楊智超， 鄧 斌

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

引言

液壓換向閥在開啟和換向時往往會產(chǎn)生較大的沖擊和震蕩，這種沖擊嚴(yán)重時會使液壓管子爆裂，損壞密封裝置和液壓儀表，并會產(chǎn)生很大的噪聲，給系統(tǒng)的正常工作帶來隱患。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的危害， 而且還可能會降低液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度[1-3]。本研究從改造液壓元件的驅(qū)動方式出發(fā)，設(shè)計了一種能夠降低、調(diào)節(jié)液壓閥換向沖擊的新型閥用電磁驅(qū)動機構(gòu)。

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

1．MRD 2.隔磁銅片 3.雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu) 4.端蓋 5.缸體 6.線圈 7.活塞 8.磁流變液(MRF) 9.驅(qū)動桿 10.上端蓋 11.上線圈 12.永磁體 13.下線圈 14.動鐵心 15.機體 16.下端蓋圖1 機構(gòu)簡圖

雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的作用是在保持位或換向過程中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁線圈使閥體處于保持位或?qū)崿F(xiàn)換向，磁流變液阻尼器(MRD)的作用是換向時通過控制輸入電流的大小，來改變MRF的屈服強度，可以根據(jù)使用需求輸出可控阻尼力來調(diào)節(jié)液壓閥的換向電磁驅(qū)動力進(jìn)而降低液壓閥換向所帶來的沖擊力。該新型驅(qū)動機構(gòu)由于采用雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)實現(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，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，使該新型閥用電磁驅(qū)動機構(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所示是該機構(gòu)操作過程示意圖。

1 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的設(shè)計與仿真

1.1 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的設(shè)計

雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)采用圓柱形結(jié)構(gòu)，主要由永磁體、動鐵芯、上線圈、下線圈以及機體等組成，永磁體的作用是在由它和動鐵心、機體以及氣隙共同組成磁路里，按照磁阻最小原則產(chǎn)生一個恒定的磁場，依靠永磁體的磁力使動鐵心和驅(qū)動桿保持靜止，需要換向時，電磁線圈通電產(chǎn)生換向電磁力與永磁體的電磁力作用產(chǎn)生合力，驅(qū)動動鐵心和驅(qū)動桿完成換向[4]。

圖2 機構(gòu)操作過程示意圖

根據(jù)電磁閥工況要求，雙穩(wěn)態(tài)操動機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)如下：

永磁體產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)保持力：F0≥90 N

電磁線圈產(chǎn)生的換向力：F1≥110 N

行程：s=4 mm

為簡化分析過程，在設(shè)計計算及仿真分析過程中，假設(shè)材料均具有各向同性，忽略線圈溫升對導(dǎo)磁材料磁阻及線圈磁勢產(chǎn)生的影響，不考慮導(dǎo)磁材料的磁滯效應(yīng)，不考慮渦流損耗對永磁體性能的影響[5]。

綜合考慮永磁材料的性能特點及設(shè)計要求，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

動鐵心及機體在機構(gòu)中作為傳遞和轉(zhuǎn)換磁場能量的部件，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(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)動桿采用銅制造，其導(dǎo)磁性能較差，在設(shè)計計算中可作為非導(dǎo)磁材料處理。

由于機體的材料采用電工純鐵，因此雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)設(shè)計成圓形形狀，采用經(jīng)驗公式法計算[6-7]，機構(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

動鐵心：內(nèi)徑：8 mm，外徑：15 mm，高度：38.8 mm

機體：內(nèi)徑：59 mm，外徑：64 mm，高度：43 mm

驅(qū)動桿：直徑8 mm

線圈：內(nèi)徑：17 mm，外徑：57 mm，匝數(shù)：1000匝，換向時通入電流：1.5 A

1.2 靜態(tài)、瞬態(tài)磁場特性有限元仿真分析

液壓閥在保持位時，雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)依靠永磁體產(chǎn)生的電磁力實現(xiàn)閥體穩(wěn)定在保持位；液壓閥換向時，需要對雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的保持位相對方向的線圈通入電流，大小為1.5 A，使線圈產(chǎn)生的電磁力能夠克服永磁體的電磁力實現(xiàn)換向。結(jié)合雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的設(shè)計尺寸，利用Maxwell軟件分別對其進(jìn)行靜態(tài)(電磁線圈未通電的狀態(tài))、瞬態(tài)(電磁線圈通1.5 A的電流時的狀態(tài))磁場有限元分析。由于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)是軸對稱的，因此為了節(jié)省計算時間，在Maxwell軟件建模時采用關(guān)于z軸的軸對稱模型[8]。

雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)Maxwell電磁場有限元分析步驟：

(1) 前處理：建立關(guān)于z軸對稱的模型，配置各部件材料屬性，劃分網(wǎng)格，施加邊界條件，將驅(qū)動桿及動鐵心設(shè)置為運動部件，并為運動部件設(shè)置運動參數(shù)、添加力學(xué)載荷[9-10]，給線圈設(shè)置電流源激勵；

(2) 求解；

(3) 后處理：查看動鐵心及驅(qū)動桿運動過程中的受力變化情況。

如圖3所示仿真得到在雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的運動部件所受磁場力隨時間變化的曲線，該曲線表明動鐵心在0時，運動部件受到永磁體與電磁線圈的電磁場合力，大小為F2=22.2575 N，方向指向z軸正方向，兩力的合力驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)實現(xiàn)換向；隨著時間的增加，動鐵心及驅(qū)動桿所受磁場力不斷增大，位置也不斷增大，這表明機構(gòu)能夠連續(xù)的運動到行程末端，在換向完成即5 ms時，運動部件所受合力大小達(dá)到F3為280.9853 N，方向為z軸正方向。

圖3 瞬態(tài)磁場下雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)運動部件受力變化曲線

2 MRD的設(shè)計與仿真

2.1 各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選擇

假設(shè)雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的電磁線圈在其運動部件運動完行程全程的時間內(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)動機構(gòu)的換向末端所帶來的較大沖擊力，為了避免出現(xiàn)MRD所產(chǎn)生的阻尼力大于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的電磁驅(qū)動力，使雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)不能實現(xiàn)換向的現(xiàn)象出現(xiàn)，因此對MRD提出如下要求：

(1) 為使雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)即使受到MRD的最小阻尼力時依然能夠驅(qū)動液壓閥換向，MRD粘滯力須小于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)在0時所受的力F2，即小于22.2575 N，這是設(shè)計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圈導(dǎo)線線徑所能通過最大電流及MRF的磁飽和強度的影響，并不是無限增大的)須和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)在5 ms時所受得力大小差距不大。

由于所設(shè)計的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)最大沖擊力只有280.9853 N，且需要來回往復(fù)的換向，因此單線圈、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—— 庫侖力，N

Fη—— 粘滯力，N

L—— 阻尼通道有效長度，m

τy—— 磁流變液的屈服強度，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)永磁操動機構(gòu)的驅(qū)動桿做成一體式的，其材料選擇為銅，MRD的電磁線圈選用0.5 mm線徑的漆包線，匝數(shù)為500匝。所設(shè)計的MRD的磁流變液(MRF)采用美國LORD公司生產(chǎn)的MRF-132DG型磁流變液，該型號MRF具有響應(yīng)時間較快、屈服強度可調(diào)范圍較大、耐溫性較好以及磨蝕性較低等優(yōu)點。其基本技術(shù)指標(biāo)如下：

零場黏度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)強度-磁場強度)曲線、H-τ(磁場強度-屈服強度)曲線分別如圖4、圖5所示。

為了滿足MRD小型化、MRD結(jié)構(gòu)強度和阻尼力滿足降低雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)沖擊力的要求，對MRD的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行初始設(shè)計：阻尼缸體厚度8 mm[12]，有效阻尼通道長度12 mm，線圈匝數(shù)500匝，活塞直徑28 mm，活塞長度23 mm。

2.2 MRD電磁場仿真及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所示即為計算所得的不同阻尼通道寬度h下的粘滯力Fη曲線，由計算結(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，粘滯力大小為23.16 N，此時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，粘滯力大小為19.08 N，此時小于F2，故阻尼通道寬度的大小需滿足：1.6 mm≤h≤2 mm。

圖4 MRF-132DG型磁流變液B-H曲線

圖5 MRF-132DG型磁流變液H-τ曲線

圖6 不同阻尼間隙寬度的粘滯力曲線

然后分別對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靜磁場仿真，通過其磁場數(shù)值的大小來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是圓柱狀對稱結(jié)構(gòu)，故在Maxwell里建立關(guān)于z軸對稱的模型進(jìn)行電磁場仿真。在線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，并分別記錄通入不同電流時所產(chǎn)生的對應(yīng)的磁場強度，通過Maxwell仿真得到的不同阻尼間隙寬度h、不同電流I情況下的磁場強度H數(shù)據(jù)曲線如圖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)生的磁場強度越大，電流大于1.2 A時，MRD的磁場強度漸漸趨于飽和；

(2) 相同阻尼通道間隙的情況下，電流越大，所產(chǎn)生的磁場強度越大，且磁場強度會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

利用MATLAB的cftool工具分別對這5個不同阻尼通道間隙的I-H曲線建立5個多項式擬合曲線方程，并利用MATLAB/Simulink建立I-H數(shù)學(xué)子程序。同樣的方法對MRF-132DG型磁流變液的H-τ曲線建立多項式擬合方程，然后通過MATLAB/Simulink軟件建立I-H、H-τ的模塊子程序，由于MRF的屈服強度隨磁場強度的增大而增大，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，將這兩個子程序集成到用同樣方法建立的MRD的阻尼力公式(見式(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應(yīng)的阻尼力大小。

由Simulink計算結(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，阻尼間隙寬度分別等于1.6，1.7，1.8，1.9，2 mm時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)永磁操動機構(gòu)的末端沖擊力為280.9853 N，當(dāng)阻尼間隙寬度為1.6 mm時MRD的最大阻尼力與雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(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)永磁操動機構(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(I-F曲線)如圖8所示。

圖8 MRD的I-F曲線

3 結(jié)論

(1) 設(shè)計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)動機構(gòu)，雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)和MRD串聯(lián)連接，為了防止雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)產(chǎn)生的磁場對MRD中MRF的影響，連接部分須加隔磁銅片；

(2) 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的作用是驅(qū)動閥芯實現(xiàn)換向和保持位。設(shè)計時首先根據(jù)所需要的永磁保持力及電磁換向驅(qū)動力的大小設(shè)計出雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)，通過Maxwell軟件首先對雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)電磁場仿真，得到其換向過程中所受的最小及最大的電磁驅(qū)動力，以此作為設(shè)計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)永磁操動機構(gòu)的換向所帶來的沖擊力，在設(shè)計時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)永磁操動機構(gòu)的沖擊力，其粘滯力須小于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的換向剛開始時的電磁驅(qū)動力，其最大阻尼力須和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的換向剛剛完成時的電磁驅(qū)動力相差不大，這樣才能實現(xiàn)通過MRD調(diào)節(jié)雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的沖擊力的目的，經(jīng)過仿真分析，MRD的阻尼間隙寬度為1.6 mm時，所設(shè)計的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。