多級調壓型磁流變閥結構優(yōu)化設計

胡國良，黃敏，喻理梵，龍銘

(華東交通大學機電工程學院，江西南昌330013)

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智能控制元件。傳統(tǒng)磁流變閥閥芯和閥體形成磁流變液流經通道，通過改變外加電流的大小來改變液流通道內的磁場強度，進而改變通道內的磁流變液的黏度，形成不同的壓力差。由于磁流變閥采用電信號控制，無相對移動部件，不僅結構簡單、運動可靠，而且控制方便、響應速度快，可以滿足對液壓系統(tǒng)和液壓元件的智能化、低能耗、高效率、高可靠性和環(huán)保的要求［1－3］。

影響磁流變閥性能的因素是多方面的，包括結構、阻尼間隙尺寸、繞線線圈數(shù)量及加載電流大小等［4－6］。重慶大學的艾紅霞［7］提出了一種同時具有圓環(huán)形和圓盤形阻尼間隙的磁流變閥，并對其進行了電磁場仿真分析。昆明理工大學的王京濤［8］提出了一種基于磁流變液的先導式溢流閥，采用ANSYS進行了磁場分析，并對溢流閥的靜態(tài)和動態(tài)特性進行了仿真分析。杭州電子科技大學的金方銀［9］對磁流變液壓伺服閥驅動機制展開了實驗研究，分析了壓力控制系統(tǒng)中控制電流、液壓半橋輸出壓力以及系統(tǒng)流量之間的相互關系，為高頻響大流量的磁流變液壓伺服閥的先導級的研究奠定了實驗基礎。馬來西亞的SALLOOM［10］設計了一種磁流變液三位四通方向控制閥，仿真和實驗結果表明該閥能有效地控制液壓缸的運動方向和運動速度。

目前，國內外對磁流變閥的研究大多數(shù)是局限于磁流變閥的潛在工業(yè)應用上，或者探討磁流變閥的最佳工作點，即電流與電路的飽和關系。為了提高磁流變阻尼器的壓差可控范圍，提出一種由三組電磁線圈組成的多級調壓型磁流變閥，并以該磁流變閥的閥比為優(yōu)化目標，優(yōu)化出磁流變閥的最佳結構尺寸，充分發(fā)揮磁流變閥的可控性能。

1 多級調壓型磁流變閥結構設計

圖1所示為多級調壓型磁流變閥的結構圖，主要包括端蓋、定位塊、導流塊、閥芯、閥體和螺釘?shù)戎饕考ｉy芯上繞有三組磁勵線圈，線圈的引線由兩端端蓋上的小孔引出;閥體和閥芯之間的阻尼間隙是通過定位塊的徑向定位而形成的，定位塊與閥體過渡配合，且定位塊上均勻分布導流孔，磁流變液通過導流孔進入阻尼間隙。

圖1 多級調壓型磁流變閥結構簡圖

多級調壓型磁流變閥的工作原理圖如圖2所示，當向三組線圈分別輸入一定方向及大小的電流時，由于電磁效應使得阻尼間隙內產生磁場。在外加磁場作用下，磁流變液在毫秒級時間內可由流動狀態(tài)良好的液態(tài)轉變成類固態(tài)，呈現(xiàn)出黏塑性流體，并表現(xiàn)出一定的抗剪切屈服應力，且隨外加磁場強度的增大而增大，直至磁流變液達到飽和狀態(tài)，從而在磁流變閥的進出口處產生壓力差。通過調節(jié)3個勵磁線圈中電流大小以及方向，可實現(xiàn)對4個阻尼間隙內壓差的實時控制，形成多級調壓。進而達到控制磁流變閥進出口壓力差的目的。

圖2 多級調壓型磁流變閥工作原理示意圖

相對于單線圈和雙線圈磁流變閥來說，多級調壓型磁流變閥調壓級數(shù)大、閥比小、壓差可調范圍大。

2 多級調壓型磁流變閥建模仿真分析

磁流變閥中產生和改變磁場的關鍵為阻尼間隙內的磁路分布，利用ANSYS有限元仿真軟件對多級調壓型磁流變閥的電磁場進行數(shù)值模擬，研究閥體磁路內部的分布，從而為閥進出口壓降特性分析提供參考。

圖3所示為多級調壓型磁流變閥的仿真模型簡圖，由于該閥的結構和磁路是軸對稱的，所以只建立1/2的模型進行分析。仿真時選擇2D單元，單元類型為Magnetic vector中的Quad 8 node 53，并在單元實常數(shù)中的Element behavior選項選擇Axisymmetric(軸對稱單元)。

圖3 多級調壓型磁流變閥仿真模型簡圖

模型結構尺寸中，閥芯長度初始值H=72 mm;線圈槽深S=10 mm;槽寬K=16 mm;線圈槽到閥芯斷面的距離A=(H－3×K)/6=4 mm;閥芯半徑R1=20 mm;阻尼間隙D=0.5 mm;套筒厚度T=10;線圈匝數(shù)N=(S×K)/0.25;通電強度I=2 A;線圈槽的面積定義為ACOIL=S×K;電流密度定義為Idens=N×I/Acoll。

閥芯和閥體選用10號鋼導磁材料，其導磁率由10號鋼的B－H曲線定義;勵磁線圈材料選用直徑為0.5 mm的銅導線，其相對導磁率為μ=1;阻尼間隙區(qū)充滿磁流變液，其導磁率由型號為美國LORD公司生產MRF-132DG磁流變液的B－H曲線定義;磁流變閥其它部分均采用不導磁材料。

在靜態(tài)磁場分析中，根據(jù)磁場的磁通連續(xù)性定理，近似認為外界無磁通通過，定義磁力線與邊界平行。圖4為磁感應強度分布圖，圖5為磁感應強度沿圖3所示的固定路徑的X方向的大小分布圖，固定路徑起始點位為(R1+D/2，0)，終點為(R1+D/2，A)。

磁流變閥的結構設計原則是在額定電流范圍內磁流變液可以達到飽和，也就是可以使磁流變液完全凝固，而且要盡量使黏性壓力損失Δpη及與磁場有關的壓力損失Δpτ之比盡量小。由圖5可知，當對由初始值確定的磁流變閥模型進行仿真得出的最大磁感應強度為0.81 T，而MRF-132DG型號的磁流變液達到飽和起碼要達到0.9 T［6］，所以此初始尺寸的多級調壓型磁流變閥不符合設計要求。為了使此磁流變閥符合要求，需對其進行結構優(yōu)化。

圖4 磁感應強度分布圖

圖5 磁感應強度沿固定路徑的變化

3 多級調壓型磁流變閥幾何優(yōu)化設計

為了給后續(xù)的結構優(yōu)化提供一個合理和科學的優(yōu)化目標函數(shù)以及狀態(tài)變量，單靠對模型進行求解提供的變量是不夠，所以需要對仿真結果進行后處理。

磁感應強度 (沿X方向)沿固定路徑的積分值為:

磁感應強度沿X方向固定路徑的平均值為:

磁場引起的屈服應力:

其中:X為磁流變液的零場黏度，且X=0.092;q為通過磁流變閥的流量，取q=4.0 L/min;C為協(xié)同系數(shù)，取C=2。

在幾何優(yōu)化之前，要建立優(yōu)化的設計變量，狀態(tài)變量和目標函數(shù)。由于磁流變閥的繞線槽的深度和寬度，阻尼間隙的寬度和閥體的厚度是影響阻尼間隙內的磁感強度大小的關鍵因素，所以定義K、S、T和D為設計變量，其范圍為15＜K＜20，4＜S＜15，7＜T＜10，0.5＜D＜0.8。因為在優(yōu)化時是以閥比為優(yōu)化目標，又要保證阻尼間隙內的磁感應強度的大小，所以定義OB為狀態(tài)變量，范圍為1.2T＜OB＜1.4T;目標函數(shù)為OBJ。

各變量設定好后則可以進行優(yōu)化運算，這里使用一階方法，經過30次迭代，得出如圖6所示的所有設計序列，其中帶有*符號的SET5為最佳序列。

圖6 優(yōu)化參數(shù)序列

分析上面的數(shù)據(jù)可知，除第1組外，優(yōu)化后的幾組數(shù)據(jù)的OB值基本上都能達到0.9T以上，滿足磁流變液通電時完全飽和的要求，而且其閥比都比原始的OBJ值要小40%左右。表1列出了優(yōu)化后與優(yōu)化前的尺寸。由表中可以看出，優(yōu)化后的阻尼間隙D增加了0.03 mm，而繞線槽深S則減少了6 mm。

表1 優(yōu)化前后的多級調壓型磁流變閥尺寸變化 mm

對優(yōu)化后的多級調壓型磁流變閥進行磁場仿真，仿真時除了阻尼間隙D和繞線槽深度S這兩個變化的尺寸外，閥的其它參數(shù)均不變。仿真結果如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，優(yōu)化前磁感應強度沿線圈槽與閥芯端面之間的阻尼間隙中間路徑的值最大只能達到0.785 T，而優(yōu)化后能達到1.0 T，且平均值都是在0.95 T以上，滿足了使磁流變液達到完全飽和狀態(tài)的要求，所以優(yōu)化后的尺寸滿足設計要求。

圖7 優(yōu)化后的磁感應強度分布圖

圖8 優(yōu)化后磁感應強度沿固定路徑的變化

圖9所示為優(yōu)化前后磁感應強度隨施加電流的變化曲線，由圖可知，在通入電流大于0.7 A以后，優(yōu)化后的磁感應強度明顯大于優(yōu)化之前，在通入最大電流時，優(yōu)化之前最大磁感應強度為0.78 T，而優(yōu)化之后可以達到1 T，增加了電流的效能。圖10所示為優(yōu)化前后閥進口和出口壓差隨電流大小的變化曲線。由圖可知，優(yōu)化前的最大壓降為4.18 MPa，而優(yōu)化后的最大壓降為4.46 MPa，所以優(yōu)化后的調壓寬度更大，達到了優(yōu)化的目標。

圖9 優(yōu)化前后的磁感應強度

圖10 優(yōu)化前后的壓差

因為優(yōu)化后的阻尼間隙寬度變寬，由0.5 mm變?yōu)?.53 mm，導致磁阻變大，在通入小電流情況下阻尼間隙處產生的磁感應強度要小，所以圖9和圖10優(yōu)化后的磁感應強度和壓降在通入電流小于0.7 A時要比優(yōu)化前的小。

4 結束語

設計了一種多級調壓型磁流變閥，通過在閥芯上纏繞三組勵磁線圈，在施加一定大小和方向的電流后，可有效地控制進出閥口的壓力差。

采用ANSYS有限元仿真軟件對所設計的多級調壓型磁流變閥進行了電磁場仿真分析及優(yōu)化設計。優(yōu)化前后的對比結果表明該設計能滿足多級調壓型磁流變閥的性能要求，并且調壓范圍更寬。

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