楊瑜君， 吳張永， 蔣佳駿， 朱啟晨， 莫子勇， 呂 飛

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 云南 昆明 650500； 2.云南興長江實(shí)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(yùn)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(yùn)動方向[1-2]。動態(tài)響應(yīng)速度是換向閥重要性能指標(biāo)，現(xiàn)有換向閥多為電磁換向閥，受比例電磁鐵響應(yīng)頻率限制及彈簧疲勞失效等因素影響，導(dǎo)致?lián)Q向閥響應(yīng)速度較慢，嚴(yán)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(yīng)速度， 改善換向閥動態(tài)性能，一直以來都是相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者們研究的重點(diǎn)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(yīng)時間可達(dá)毫秒級。磁流變閥是一種以磁流體作為工作介質(zhì)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(qū)動電磁線圈控制磁流體，因此響應(yīng)迅速且易于控制。

大量學(xué)者對磁流變閥結(jié)構(gòu)及換向閥響應(yīng)速度進(jìn)行了深入研究。胡國良等[3]設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)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(jìn)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(yīng)不同工況對壓降的要求；劉向陽等[5]設(shè)計(jì)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(yīng)時間，探討了閥芯不同位置機(jī)能下?lián)Q向閥響應(yīng)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(yīng)數(shù)學(xué)模型，分析不同因素對閥芯位移的影響。本研究設(shè)計(jì)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(xué)模型，測試分析換向閥動態(tài)響應(yīng)性能。

1 導(dǎo)磁型磁流變換向閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 導(dǎo)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(yīng)，磁流體在磁場作用下從自由流動的牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢羟星?qiáng)度、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(zhuǎn)換過程中，磁流體黏度發(fā)生改變，導(dǎo)致流動速度分布與屈服應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而改變磁流變閥進(jìn)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(fù)合間隙，不同間隙類型代表該磁流變閥產(chǎn)生磁流變效應(yīng)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(yīng)，但軸向流道中磁流體運(yùn)動方向與磁力線趨于平行，磁流變效應(yīng)微弱，軸向柱形流道部分未得到有效利用。

1) 結(jié)構(gòu)

導(dǎo)磁型磁流變閥作為磁流變換向閥導(dǎo)閥的關(guān)鍵部分[8-9]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。閥體主要由端蓋、密封圈、導(dǎo)磁環(huán)、線圈架與線圈組成。閥芯由鋅鎳鐵氧體導(dǎo)磁盤、超坡莫合金導(dǎo)磁盤以及不銹鋼導(dǎo)磁盤組成；液流通道由閥體與閥芯定位凸臺預(yù)留間隙構(gòu)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(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率遠(yuǎn)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(dǎo)率影響，部分磁力線會被引導(dǎo)穿過軸向柱形間隙，并發(fā)生磁流變效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)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(jìn)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(dǎo)磁環(huán) 3.線圈架 4.線圈 5.密封圈 6.不銹鋼導(dǎo)磁環(huán) 7.超坡莫合金導(dǎo)磁環(huán) 8.鋅鎳鐵氧體導(dǎo)磁環(huán)圖2 導(dǎo)磁型磁流變閥結(jié)構(gòu)

2) 數(shù)學(xué)模型

導(dǎo)磁型磁流變閥作為磁流變換向閥導(dǎo)閥關(guān)鍵部分，其性能決定了換向閥瞬態(tài)響應(yīng)等一系列重要參數(shù)。導(dǎo)磁型磁流變閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以壓降數(shù)學(xué)模型為主導(dǎo)，電磁響應(yīng)特性和能耗性能為優(yōu)化約束條件。導(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)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(gòu)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(dǎo)磁環(huán)厚度

τa—— 軸向液流通道剪切屈服應(yīng)力

H2—— 超坡莫合金導(dǎo)磁環(huán)厚度

H3—— 不銹鋼導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)力

根據(jù)式(1)、式(4)、式(5)可知，導(dǎo)磁型磁流變閥總壓降為：

Δp=Δpt+Δpa+2Δpr

(6)

1.2 導(dǎo)磁型磁流變換向閥

導(dǎo)磁型磁流變換向閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于惠斯通電橋原理，其工作原理及結(jié)構(gòu)原理如圖3、圖4所示，由磁流變先導(dǎo)閥與液動換向閥構(gòu)成。先導(dǎo)級磁流變閥由4個相同的導(dǎo)磁型磁流變閥組成，閥體內(nèi)部設(shè)有圓形橫截面流道;4個導(dǎo)磁型磁流變閥分別構(gòu)成液阻R1,R2,R3,R4， 4個液阻組成全橋液阻網(wǎng)絡(luò)，通過電流調(diào)節(jié)控制液阻大小，從而實(shí)現(xiàn)對液動換向閥運(yùn)動方向和速度的控制;工作時磁流變液由壓力口p分別進(jìn)入液阻Rc,Rs形成壓力磁流變先導(dǎo)閥控制壓力pc和液動換向閥進(jìn)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(shí)現(xiàn)對液動換向閥方向和速度的控制，當(dāng)pCApCB時，閥芯向右移動。

圖3 導(dǎo)磁型磁流變換向閥液阻工作原理

圖4 導(dǎo)磁型磁流變換向閥結(jié)構(gòu)

2 導(dǎo)磁型磁流變換向閥動態(tài)數(shù)學(xué)模型

對導(dǎo)磁型磁流變換向閥進(jìn)行動態(tài)特性分析時，首先需對磁流變先導(dǎo)閥動態(tài)特性進(jìn)行分析。先導(dǎo)級磁流變閥控制系統(tǒng)中，輸入為導(dǎo)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(dǎo)閥輸出，輸出為閥芯所產(chǎn)生位移；導(dǎo)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(dǎo)磁型磁流變換向閥流量-壓力關(guān)系為：

(7)

式中,qy—— 對應(yīng)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(yīng)半橋磁流變閥所產(chǎn)生液阻

磁流變導(dǎo)閥內(nèi)部為4個完全相同的導(dǎo)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(zhì)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(guān)系成正比，可看作系統(tǒng)阻尼。閥芯兩側(cè)彈簧為對稱布置，對閥芯建立動力學(xué)平衡方程為：

(11)

式中，Dx—— 閥芯橫截面直徑

ms—— 閥芯質(zhì)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(jìn)出閥腔時所流經(jīng)軸向長度，mm

L2—— T-A段油液進(jìn)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(dǎo)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(fù)雜性，作以下假設(shè)：

(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(shè)使閥芯受的彈性力和阻尼力進(jìn)一步簡化，同時輸入電流I與總壓降Δpτ的關(guān)系曲線采用數(shù)據(jù)擬合成三階多項(xiàng)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(jìn)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(jié)果如圖7所示。當(dāng)2個半橋控制電流差值逐漸增大時，閥芯移動距離也相應(yīng)增大，同時系統(tǒng)超調(diào)量也逐漸增大，閥芯達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需調(diào)整時間也相應(yīng)增加。當(dāng)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(yīng)增大，同時系統(tǒng)超調(diào)量也逐漸增大。在閥芯設(shè)定允許移動范圍0～5 mm內(nèi)，閥芯運(yùn)動狀態(tài)達(dá)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(yīng)調(diào)整時間20～25 ms，有較大提升。

圖6 導(dǎo)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(jié)果

4 響應(yīng)特性試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)平臺搭建

為對比分析導(dǎo)磁型磁流變換向閥動態(tài)響應(yīng)仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)對換向閥進(jìn)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(yàn)平臺。對磁流變閥進(jìn)行測試時，需將電磁換向閥更換成導(dǎo)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(dǎo)磁型磁流換向閥實(shí)物圖，圖10b為導(dǎo)磁型磁流變換向閥導(dǎo)閥實(shí)物圖。

4.2 導(dǎo)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(jì) 6.單向節(jié)流閥 7.蓄能器 8.截止閥 9.溫度計(jì) 10.單向閥 11.過濾器圖8 導(dǎo)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(dǎo)磁型磁流變換向閥實(shí)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(yīng)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(yīng)[16-17]。

為驗(yàn)證對比4WE 6E-61/CG24N9Z5L電磁換向閥與導(dǎo)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(dǎo)磁型磁流變換向閥進(jìn)行測試。由仿真結(jié)果可知，導(dǎo)磁型磁流變換向閥在輸入電流組合為(30,28)時響應(yīng)調(diào)整時間最快。首先對電磁換向閥與導(dǎo)磁型磁流變換向閥輸入1 MPa壓力進(jìn)行測試，測試結(jié)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(jié)果。

圖11 1 MPa工況下?lián)Q向閥壓力階躍響應(yīng)曲線

圖12 2 MPa工況下?lián)Q向閥壓力階躍響應(yīng)曲線

測試結(jié)果表明：導(dǎo)磁型磁流變閥階躍響應(yīng)時間為10～20 ms，電磁換向閥的階躍響應(yīng)時間為20～30 ms，基本符合一般電磁換向閥的階躍響應(yīng)時間，本次試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果，導(dǎo)磁型磁流變換向閥的響應(yīng)速度高于電磁換向閥。

5 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)一種基于磁流體磁流變特性以及惠斯通電橋原理的導(dǎo)磁型磁流變換向閥;

(2) 建立導(dǎo)磁型磁流變換向閥動態(tài)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，利用Simulink對導(dǎo)磁型磁流變閥進(jìn)行動態(tài)仿真，結(jié)果表明，當(dāng)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?dāng)U大，閥芯達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的調(diào)整時間也變大;

(3) 建立試驗(yàn)平臺對磁換向閥與導(dǎo)磁型磁流變換向閥進(jìn)行測試，結(jié)果表明，導(dǎo)磁型磁流變換向閥動態(tài)響應(yīng)時間為10～15 ms，較相同通徑電磁換向閥響應(yīng)速度有提高。