王慶輝，吳張永，王嫻，吳喜，溫成卓

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

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，液壓控制元件的數(shù)字化、智能化成為一種必然的趨勢(shì)[1]。磁流變液壓傳動(dòng)技術(shù)是一種利用磁流變流體作為工作介質(zhì)的新型液壓技術(shù)。磁流變流體(Magnetorheological Fluid，MRF)是1948年美國(guó)人J RABINOW 發(fā)明的一種新型功能材料，是一種把飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度很高而磁頑力很小的優(yōu)質(zhì)軟磁材料均勻分布在不導(dǎo)磁的基液中所制成的懸濁液，其流變特性隨外加磁場(chǎng)的變化而變化。在磁場(chǎng)作用下磁流變流體能在瞬間(毫秒級(jí))從自由流動(dòng)的牛頓液體轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞腆w，呈現(xiàn)出可控的屈服強(qiáng)度，而且這種變化是連續(xù)、可逆的[2－5]?；诖帕髯兞黧w的液壓閥數(shù)字控制技術(shù)可直接與計(jì)算機(jī)接口，無(wú)需D/A轉(zhuǎn)換器，用數(shù)字信號(hào)直接控制磁流變流體的壓力、流量。數(shù)字控制方式分為步進(jìn)式控制和開關(guān)式控制兩種，開關(guān)式控制通常采用脈寬調(diào)制 (PWM)的控制方式[6－8]。作者利用磁流變流體的流變特性結(jié)合液壓閥數(shù)字控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一種磁流變數(shù)字閥，介紹了其結(jié)構(gòu)及工作原理，給出了數(shù)學(xué)模型，并利用AMESim軟件對(duì)其靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。

1 磁流變數(shù)字閥結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示為磁流變數(shù)字閥的結(jié)構(gòu)原理圖[9]，主要由外殼、線圈、鐵芯、閥芯和端蓋組成。選用齒輪泵為動(dòng)力源，采用密度為ρ=2.56 g/cm3、黏度為μ=30 mPa·s的氮化鐵系磁流變流體作為工作介質(zhì)，鐵芯、閥芯等導(dǎo)磁元件采用硅鋼作為制作材料，因其具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，而端蓋等隔磁元件采用鋁合金作為制作材料[10]。

圖1 磁流變數(shù)字閥的結(jié)構(gòu)原理圖

磁流變數(shù)字閥采用磁流變流體的流動(dòng)工作模式，鐵芯和閥芯之間形成工作間隙，磁流變流體從間隙中流過(guò)，用非線性B-H曲線模型來(lái)描述，如圖2所示。當(dāng)線圈中有一定電流通過(guò)時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生于導(dǎo)磁元件鐵芯和閥芯之間的工作間隙中，此時(shí)流過(guò)工作間隙的磁流變流體在磁場(chǎng)作用下瞬間由自由流動(dòng)的牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)榻腆w狀態(tài)，變?yōu)轲に苄泽w，阻尼力增大，阻止磁流變流體進(jìn)出磁流變數(shù)字閥，閥芯兩側(cè)的壓力差也逐漸增大?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)線圈中電流大小來(lái)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而改變磁流變流體的屈服特性，達(dá)到磁流變數(shù)字閥調(diào)節(jié)壓力、流量的目的，而且該調(diào)節(jié)是連續(xù)可逆的。當(dāng)線圈中沒有電流通過(guò)時(shí)，磁流變流體又恢復(fù)為自由流動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)通過(guò)磁流變數(shù)字閥的流量最大。

圖2 磁流變流體的磁化特性曲線

2 磁流變數(shù)字閥數(shù)學(xué)模型

根據(jù)前面對(duì)磁流變數(shù)字閥工作原理的分析，可建立其數(shù)學(xué)模型。

磁流變數(shù)字閥的壓力－流量方程可以用式(11)表示[11]:

式中:Q為磁流變數(shù)字閥中的流量;

μ為磁流變流體的零場(chǎng)黏度;

L為兩個(gè)鐵芯加上線圈的長(zhǎng)度;

d為磁流變數(shù)字閥閥芯的直徑;

h為鐵芯與閥芯之間的工作間隙;

K為修正系數(shù);

τy為磁流變流體的屈服應(yīng)力，與工作間隙產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。

如式(1)所示，磁流變數(shù)字閥閥芯兩側(cè)的壓力差Δp 由兩部分組成，第一部分:

Δp1與μ、Q 及磁流變數(shù)字閥的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，是磁流變黏塑性體流動(dòng)的黏滯阻尼產(chǎn)生的壓降。

第二部分:

除了與磁流變數(shù)字閥的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)外，Δp2還與τy有關(guān)。在磁流變數(shù)字閥結(jié)構(gòu)尺寸一定的條件下，改變通過(guò)線圈的電流大小，即改變工作間隙中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，磁流變流體的τy隨之改變，從而改變阻尼力的大小，產(chǎn)生新的壓降。Δp2是磁流變數(shù)字閥實(shí)現(xiàn)智能控制的關(guān)鍵。

3 磁流變數(shù)字閥特性分析

3.1 磁流變數(shù)字閥靜態(tài)特性分析

空載流量特性是磁流變數(shù)字閥的重要靜態(tài)特性之一，它基本反映了磁流變數(shù)字閥對(duì)系統(tǒng)的控制能力?？蛰d流量特性用輸入的脈沖數(shù)或脈寬占空比與輸出流量之間的關(guān)系曲線表示。設(shè)τ=TP/T為占空比，則磁流變數(shù)字閥輸出的平均流量為:

式中:Qmax為磁流變數(shù)字閥輸出的最大流量，Qmax=

在工作頻率為25、50 和100 Hz時(shí)，磁流變數(shù)字閥的空載流量與占空比的關(guān)系曲線如圖3所示?？梢钥闯?在占空比較小時(shí)受開啟時(shí)間t1的影響曲線中出現(xiàn)死區(qū)，其長(zhǎng)度大小與開啟時(shí)間t1有關(guān)，即磁流變數(shù)字閥的開啟時(shí)間t1越短，死區(qū)長(zhǎng)度越小;同樣，在占空比接近1時(shí)曲線中出現(xiàn)飽和區(qū)，其長(zhǎng)度大小與關(guān)閉時(shí)間t3有關(guān)，即磁流變數(shù)字閥的關(guān)閉時(shí)間t3越短，飽和區(qū)長(zhǎng)度越小。從而可知，磁流變數(shù)字閥可以工作在較高的頻率下。相比而言，工作頻率越低，磁流變數(shù)字閥的空載流量與占空比的關(guān)系曲線線性度越好。

圖3 磁流變數(shù)字閥的空載流量與占空比的關(guān)系曲線

利用AMESim軟件仿真分析后繪制出磁流變數(shù)字閥的空載流量特性曲線，如圖4所示?？梢钥闯?在曲線的低段和高段分別出現(xiàn)了死區(qū)、飽和區(qū)和非線性區(qū)，中間段為線性區(qū)。磁流變數(shù)字閥正是利用中間這段線性區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制[12]。

圖4 磁流變數(shù)字閥空載流量特性曲線

3.2 磁流變數(shù)字閥動(dòng)態(tài)特性分析

磁流變數(shù)字閥的動(dòng)態(tài)特性與輸入信號(hào)的控制規(guī)律密切相關(guān)[13]。圖5為磁流變數(shù)字閥在脈沖調(diào)制信號(hào)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。圖中V為施加給磁流變數(shù)字閥的脈沖調(diào)制電壓值，I為通過(guò)磁流變數(shù)字閥線圈中的電流值，p為磁流變數(shù)字閥工作壓力值。

圖5 磁流變數(shù)字閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

如圖5所示，由于電磁慣性導(dǎo)致磁流變數(shù)字閥中的鐵芯在脈沖調(diào)制電壓值的上升沿和下降沿各有一個(gè)滯后時(shí)間t1和t3，同時(shí)磁流變流體建立屈服應(yīng)力和釋放屈服應(yīng)力也各有一個(gè)滯后時(shí)間t2和t4。t1和t3是由電磁慣性決定的，可以通過(guò)補(bǔ)償或閉環(huán)控制等驅(qū)動(dòng)電路來(lái)減小。t2和t4是由磁流變流體本身特性決定的，常取0.1～1 ms。另外，因?yàn)閠2和t4是伴隨著t1和t3的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，故t1和t3是影響磁流變數(shù)字閥快速響應(yīng)的關(guān)鍵因素。由此可得，通過(guò)程序優(yōu)化控制可以提高磁流變數(shù)字閥的動(dòng)態(tài)特性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)磁流變數(shù)字閥進(jìn)行理論研究，可以得出以下結(jié)論:

(1)該磁流變數(shù)字閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將工作間隙設(shè)計(jì)在鐵芯和閥芯之間，目的使兩邊的鐵芯和閥芯在磁場(chǎng)的作用下均有磁力線通過(guò)，既保證了工作間隙兩端垂直于磁流變流體方向的磁通密度，又增加了工作間隙中間段平行于磁流變流體方向的磁通密度，提高了磁流變數(shù)字閥工作間隙內(nèi)磁流變流體的整體磁通密度，增大了阻尼力，從而提高磁流變數(shù)字閥的性能。

(2)通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的磁流變數(shù)字閥進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明:磁流變數(shù)字閥具有良好的靜動(dòng)態(tài)特性、較高的切換速度和響應(yīng)頻率，可以采用脈寬調(diào)制(PWM)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)其壓力、流量的控制。因其無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，又可在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)壓力、流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并克服傳統(tǒng)液壓閥智能化控制困難、制造精度要求較高、輸出精度低且對(duì)油液污染較敏感的缺點(diǎn)，從而提高系統(tǒng)的可靠性及智能化控制水平。

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