磁流變閥結構優化設計及性能分析研究現狀

胡國良，李海燕，喻理梵，黃敏，龍銘

(華東交通大學機電工程學院，江西南昌330013)

磁流變液是智能材料的一種，是將在磁場作用下可極化的微小固體磁性顆粒均勻分散在基液中而形成的懸浮液，其流變特性隨外加磁場的變化而變化。磁流變液在不受磁場作用時，呈現牛頓流體狀態，可以自由流動;在外加磁場作用下，其結構和性能將會發生奇特的變化，即在瞬間(ms 級)可由流動狀態良好的液態轉變成類固態，它的黏度將會在極短時間內增大幾個數量級，呈現出Bingham 黏塑性流體，并表現出一定的抗剪切屈服應力，且隨外加磁場強度的增加而增加;在撤去磁場后，磁流變液又由固態轉變成液態，且這種轉變是連續、可逆、可控［1－2］。

磁流變閥是以磁流變液的磁流變效應為控制原理設計的一種液壓控制元件。通過改變外加磁場強度的大小來調節磁流變閥的控制壓力、流量及液流的流動方向，實現磁流變閥的智能控制。可以滿足對液壓系統和液壓元件的智能化、低能耗、高效率、高可靠性、環保的要求［3］。

磁流變閥是一種無移動元件的壓力控制閥，它不僅結構簡單、運動可靠，而且控制方便、響應速度快，可以有效地改善液壓執行器的性能，因而近年來在國內外得到了廣泛的研究和關注［4－6］。文中主要從磁流變閥的結構優化設計及性能分析這兩方面進行闡述，同時簡單介紹課題組關于磁流變閥的最新研究進展，并對磁流變閥在液壓傳動領域的基礎應用進行分析。

1 磁流變閥工作原理介紹

如圖1所示，典型的磁流變閥主要由激勵線圈、閥芯、閥體及端蓋等元件構成。當給磁流變閥內的線圈通電時，由于電磁感應原理，會在閥芯和閥體之間形成的圓環式阻尼間隙內產生磁場，磁場的方向與磁流變液流動的方向垂直［7］。當磁流變液流經磁流變閥阻尼間隙時，在磁場作用下迅速變為半固態，形成沿磁場方向排列的鏈狀體，磁流變液黏度迅速增加且隨外加磁感應強度的增加而增加。磁流變液流過阻尼間隙，就必須克服這種鏈狀排列的分子間的力，導致磁流變液流經閥的阻力及閥入口的壓力增加，因而可減慢或阻止液體的流動。

圖1 磁流變閥工作原理簡圖

2 磁流變閥結構設計

關于磁流變閥的結構設計，根據激勵線圈個數的不同，目前大致可分為單線圈磁流變閥、雙線圈磁流變閥和三線圈磁流變閥這3 種。根據磁流變液液流通道，即阻尼間隙來劃分，有圓環式阻尼間隙磁流變閥、圓盤式阻尼間隙磁流變閥以及混合式磁流變閥等。

2.1 不同激勵線圈的磁流變閥

圖2所示是一種單線圈圓環阻尼間隙磁流變閥原理圖，包括缸筒、閥芯、勵磁線圈和端蓋等零件。閥芯上繞有勵磁線圈，由缸筒、閥芯和缸筒之間形成的液流阻力通道構成外磁路，閥芯構成內磁路［8］。

圖2 單線圈圓環阻尼間隙磁流變閥

圖3所示為課題組設計的雙線圈圓環阻尼間隙磁流變閥，主要包括缸筒、閥芯、勵磁線圈、閥端蓋、定位塊、導向塊等零件。

圖3 雙線圈圓環阻尼間隙磁流變閥

閥芯繞有勵磁線圈，由端蓋、閥芯和缸筒之間的液流阻力通道構成外磁路，閥芯構成內磁路。勵磁線圈的引出線通過一邊閥端蓋的小孔引出，閥端蓋有與磁流變液壓回路中的管接頭連接的螺紋孔。該控制閥閥芯的兩端與閥端蓋之間設置定位塊作為精密定位裝置，定位塊上有均勻分布的導流孔，定位塊與缸筒之間采用精密定位的過渡配合，定位塊與閥芯通過定位銷連接，以保證閥芯與缸筒之間間隙(即液流阻尼通道)具有均勻的徑向尺寸，更充分地發揮磁場對磁流變液的作用［9－10］。

由圖4 磁力線分布可看出，雙線圈磁流變閥磁路結構中的磁力線絕大多數通過其阻尼間隙，只存在極少量的漏磁，磁力線的分布與理想的磁力線分布一致，符合設計要求。

圖4 磁力線分布

與單線圈相比，當給雙線圈磁流變閥各線圈施加不同大小的電流時，還可以實現多級調速。圖5所示為施加不同電流大小的雙線圈磁感應強度分布曲線，其中左側線圈施加1 A 電流，右側線圈施加1.5 A 電流。

圖5 施加不同電流大小時的磁感應強度曲線

圖6所示為課題組設計的三線圈圓環阻尼間隙磁流變閥，與圖2 相比，該磁流變閥的激勵線圈有3個，調壓范圍更寬，可形成4 級調壓，非常適合壓力調節范圍更寬的液壓伺服控制系統。

圖6 三線圈圓環阻尼間隙磁流變閥

2.2 不同阻尼間隙的磁流變閥

圖2、圖3 和圖6所示的磁流變閥阻尼間隙均為圓環式的，這也是磁流變閥的典型阻尼間隙。除此之外，重慶大學的王代華及艾紅霞提出了一種如圖7所示的同時采用圓環和圓盤式液流阻尼間隙的磁流變閥。通過采用圓環和圓盤兩種形式的液流阻尼通道，可有效增大液流阻尼通道的剪切面積，從而增大液流阻尼力。但由于采用兩種阻尼間隙，會引起磁壓降的迅速下降，因此為了保證阻尼間隙內的磁感應強度，必須使電流達到一定的值［11－13］。

圖7 圓環圓盤阻尼間隙磁流變閥

黑龍江科技學院的趙燦等人提出了一種非直線液流通道的單線圈磁流變閥［14］。如圖8所示，在定位盤上設置有一組同心圓環形凸起，導磁盤的端面上設置與圓環形凸起對應的圓環形凹槽，形成徑向非直線液流通道。磁流變流體沿液流通道非直線流動，加長了電磁流變流體流動的路徑長度，提高磁力線的利用率，在磁隙大小不變條件下，提高同等電流強度下電磁流變流體的可控流體壓差的大小，達到節能和減小磁流變閥等尺寸的目的。

圖8 一種非直線液流通道的磁流變閥

內華達大學的SAHIN 提出了如圖9所示的一種徑向流動的圓盤阻尼間隙磁流變閥，包括兩個固定磁盤、閥芯和勵磁線圈等。電磁線圈纏繞在該線軸上，磁流變液在兩個固定磁盤徑向間隙之間流動，磁流變液的流動方向與勵磁線圈產生的磁場方向垂直。實驗結果表明:這種圓盤式磁流變閥的響應時間比圓環型磁流變閥響應時間快［15］。

圖9 徑向流動兩級圓盤阻尼間隙磁流變閥

2.3 阻尼間隙可調式磁流變閥

課題組除了設計出兩線圈和三線圈型磁流變閥外，還提出了一種阻尼間隙機械可調式雙線圈磁流變閥。如圖10所示，該磁流變閥的閥芯及繞線架均采用錐形面結構，通過機械轉動閥芯，可使閥芯與繞線架之間形成的間隙距離可調。另外，繞線架上纏繞兩組線圈，可形成3 個阻尼間隙。當向線圈分別輸入一定方向及大小的電流時，會在閥芯與閥體組成的3 個阻尼間隙內產生磁場，磁場的方向與磁流變液流動的方向基本垂直。當磁流變液流入磁流變閥的阻尼間隙時，在磁場作用下迅速變為半固態，磁流變液的黏度隨磁場強度的增加而迅速增加，導致阻尼間隙兩端的壓力差增大。磁流變液經過3 個阻尼間隙時，磁流變閥進出口會有較大的壓力差。通過控制閥芯的工作位置及兩個線圈輸入電流的大小和方向，可實時控制磁流變閥進出口壓力差，并具有較寬的壓力調節范圍。

圖10 阻尼間隙機械可調式雙線圈磁流變閥

2.4 磁流變閥優化分析

為了提高磁流變閥的工作性能，國內外學者針對上述幾種典型的磁流變閥，對閥的結構尺寸及壓降特性進行了優化分析。

韓國仁荷大學的NGUYEN 采用ANSYS 有限元分析方法對4 種類型的磁流變閥(單線圈圓環型、雙線圈圓環型、三線圈圓環型及圓環和圓盤型)的結構參數進行了優化設計，根據黃金部分算法和二次方技術建構模型。由減小磁流變閥的黏性壓降與屈服壓降的比值做為優化的目標函數，繞線架寬度、法蘭盤厚度、阻尼間隙作為設計變量，仿真結果表明:當4種類型的閥體積均限制在一個圓柱體內時，雙線圈圓環型磁流變閥的長徑比的值最好，而同時具有圓環型和圓盤型結構的磁流變閥壓差最大［16－18］。昆明理工大學的王京濤采用ANSYS 有限元分析方法對如圖11所示的磁流變閥3 種結構模型進行了磁場仿真分析，研究了磁流變閥的結構與磁流變流體的磁感應強度和磁流變閥性能的關系。分析結果表明:根據磁力線分布和磁感應強度大小合理設計磁流變閥結構，可使磁流變流體在相同外加電流條件下獲得更高磁感應強度，提高磁流變閥的性能［19－20］。

圖11 磁流變閥結構模型

課題組對3 種不同結構類型的雙線圈磁流變閥阻尼間隙處磁感應強度進行了仿真分析，由表1 可知:相同激勵電流的作用下，內側圓環阻尼間隙的磁感應強度大于外側圓環阻尼間隙和環形圓環阻尼間隙的磁感應強度;當激勵電流小于0.7 A 時，外側圓環阻尼間隙的磁感應強度大于環形圓環阻尼間隙的磁感應強度，當激勵電流大于0.7 A 時則相反。

表1 不同結構類型磁流變閥的磁感應強度與電流的關系

3 磁流變閥性能分析

磁流變閥性能研究方面，主要是通過結構優化、仿真和實驗分析來改善磁流變閥的動態和靜態特性，提高閥的壓差及其通流能力。

愛爾蘭都柏林城市大學的Grunwald 對圖12所示的圓環式磁流變閥進行了結構設計、仿真和實驗分析研究［21］。結果表明所設計的磁流變閥通入電流4.5 A時可控壓降為1.5 MPa;另外，該閥響應速度非常快，閥進出口壓力從1.0 MPa 降到0.25 MPa 的時間小于150 ms，閥進出口壓力從1.7 MPa 降到0.25 MPa 的時間大約200 ms。

圖12 磁流變閥結構模型

內華達大學的AYDAR 提出了一種如圖13所示的由永久磁鐵和電磁鐵組成的徑向流動的圓盤式磁流變閥，并把該閥安裝在阻尼器上［22］。通過控制系統中磁流變閥磁場來實現對阻尼器的雙向控制，當電磁鐵和永磁鐵產生的磁場方向相同時，其阻尼力可增大一倍。

圖13 磁流變閥結構

同時，內華達大學的SAHIN 對該圓盤式磁流變閥和常規圓環式磁流變閥的響應時間作了具體對比分析［23］。實驗結果表明:圓盤式磁流變閥的響應時間比圓環式磁流變閥響應時間快。啟動時，圓環式磁流變閥響應時間為12.5 ～22 ms，圓盤式為1.4 ～5.8 ms;關斷時，圓環式磁流變閥響應時間為7.7 ～14.2 ms，圓盤式為2 ～8.3 ms。

美國馬里蘭大學的YOO 提出了一種高效率的磁流變閥，閥芯直徑小于25 mm，間隙小于1 mm，響應頻率可達100 Hz，最大效率可達90%以上［24］;同時，YOO 還設計出磁流變閥控缸液壓系統，并對系統特性作了進一步測試和分析［25］。西班牙的LEICHT對磁流變閥進行了理論和實驗分析，比較了賓漢模型、改進賓漢模型以及Lord 模型3 種模式下磁流變閥的動態特性［26］。新加坡南洋理工大學的LI 對磁流變閥進行了有限元仿真分析，探討了磁流變閥繞線軸直徑、閥芯長度以及阻尼間隙厚度對磁場強度大小的影響，仿真結果表明磁流變閥的最大壓降可達1.9 MPa［27］。

4 磁流變閥在液壓傳動中的應用基礎研究

利用磁流變液的磁流變效應開發的各種磁流變閥性能優于傳統的液壓閥，從而可為液壓傳動與控制技術開辟新的研究方向。磁流變閥在液壓傳動中的應用主要有磁流變比例閥、磁流變溢流閥及磁流變伺服閥等。

如圖14所示，KORDONSKY 提出一種液壓缸活塞運動控制方案，當對角的兩磁流變閥的線圈通電流時，閥的阻力增加，大大地高于另外一組對角無電流作用的磁流變閥。在齒輪泵的驅動下，磁流變液在無電流作用的磁流變閥中流動，導致磁流變液活塞缸上下腔產生壓力差，活塞和活塞桿一起移動。切換兩對角磁流變閥的通電狀態，可以改變活塞和活塞桿的移動方向和位移的大小，達到定位和驅動的目的［28］。

昆明理工大學王京濤提出了一種如圖15所示的基于磁流變液的先導式溢流閥，主要由主閥和磁流變先導閥兩大部分組成［29］。

圖14 磁流變比例閥原理簡圖

圖15 磁流變先導式溢流閥結構原理圖

工作時，磁流變先導閥線圈通電，在鐵芯間的工作間隙產生磁場，進出磁流變先導閥的壓力差增加。當系統壓力低于磁流變先導閥調定壓力時，主閥芯關閉，磁流變液無法實現溢流。當系統工作壓力高于先導閥調定壓力時，由于主閥內阻尼器的作用使先導磁流變閥前腔壓力低于主閥上腔壓力，主閥上腔的磁流變液經阻尼孔流向磁流變先導閥前腔，主閥上腔壓力降低，主閥芯在壓力差的作用下被開啟，使磁流變液通過閥口實現溢流，從而保證系統工作的穩定性。

杭州電子科技大學金方銀提出了一種新型磁流變伺服閥，如圖16所示，在系統中利用兩對電磁線圈對流體施加磁場作用，改變磁流變流體的形態，形成兩個液壓半橋，通過控制磁流變液的黏度，來得到不同半橋輸出壓力，此壓力即可作為液壓伺服閥的驅動力。閥芯在兩端壓力差的作用下將左右移動打開閥芯節流口，得到期望的流量［30］。

圖16 磁流變液壓伺服閥結構原理圖

芬蘭阿爾托大學的KOSTAMO 研究了磁流變閥在液壓系統中的伺服特性，并搭建了如圖17所示的試驗臺進行測試，結果表明磁流變閥伺服系統頻率響應特性非常高，在－3 dB 時頻率可達445 Hz［31］。

圖17 磁流變閥伺服性能測試臺

黑龍江科技學院萬遂、劉丹丹等將磁流變閥運用到采煤機恒功率控制上面，將基于磁流變閥的觸覺力反饋裝置引入到采煤機牽引速度的控制過程中，有效地調整采煤機輸出功率，提高了采煤機的工作穩定性，節省采煤能源，降低采煤成本［32－33］。

5 結束語

從結構優化設計和性能分析兩大方面對磁流變閥的國內外研究現狀進行了闡述。結構優化設計方面主要針對勵磁線圈個數的不同、阻尼間隙的結構以及厚度進行分類，并對磁流變閥結構特點進行了詳細說明和對比分析;性能方面主要是從壓降、響應時間等方面進行分析。最后對磁流變閥在液壓傳動中的應用基礎研究進行了總結，為磁流變閥在液壓系統中的廣泛應用指明了方向。

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