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(昆明理工大學(xué) 機電工程學(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。磁流變閥是通過激勵磁場來控制閥內(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

本研究對磁流變先導(dǎo)式溢流閥的導(dǎo)閥(簡稱磁流變先導(dǎo)閥)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能研究，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)化磁場結(jié)構(gòu)，提高磁流變先導(dǎo)閥內(nèi)的磁場利用率，以提高磁流變先導(dǎo)閥的調(diào)壓特性，進而提高磁流變先導(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

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作用下的流變性。當(dāng)線圈中無電流通過時，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，線圈激勵出的磁場由導(dǎo)磁閥芯引導(dǎo)通過阻尼間隙，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

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)閥的閥芯閥體對外部磁場的變化反應(yīng)敏銳，磁流變液可在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生磁流變效應(yīng)。

本研究設(shè)計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，阻尼間隙處磁感應(yīng)強度在0.52～0.77 T。由于磁流變液在磁感應(yīng)強度為0.5 T時趨于飽和黏度，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)閥的磁場仿真

由結(jié)構(gòu)設(shè)計得，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對磁流變先導(dǎo)閥分別在單線圈工況和雙線圈工況下，進行電磁場仿真。

2.1 單線圈工作電磁場仿真

單線圈工作時，電磁場仿真分析后得出磁感線分布圖及工作間隙處達到磁流變液飽和黏度時的磁密度云圖，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 雙線圈工作電磁場仿真

雙線圈工作時，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到磁流變液飽和黏度的磁密度云圖，如圖6～圖7所示。

通過電磁場仿真，發(fā)現(xiàn)雙線圈反向通電時，定位導(dǎo)流環(huán)中間部位的磁感應(yīng)強度在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強度加強。因此，選擇在雙線圈反向通電時，對磁流體先導(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，采用標準k-ε模型方程進行分析[15-18]。

3.2 磁流變先導(dǎo)閥流場三維建模

建立流場三維模型如圖8所示，進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)部流場靜態(tài)壓力分布云圖、流場液流速度矢量圖，如圖10～圖11所示。

圖10 靜態(tài)壓力場分布云圖

仿真結(jié)果知，液壓油在進、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、出油口及中間的圓環(huán)形阻尼間隙處磁流變液流速達到最大值。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

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)式溢流閥上進行壓力特性測試。建立磁流變先導(dǎo)式溢流閥調(diào)壓特性實驗系統(tǒng)如圖12所示，搭建了如圖13所示的實驗臺。在單線圈通電和雙線圈通電兩種工作狀況下測試，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實驗結(jié)果的影響，反復(fù)試驗兩次并求平均值。

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)壓范圍實驗原理圖

通過試驗測試出磁流變先導(dǎo)式溢流閥在不同激勵電流條件下的調(diào)節(jié)壓力，計算出磁流變先導(dǎo)閥壓力，記錄三次試驗結(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)壓范圍實驗臺

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

通過試驗結(jié)果可以得出磁流變先導(dǎo)式溢流閥在只有一個激勵線圈加載電流的情況下，調(diào)壓范圍為0.35～1.45 MPa；在2個激勵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)式溢流閥動態(tài)特性分析

對磁流變先導(dǎo)式溢流閥動態(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)時的進口壓力響應(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)壓力對磁流變先導(dǎo)式溢流閥的階躍壓力響應(yīng)曲線會產(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)時間、過度過程時間見表2。

圖16 不同系統(tǒng)壓力時的階躍壓力響應(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，磁流變先導(dǎo)式溢流閥的進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)時間及過渡過程時間都隨著系統(tǒng)壓力的增大而增加。磁流變先導(dǎo)式溢流閥的響應(yīng)時間范圍為0.42～0.5 ms，過渡過程時間范圍為1.35～1.50 ms，對照參考文獻[10]中的磁流變先導(dǎo)式溢流閥的動態(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時磁流變先導(dǎo)閥內(nèi)的磁場情況，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，在單線圈通電，雙線圈同向通電和雙線圈反向通電條件下，進行磁場仿真分析。確定雙線圈反向通電時，中部磁流體有隔磁效果；

(3) 利用Fluent模塊對所設(shè)計的磁流變先導(dǎo)閥內(nèi)部流場進行分析。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到最大；

(4) 通過磁流變先導(dǎo)式溢流閥壓力特性試驗。在單激勵線圈通電、雙激勵線圈反向通電時，測得磁流變先導(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，最后達到最大調(diào)定壓力；

(5) 通過對磁流變先導(dǎo)式溢流閥的動態(tài)特性仿真，得出雙線圈磁流變先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計有利于提高磁流變先導(dǎo)式溢流閥的響應(yīng)速度。