導磁型磁流變換向閥設計及性能分析

楊瑜君， 吳張永， 蔣佳駿， 朱啟晨， 莫子勇， 呂 飛

(1.昆明理工大學 機電工程學院， 云南 昆明 650500； 2.云南興長江實業(yè)有限公司， 云南 昆明 650111)

引言

換向閥是液壓系統(tǒng)的方向控制元件，通過閥芯與閥體的相對運動，調(diào)節(jié)和控制液流通斷和換向，改變執(zhí)行元件啟停及運動方向[1-2]。動態(tài)響應速度是換向閥重要性能指標，現(xiàn)有換向閥多為電磁換向閥，受比例電磁鐵響應頻率限制及彈簧疲勞失效等因素影響，導致?lián)Q向閥響應速度較慢，嚴重影響液壓系統(tǒng)的控制精度和安全性能。提高換向閥響應速度， 改善換向閥動態(tài)性能，一直以來都是相關領域學者們研究的重點方向。

磁流體是一種具有超順磁性的納米流體，在磁場下，其黏度變化響應時間可達毫秒級。磁流變閥是一種以磁流體作為工作介質的新型液壓元件，閥體內(nèi)部無相對移動部件，直接通過電信號驅動電磁線圈控制磁流體，因此響應迅速且易于控制。

大量學者對磁流變閥結構及換向閥響應速度進行了深入研究。胡國良等[3]設計了一種改進型徑向流磁流變閥，使用隔磁材料改變閥體內(nèi)部磁力線方向，提高磁力線與流道垂直的有效工作流道長度，進而提高磁流變閥液阻壓降特性；ICHWAN等[4]提出一種模塊化磁流變閥，通過法蘭可將多個軸向-徑向流磁流變閥拼接組裝，在增加有效流道長度的同時，可根據(jù)模塊數(shù)量適應不同工況對壓降的要求；劉向陽等[5]設計了一種水壓插裝式三位四通電磁換向閥，仿真并測試其動態(tài)啟停響應時間，探討了閥芯不同位置機能下?lián)Q向閥響應時間；蔡偉等[6]采用多物理場耦合建模分析三位四通換向閥，建立了閥芯工作動態(tài)響應數(shù)學模型，分析不同因素對閥芯位移的影響。本研究設計了一種基于惠斯通電橋原理的磁流變換向閥，建立換向閥動態(tài)數(shù)學模型，測試分析換向閥動態(tài)響應性能。

1 導磁型磁流變換向閥結構設計

1.1 導磁型磁流變閥

磁流變閥工作原理是基于磁場與磁流體間產(chǎn)生的磁流變效應，磁流體在磁場作用下從自由流動的牛頓流體轉變?yōu)榫哂幸欢羟星姸?、近似固體的黏塑性體，且變化具有連續(xù)、可控、可逆等特性[7]。在液-固、固-液轉換過程中，磁流體黏度發(fā)生改變，導致流動速度分布與屈服應力發(fā)生變化，進而改變磁流變閥進出口壓降。常規(guī)磁流變閥按流道間隙種類可以分為徑向盤型間隙、軸向柱形間隙與復合間隙，不同間隙類型代表該磁流變閥產(chǎn)生磁流變效應的主要流道區(qū)域，其中徑向流磁流變閥如圖1所示。磁力線主要與徑向液流通道中的磁流體發(fā)生反應，但軸向流道中磁流體運動方向與磁力線趨于平行，磁流變效應微弱，軸向柱形流道部分未得到有效利用。

1) 結構

導磁型磁流變閥作為磁流變換向閥導閥的關鍵部分[8-9]，其結構如圖2所示。閥體主要由端蓋、密封圈、導磁環(huán)、線圈架與線圈組成。閥芯由鋅鎳鐵氧體導磁盤、超坡莫合金導磁盤以及不銹鋼導磁盤組成；液流通道由閥體與閥芯定位凸臺預留間隙構成1個環(huán)形軸向液流通道以及2個盤形徑向液流通道。工作過程中線圈通電產(chǎn)生磁力線，由于超坡莫合金材料初始磁導率和最大磁導率遠大于不銹鋼材料，因此磁力線在經(jīng)過閥芯部分時，受超坡莫合金與不銹鋼材料磁導率影響，部分磁力線會被引導穿過軸向柱形間隙，并發(fā)生磁流變效應，進而實現(xiàn)不增加閥體總尺寸的情況下，有效增加磁流變閥有效工作流道長度，提高磁流變閥進出口液阻壓降特性。

1.端蓋 2.線圈架 3.閥芯 4.線圈圖1 常規(guī)徑向流磁流變閥工作原理

1.端蓋 2.導磁環(huán) 3.線圈架 4.線圈 5.密封圈 6.不銹鋼導磁環(huán) 7.超坡莫合金導磁環(huán) 8.鋅鎳鐵氧體導磁環(huán)圖2 導磁型磁流變閥結構

2) 數(shù)學模型

導磁型磁流變閥作為磁流變換向閥導閥關鍵部分，其性能決定了換向閥瞬態(tài)響應等一系列重要參數(shù)。導磁型磁流變閥結構設計以壓降數(shù)學模型為主導，電磁響應特性和能耗性能為優(yōu)化約束條件。導磁型磁流變閥液阻通道由2個柱形流道、2個盤形徑向流道以及2個環(huán)形軸向流道組成。

導磁型磁流變閥柱形流道，由于受磁場影響較小，采用經(jīng)典流體力學的流體層流在圓管內(nèi)的沿程壓力損失公式[10]：

(1)

式中,η—— 黏性流體的動力黏度

L—— 柱形流道長度

q—— 柱形流道內(nèi)的流量

D—— 柱形流道直徑

導磁型磁流變閥環(huán)形軸向液流通道，總壓降Δpa由非牛頓流體剪切壓降Δpaτ和黏性流體平板間隙壓降Δpaη兩部分壓降構成，其公式分別為：

(2)

(3)

Δpa=Δpaτ+Δpaη

(4)

式中,ca—— 修正系數(shù)

H1—— 鋅鎳鐵氧體導磁環(huán)厚度

τa—— 軸向液流通道剪切屈服應力

H2—— 超坡莫合金導磁環(huán)厚度

H3—— 不銹鋼導磁環(huán)厚度

tr—— 徑向流道厚度

ta—— 軸向流道寬度

D1—— 徑向流道直徑

導磁型磁流變閥盤形徑向液流通道壓降為Δpr：

(5)

式中,cr—— 修正系數(shù)

τr—— 徑向液流通道剪切屈服應力

根據(jù)式(1)、式(4)、式(5)可知，導磁型磁流變閥總壓降為：

Δp=Δpt+Δpa+2Δpr

(6)

1.2 導磁型磁流變換向閥

導磁型磁流變換向閥結構設計基于惠斯通電橋原理，其工作原理及結構原理如圖3、圖4所示，由磁流變先導閥與液動換向閥構成。先導級磁流變閥由4個相同的導磁型磁流變閥組成，閥體內(nèi)部設有圓形橫截面流道;4個導磁型磁流變閥分別構成液阻R1,R2,R3,R4， 4個液阻組成全橋液阻網(wǎng)絡，通過電流調(diào)節(jié)控制液阻大小，從而實現(xiàn)對液動換向閥運動方向和速度的控制;工作時磁流變液由壓力口p分別進入液阻Rc,Rs形成壓力磁流變先導閥控制壓力pc和液動換向閥進油口壓力ps，控制壓力pc經(jīng)過液阻R1,R3分別形成液動換向閥的左、右端面控制壓力pCA,pCB；液阻R2,R4與油箱連接，壓力口T與油箱連接；通過控制電流改變磁流變閥壓降特性，調(diào)節(jié)R1，R2，R3，R4液阻值，從而改變pCA，pCB壓力大小實現(xiàn)對液動換向閥方向和速度的控制，當pCApCB時，閥芯向右移動。

圖3 導磁型磁流變換向閥液阻工作原理

圖4 導磁型磁流變換向閥結構

2 導磁型磁流變換向閥動態(tài)數(shù)學模型

對導磁型磁流變換向閥進行動態(tài)特性分析時，首先需對磁流變先導閥動態(tài)特性進行分析。先導級磁流變閥控制系統(tǒng)中，輸入為導磁型磁流變閥控制電流，輸出為換向閥主閥左右兩端液動力；換向閥主閥輸入即為磁流變導閥輸出，輸出為閥芯所產(chǎn)生位移；導磁型磁流變換向閥整體控制系統(tǒng)輸入為控制電流，輸出為閥芯位移。

導磁型磁流變換向閥流量-壓力關系為：

(7)

式中,qy—— 對應半橋磁流變閥的流量

Cd—— 流量系數(shù)

x—— 閥芯位移

Wx—— 閥口的面積增益

pB—— 磁流變換向閥B口壓力

Ry—— 對應半橋磁流變閥所產(chǎn)生液阻

磁流變導閥內(nèi)部為4個完全相同的導磁型磁流變閥，由于R1處控制電流與R4相同，R2處控制電流與R3相同，得：

qy=qy1+qy3=qy2+qy4

(8)

式中,qy1——R1處流量

qy2——R2處流量

qy3——R3處流量

qy4——R4處流量

磁流變換向閥主閥左右兩端控制壓力pCA,pCB分別為：

(9)

(10)

換向閥主閥控制系統(tǒng)可簡化為質量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，閥芯移動時穩(wěn)態(tài)液動力可看作是一種由液體流動引起的彈簧力；瞬態(tài)液動力與閥芯移動速度關系成正比，可看作系統(tǒng)阻尼。閥芯兩側彈簧為對稱布置，對閥芯建立動力學平衡方程為：

(11)

式中，Dx—— 閥芯橫截面直徑

ms—— 閥芯質量

Bf—— 閥芯黏性阻尼系數(shù)

kf—— 穩(wěn)態(tài)液動力剛度系數(shù)

kt—— 彈簧剛度系數(shù)

其中，換向閥閥芯移動的同時，A-T段、P-B段液流端面節(jié)流窗口共同作用。根據(jù)穩(wěn)態(tài)液動力公式，可知穩(wěn)態(tài)液動力剛度系數(shù)kf為：

kf=2CdCvWx(ps-pB+pA)cosθ

(12)

式中，Cv—— 速度系數(shù)

pA—— 磁流變換向閥A口壓力

θ—— 液流角，流體節(jié)流端面處的射角

同時，在A-T段、P-B段液流端面均存在瞬態(tài)液動力，但2段液流方向不同，瞬態(tài)液動力公式[11]，得閥芯黏性阻尼系數(shù)Bf為：

(13)

式中，L1—— P-B段油液進出閥腔時所流經(jīng)軸向長度，mm

L2—— T-A段油液進出閥腔時所流經(jīng)軸向長度，mm

3 仿真分析

根據(jù)式(7)可知，若閥芯位移x已知，則可獲得換向閥總流量qv，由式(7)、式(9)～式(11)得磁流變換向閥的動態(tài)模型方框圖，如圖5所示。

圖5 導磁型磁流變換向閥動態(tài)模型

為簡化控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的復雜性，作以下假設：

(1) A口與T口的壓力相等，即pA為0;

(2) 液體流動為二維、無旋且液體不可壓縮，液動換向閥的閥口開度較大，ps與pB的壓差值最大為1 MPa，液流角為69°，即cosθ=0.36[12];

(3) 在相同磁場作用下，磁流變液黏度保持一致，無磁場作用時，忽略溫度對磁流變液黏度產(chǎn)生的影響[13]。

假設使閥芯受的彈性力和阻尼力進一步簡化，同時輸入電流I與總壓降Δpτ的關系曲線采用數(shù)據(jù)擬合成三階多項式方程曲線，采用拉普拉斯變換得磁流變換向閥的傳遞函數(shù)框圖如圖6所示。

根據(jù)磁流變換向閥傳遞函數(shù)框圖，使用MATLAB/Simulink軟件進行動態(tài)特性仿真，分別選取(30，24)，(30，26)，(30，28)，(40，38)電流組合作為仿真輸入?yún)?shù)，繪制閥芯位移動態(tài)曲線組，仿真結果如圖7所示。當2個半橋控制電流差值逐漸增大時，閥芯移動距離也相應增大，同時系統(tǒng)超調(diào)量也逐漸增大，閥芯達到穩(wěn)態(tài)所需調(diào)整時間也相應增加。當半橋電流差值不變，電流數(shù)值逐漸增大時，閥芯移動距離也相應增大，同時系統(tǒng)超調(diào)量也逐漸增大。在閥芯設定允許移動范圍0～5 mm內(nèi)，閥芯運動狀態(tài)達到穩(wěn)態(tài)所需調(diào)整時間為10～20 ms，相對電磁換向閥的響應調(diào)整時間20～25 ms，有較大提升。

圖6 導磁型磁流變換向閥傳遞函數(shù)框圖

圖7 閥芯位移Simulink動態(tài)仿真結果

4 響應特性試驗及結果分析

4.1 試驗平臺搭建

為對比分析導磁型磁流變換向閥動態(tài)響應仿真數(shù)據(jù)與試驗是否存在差異，根據(jù)JB/T 10373—2014《液壓電液動換向閥和液動換向閥》行業(yè)標準對換向閥進行性能測試[14-15]，測試原理圖如圖8所示，并根據(jù)測試原理圖建立如圖9所示試驗平臺。對磁流變閥進行測試時，需將電磁換向閥更換成導磁型磁流變換向閥，同時油源更換為磁流體油源系統(tǒng)。圖10a為導磁型磁流換向閥實物圖，圖10b為導磁型磁流變換向閥導閥實物圖。

4.2 導磁型磁流變換向閥動態(tài)性能測試

由于直接測量閥芯位移的瞬態(tài)特性較為困難， 但

1.液壓泵 2.溢流閥 3.壓力表 4.被測試閥 5.流量計 6.單向節(jié)流閥 7.蓄能器 8.截止閥 9.溫度計 10.單向閥 11.過濾器圖8 導磁型磁流變換向閥測試原理圖

1.壓力輸入口 2.節(jié)流閥 3.壓力表 4.壓力傳感器 5.被試閥 6.壓力輸出口 7.壓力信號采集系統(tǒng)圖9 測試系統(tǒng)和測試平臺

圖10 導磁型磁流變換向閥實物圖

輸出口閥芯移動距離與壓力，可以通過測量輸出壓力瞬態(tài)值判定換向閥的響應時間。輸出口壓力利用壓力傳感器及信號采集系統(tǒng)采集壓力數(shù)值，測取待測試閥動態(tài)響應[16-17]。

為驗證對比4WE 6E-61/CG24N9Z5L電磁換向閥與導磁型磁流變閥動態(tài)特性，分別對不同工況下電磁換向閥與導磁型磁流變換向閥進行測試。由仿真結果可知，導磁型磁流變換向閥在輸入電流組合為(30,28)時響應調(diào)整時間最快。首先對電磁換向閥與導磁型磁流變換向閥輸入1 MPa壓力進行測試，測試結果如圖11所示，其次調(diào)整輸出壓力為2 MPa，得到如圖12所示壓力階躍曲線測試結果。

圖11 1 MPa工況下?lián)Q向閥壓力階躍響應曲線

圖12 2 MPa工況下?lián)Q向閥壓力階躍響應曲線

測試結果表明：導磁型磁流變閥階躍響應時間為10～20 ms，電磁換向閥的階躍響應時間為20～30 ms，基本符合一般電磁換向閥的階躍響應時間，本次試驗的輸出壓力較小，因此壓力階躍曲線的超調(diào)量較低，對比2次試驗結果，導磁型磁流變換向閥的響應速度高于電磁換向閥。

5 結論

(1) 設計一種基于磁流體磁流變特性以及惠斯通電橋原理的導磁型磁流變換向閥;

(2) 建立導磁型磁流變換向閥動態(tài)響應數(shù)學模型，利用Simulink對導磁型磁流變閥進行動態(tài)仿真，結果表明，當全橋系統(tǒng)處于對稱時，兩半橋間電流差逐漸增大，換向閥閥芯移動距離隨之增加，同時控制系統(tǒng)超調(diào)量也隨之擴大，閥芯達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的調(diào)整時間也變大;

(3) 建立試驗平臺對磁換向閥與導磁型磁流變換向閥進行測試，結果表明，導磁型磁流變換向閥動態(tài)響應時間為10～15 ms，較相同通徑電磁換向閥響應速度有提高。