磁流變技術在液壓傳動與控制中的應用研究

湯金華

（江西工業工程職業技術學院，江西 萍鄉 337055）

磁流變技術在液壓傳動與控制中的應用研究

湯金華

（江西工業工程職業技術學院，江西 萍鄉 337055）

文章分析了磁流變液效應，對磁流變液在液壓傳動與控制中的工作模式和實際應用研究進行了詳細地闡述，展望了磁流變技術應用于液壓傳動與控制系統領域的未來發展。

磁流變技術；液壓傳動；液壓控制

1 磁流變液效應

參照一般的磁疇理論對磁流變液產生的效應進行解釋，將磁流變液懸浮體中的每一個微小顆粒都當成是一個小磁體，其間的鄰近原子間具有較強的交換耦合作用，呈現磁矩平行排列的狀態，形成磁疇。在沒有外磁場干擾的情況下，每一個磁疇中的原子排列一致且穩定，期間的微小顆粒不顯磁性。當發生外磁場干擾時，磁疇間的磁能低于其磁疇反方向的磁能從而自發磁化磁疇中磁矩，而此時磁疇中的微小顆粒顯出磁性，期間排序呈鏈狀。外磁場磁力與磁疇中的微小顆粒的磁飽和強度及其剪切應力呈正比關系。磁流變液的組成部分主要是由分散相的磁性顆粒、基礎液和高分子添加劑組成，選擇具有高磁飽和和強度的磁性顆粒是制備優質磁流變液的重要前提。基礎液的選擇，需要具有低粘度、高沸點、低凝固點和高密度等特點。添加劑的選擇，是為了改善磁流變液的性能，增加磁性顆粒表面的活性、與較好的潤濕性和穩定性。

2 磁流變液在液壓傳動與控制中的工作模式

磁流變液的工作模式有流動模式、剪切模式和擠壓模式三種。流動模式中上下級板固定，磁流變液則在期間裝置的作用力下流動，其間產生的壓力差導致的屈服應力與磁場無關的粘性分量組合成公式：

其中ΔPH代表屈服應力分量，ΔPH代表粘性分量，τH代表磁流變液中動態的屈服應力，η代表其間的粘度，Q代表其間體積流速，L 代表上下極板的長度，h 代表上下極板的寬度，s 代表上下級板的間隙，c 代表系數。剪切模式上下級板平行相對運動，磁場和極板運動呈垂直方向，形成剪切阻力，期間屈服應力分量和粘性力分量組合成公式：

其中FΗ代表屈服應力分量，Fη代表粘性力分量，η代表動態屈服應力，v 代表塑性粘度，A 代表上下極板間相對速度，代表上下極板間長、寬和間隙。擠壓模式中施加磁場的方向和極板運動的方向平行，且同時和極板做相對運動，使極板中的磁流變液處在拉伸和壓縮的交替狀態，呈現出擠壓模式。

由于磁流變液中的組成部分中包含較好的表現活性劑，其中磁疇間的微小顆粒并不會對液壓系統造成污染和損害，避免了對液壓系統的工作造成影響，所以磁流變液可作為液壓系統中的傳動工作介質。因其具有較好的潤滑性，故在液壓系統的運行中，可起到對控制元件和執行元件潤滑的作用。

3 磁流變技術在液壓傳動與控制的應用研究

磁流變技術應用在液壓傳動與控制的研究中，國內外許多學者對此做了大量的研究。例如Lord公司研發的旋轉式控制器、Barkan等人研發的雙圓盤式大轉矩磁流變液離合器、國內鄭軍等人研發的圓柱式磁流變液傳動裝置、丁柏群等人設計的汽車論內葉輪式磁流變液控制器等，而對各種類型的磁流變閥的研發，更是遠超于傳統液壓閥的性能。這些關于磁流變技術的研究，都將成為磁流變液壓傳動與控制系統設計的基礎。下面主要介紹各類磁流變閥的實際應用。

磁流變溢流閥是通過銜鐵和線圈組成，當磁流變液從第一層鐵芯和第二次鐵芯之間流過時，外加的磁場會使其瞬間變成固態。當壓力達到定值時，磁流變液也恢復流動態。所以線圈通電時，磁流變溢流閥可達到溢流的效果。磁流變減壓閥是由內含鐵芯的線圈和銜鐵組成，磁流變液從銜鐵和鐵芯之間流過。當線圈通電時，磁流變液發生轉變，從而達到減壓的效果，對其線圈電流大小的調節可實現磁流變液屈服應力的強度變化，達到調壓的效果。磁流變比例閥，是通過外界磁場的作用使磁流變液的粘度增大，從而使閥門進口壓力增強，以減緩液體流動。當通電時，比例閥中發生阻力的變化，形成活塞缸的壓力差，從而發生活塞移動，以此達到執行元件的連續、穩定的定位。磁流變伺服閥，主要是通過產生和放大磁流變液壓系統中需要的控制電流信號的電信號控制器、內含四個結構尺寸一樣的橋式磁流變元件集成板及常用的滑閥類的功率放大元件組成。磁流變伺服閥中，當外加磁場作用下磁流變液形成塑性流體，其間伺服元件仍可保持其阻特性。但當磁場增強，其工作的壓力差隨之變大，通過對電流的調節改變磁流變也得粘度，以達到磁流變伺服閥的調節作用。其中電信號的指令研發便于測量、比較和校正，該方向的研究可逐步實現智能自動化控制。磁流變開關閥，主要是對輸入磁流變閥的電壓脈沖的占空比的控制，調解磁流變閥輸出量的平均值和占空比的占比，從而達到變量的控制。

4 結束語

磁流變液是液壓傳動與控制系統中主要的工作介質，其原理是通過外加磁場使磁流變液粘度增大，以此達到減緩和阻止液體流動的效果。在液壓系統的應用中，利用磁流變技術研發的控制閥較于傳統的液壓系統更加具有低成本、零磨損、壽命長、控制簡便等優點，具備良好的發展前景。隨著磁流變技術的不斷成熟和完善，其磁流變研發的元件可逐步替代傳統的機電元件，促進電子控制和機械執行之間的聯系，以達到機械設備的靈活、簡便的操作，實現動力的高效運轉和精確控制，可以說磁流變技術為液壓傳動和控制技術帶來了改革性的巨變，也將逐步使液壓傳動和控制系統日臻完善。

［1］王京濤，吳張永，岑順鋒，等.磁流變技術在液壓傳動與控制中的應用展望［J］.機床與液壓，2011，（10）：131-133，144.

［2］王慶輝，吳張永，溫成卓，等.磁流變液壓技術的發展現狀與展望［A］.2011裝備制造業綠色創造節能減排發展論壇論文集［C］.2011：1-6.

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1671-3818（2016）10-0061-01