(xiàn)，匝數(shù)為500匝。所設(shè)計(jì)的MRD的磁流變液(MRF)采用美國(guó)LORD公司生產(chǎn)的MRF-132DG型磁流變液，該型號(hào)MRF具有響應(yīng)時(shí)間較快、屈服強(qiáng)度可調(diào)范圍較大、耐溫性較好以及磨蝕性較低等優(yōu)點(diǎn)。其基本技術(shù)指標(biāo)如下：

零場(chǎng)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(yīng)強(qiáng)度-磁場(chǎng)強(qiáng)度)曲線(xiàn)、H-τ(磁場(chǎng)強(qiáng)度-屈服強(qiáng)度)曲線(xiàn)分別如圖4、圖5所示。

為了滿(mǎn)足MRD小型化、MRD結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和阻尼力滿(mǎn)足降低雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)沖擊力的要求，對(duì)MRD的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行初始設(shè)計(jì)：阻尼缸體厚度8 mm[12]，有效阻尼通道長(zhǎng)度12 mm，線(xiàn)圈匝數(shù)500匝，活塞直徑28 mm，活塞長(zhǎng)度23 mm。

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

確定了MRD的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)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(jì)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(jì)算所得的不同阻尼通道寬度h下的粘滯力Fη曲線(xiàn)，由計(jì)算結(jié)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(shí)，粘滯力大小為23.16 N，此時(shí)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(jié)果可知，當(dāng)h=1.6 mm時(shí)，粘滯力大小為19.08 N，此時(shí)小于F2，故阻尼通道寬度的大小需滿(mǎn)足：1.6 mm≤h≤2 mm。

圖4 MRF-132DG型磁流變液B-H曲線(xiàn)

圖5 MRF-132DG型磁流變液H-τ曲線(xiàn)

圖6 不同阻尼間隙寬度的粘滯力曲線(xiàn)

然后分別對(duì)阻尼通道間隙寬度為1.6，1.7，1.8，1.9，2 mm的MRD進(jìn)行Maxwell靜磁場(chǎng)仿真，通過(guò)其磁場(chǎng)數(shù)值的大小來(lái)確定阻尼通道寬度的最優(yōu)解。結(jié)合MRD結(jié)構(gòu)尺寸，由于MRD是圓柱狀對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故在Maxwell里建立關(guān)于z軸對(duì)稱(chēng)的模型進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真。在線(xiàn)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(hào)，并分別記錄通入不同電流時(shí)所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)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(chǎng)強(qiáng)度H數(shù)據(jù)曲線(xiàn)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(chǎng)強(qiáng)度越大，電流大于1.2 A時(shí)，MRD的磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度越大，且磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)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(xiàn)

利用MATLAB的cftool工具分別對(duì)這5個(gè)不同阻尼通道間隙的I-H曲線(xiàn)建立5個(gè)多項(xiàng)式擬合曲線(xiàn)方程，并利用MATLAB/Simulink建立I-H數(shù)學(xué)子程序。同樣的方法對(duì)MRF-132DG型磁流變液的H-τ曲線(xiàn)建立多項(xiàng)式擬合方程，然后通過(guò)MATLAB/Simulink軟件建立I-H、H-τ的模塊子程序，由于MRF的屈服強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)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(gè)子程序集成到用同樣方法建立的MRD的阻尼力公式(見(jiàn)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(duì)應(yīng)的阻尼力大小。

由Simulink計(jì)算結(jié)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(dāng)所通電流大小為1.5A時(shí)，阻尼間隙寬度分別等于1.6，1.7，1.8，1.9，2 mm時(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)的末端沖擊力為280.9853 N，當(dāng)阻尼間隙寬度為1.6 mm時(shí)MRD的最大阻尼力與雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的末端沖擊力差距是最小的，為了最大程度的調(diào)節(jié)并降低雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)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(guān)系曲線(xiàn)(I-F曲線(xiàn))如圖8所示。

圖8 MRD的I-F曲線(xiàn)

3 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和MRD串聯(lián)連接，為了防止雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是驅(qū)動(dòng)閥芯實(shí)現(xiàn)換向和保持位。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)所需要的永磁保持力及電磁換向驅(qū)動(dòng)力的大小設(shè)計(jì)出雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)Maxwell軟件首先對(duì)雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)電磁場(chǎng)仿真，得到其換向過(guò)程中所受的最小及最大的電磁驅(qū)動(dòng)力，以此作為設(shè)計(jì)MRD的可控阻尼力的調(diào)節(jié)范圍；

(3) MRD的作用是調(diào)節(jié)、降低雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的換向所帶來(lái)的沖擊力，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮工況和輸出阻尼力的大小選擇適合的結(jié)構(gòu)模型，本研究為了較好的降低雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的沖擊力，其粘滯力須小于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的換向剛開(kāi)始時(shí)的電磁驅(qū)動(dòng)力，其最大阻尼力須和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的換向剛剛完成時(shí)的電磁驅(qū)動(dòng)力相差不大，這樣才能實(shí)現(xiàn)通過(guò)MRD調(diào)節(jié)雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的沖擊力的目的，經(jīng)過(guò)仿真分析，MRD的阻尼間隙寬度為1.6 mm時(shí)，所設(shè)計(jì)的MRD的粘滯力和阻尼力可調(diào)范圍均符合所希望達(dá)到的要求。