磁流變換向閥流量-壓差特性研究

楊瑜君，吳張永，蔣佳駿，陳文，朱啟晨，葉藝明，葉淳健

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院；2.650111 云南省 昆明市 云南興長江實業有限公司）

0 引言

換向閥是液壓系統的方向控制元件，通過閥芯與閥體的相對運動，調節和控制液體液流通、斷和換向，改變執行元件啟、停及運動方向[1-2]。流量-壓差特性是衡量換向閥性能的重要指標，現有電液、電磁比例換向閥多采用電磁鐵驅動，受比例電磁鐵電磁力限制，導致閥口開度有限。另外，由于電磁鐵在工作過程中存在發熱、欠電壓等因素，影響閥口開合精度，導致換向閥口處壓力損失較大，嚴重影響液壓系統的工作效率和控制精度。換向閥結構優化設計、改善換向閥流量-壓差特性，一直以來都是學者們研究的重點方向。

學者們對換向閥結構及其流量-壓差特性進行了深入研究。胡燕平[3]等以小型電磁插裝閥作為換向閥先導閥，通過對插裝閥流道進行優化設計，改善了換向閥主閥在低流量工況下的流量-壓差特性；王潤林[4]等采用傳感器采集數據并進行插值計算獲得閥口流量，通過流量動態反饋控制，得到不同控制信號下流量與壓差關系；劉瑞春[5]等將基礎振動引起的瞬液動力與電磁力變化帶入流量-壓差數學模型，得到不同振動頻率、振動幅度下流量-壓差變化情況；周元春[6]等對滑閥式換向閥進行數學建模，并使用Fluent 軟件對大通徑、高流量滑閥進行仿真，驗證了閥口開度與流量的關系曲線；江竹[7]等設計了一種超高速比例閥用電磁鐵，通過多片永磁體配合，增加氣隙磁感應強度，進而提高磁力輸出；陳遠玲[8]等設計了一種二位四通水液壓電液換向閥，采用電磁球閥作為先導閥，4 個插裝單元為主閥，先導閥通過控制每個單元通斷實現換向功能，該閥在大流量工況下流量-壓差特性良好。

可以看出，學者們采用新型材料、結構、工藝對換向閥流量-壓差特性進行研究，旨在為減少換向閥換向過程中產生能量損耗的問題開辟新的研究思路和方向。據此，本文基于磁流體磁流變原理以及惠斯通電橋原理，設計一種磁流變換向閥。

1 磁流變換向閥結構設計

1.1 磁流變換向閥結構設計

本文所述磁流變換向閥由磁流變先導閥和主閥兩部分構成，其結構原理如圖1 所示。磁流變先導閥依據惠斯通電橋原理設計，即采用4 個完全相同的磁流變閥構成全橋液阻網絡，液阻工作原理如圖2 所示。輸入壓力P 分別經過液阻RC和RS后形成主壓力PS和控制壓力PC，控制壓力PC進入全橋系統后形成控制壓力PCA和PCB，全橋系統中左側磁流變閥R1和R2與右側磁流變閥R3和R4分別構成液阻半橋，通過控制左右兩側半橋電流大小形成電流差，使左、右端面控制壓力PCA、PCB形成壓力差，進而推動滑閥閥芯移動，實現對磁流變換向閥方向和速度的控制。當PCA>PCB時，滑閥閥芯向右移動；PCA

圖1 磁流變換向閥結構原理圖Fig.1 Structure schematic diagram of magnetorheological directional valve

圖2 導磁型磁流變換向閥液阻工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of hydraulic resistance of magnetorheological directional valve

1.2 多級徑向流磁流變閥結構設計

磁流變閥作為磁流變換向閥的關鍵部件，其性能決定磁流變換向閥主閥閥芯的切換特性[9-10]。磁流變閥是一種以磁流體作為液壓傳動介質的新型液壓控制元件，其工作原理是基于磁場與磁流體間產生的磁流變效應，在磁場作用下，磁流體能夠在毫秒級內從自由流動的牛頓流體轉變為具有一定剪切屈服強度、近似固體的黏塑性體，且該黏度變化具有連續、可逆、可控等特性[11]。磁流變閥閥體內部無相對移動部件，直接通過電信號驅動電磁線圈控制閥體內部磁流體黏度，導致流動速度分布與屈服應力發生變化，進而改變磁流變閥進出口壓降。

為保證在規定尺寸下實現磁流變閥壓降最大化，本文設計了一種多級徑向流磁流變閥，其結構原理如圖3 所示。

圖3 多級徑向流磁流變閥結構示意圖Fig.3 Structure diagram of multi-stage radial flow magnetorheological valve

閥體主要由端蓋、線圈架、線圈與密封圈組成，閥芯由一級閥芯、二級閥芯與三級閥芯組成。由端蓋、一級閥芯、二級閥芯以及三級閥芯之間預設凸臺構成4 個盤型徑向液流通道和3 個環形軸向液流通道。工作時，線圈通電產生磁力線，與4 個盤型徑向液流通道內磁流體垂直穿過產生磁流體流變效應，使磁流變閥進出口壓降發生變化。對比同尺寸下常規徑向流磁流變閥，增加液流通道有效工作長度，進一步提高磁流變閥壓降性能。

2 建立流量-壓差數學模型

2.1 多級徑向流磁流變閥壓降數學模型

對多級徑向流磁流變閥壓降模型的建立是磁流變換向閥流量壓差模型建立的基礎。在分析時，由于不同類型、不同區域液流通道內磁流體受磁力線影響不同，因此需按不同流道壓降類型對多級徑向流磁流變閥進行劃分。壓降區域劃分如圖4 所示。多級徑向流磁流變閥液流通道由2 個柱形流道、3 個環形軸向流道以及4 個盤形徑向流道組成。

圖4 多級徑向流磁流變閥壓降區域劃分圖Fig.4 Division of pressure drop area of multi-stage radial flow magnetorheological fluid valve

柱形流道因距離磁力線密集區域較遠，且流道間隙較大，因此磁流體受磁場影響較小，判定該區域受粘性流體粘致壓降影響，采用經典流體力學的流體層流在圓管內的沿程壓力損失公式[12]：

式中：η——粘性流體的零場粘度；Q——柱形流道內的流量。

環形軸向流道內磁流體流動方向與磁力線運動方向趨近于平行，壓降可視為粘性流道在平板間隙內流動，受粘性流體平板間隙壓降影響：

式中：ta——軸向流道寬度。

盤形徑向流道內磁流體流動方向與磁力線運動方向趨近于垂直，該區域為磁流體與磁力線發生磁流變效應的主要區域，因此該區域液流通道內磁流體同時受非牛頓流體剪切壓Δpav和粘性流體平板間隙壓降Δpan[13]，其公式分別為

式中：ca——修正系數；tr——徑向流道厚度。

由式（1）、式（2）、式（5）可知，導磁型磁流變閥總壓降為：

2.1 磁流變換向閥流量-壓差數學模型

根據圖2 可知，磁流變換向閥主閥左右端控制壓力PCA、PCB與供油壓力PC存在關系：

同時由于各磁流變流量閥R1、R2、R3、R4存在關系：

已知薄壁小孔流量與壓差公式為[14]：

式中：C——理論與實際流量比值系數；A——小孔面積；ρ——磁流變液密度；Δp——薄壁小孔前后壓差；Dx——閥芯直徑；x——閥芯移動距離；

可依據式（9）、式（10）得主閥面積增益Wx、閥芯有效最大行程xmax和閥芯直徑D。

對磁流變換向閥進行流量-壓差特性分析時，假設換向閥滑閥為匹配對稱結構，閥芯向右移動，壓力口P、T 分別與壓力口B、A 接通，此時閥體靜態特性可由以下方程表述。

總流量方程：

式中：Qx——主閥流量；Qy——先導閥流量；

主閥流量-壓力方程：

式中：Cx——主閥流量系數；Wx——主閥閥口面積增益；pS——主閥進口壓力；pB——主閥B 口出口壓力。

多級徑向流磁流變閥的流量-壓力方程：

式中：Ry——磁流變閥的液阻。

根據式（11）—式（13）可得磁流變換向閥流量-壓力關系為

式中：Δpτ'——R2處磁流變閥剪切壓降；Δpτ"——R4處磁流變閥剪切壓降。

閥芯在零位工作點即x=pB=Qv=0時，對式（16）求偏導，可得磁流變換向閥的流量增益Kq、流量-壓力系數KC和壓力增益Kp，如下：

由式（17）可得出，導磁型磁流變換向閥零位流量增益Kq與主閥閥芯面積增益Wx以及供油壓力ps成正比關系。

由式（18）可得出，流量-壓力系數KC與閥芯面積增益Wx成正比，與供油壓力ps成反比。

由式（19）可得出，壓力增益Kq與供油壓力ps有正比關系。

由式（17）—式（19）可總結得出，閥芯面積增益Wx和供油壓力ps是影響磁流變換向閥的重要參數，將對系統的穩定性和靜態特性產生重要影響。

3 流量-壓力特性仿真及分析

本文研究目的旨在降低磁流變換向閥壓力損失，由于磁流變換向閥中導閥部分無相對移動部件，因此主要分析不同流量下閥芯與閥口開口度對于進出口壓力影響[15-16]。設置試驗壓力為35 MPa，仿真流量區間為20～80 L/min（增量間隔為20 L/min），閥芯與閥口開口度即閥芯移動距離為1～5 mm（增量間隔為1 mm）。圖5 為80 L/min 時不同閥芯移動距離流量-壓差仿真圖。整合所有仿真數據，并將具有相同閥芯直徑的北京華德液壓工業集團責任有限公司4WE 6T61B/CG24N9Z5L 電磁換向閥相關數據帶入同樣環境仿真作為參照數據，得到不同流量、不同閥芯移動距離下流量-壓差仿真數據。圖6 為閥芯移動距離對流量-壓差影響曲線對比圖。

圖5 液動換向閥80 L/min 流量-壓差仿真Fig.5 Simulation of 80 L/min flow pressure difference of hydraulic directional valve

圖6 閥芯移動距離對流量-壓差影響曲線對比圖Fig.6 Comparison chart of influence curve of valve core moving distance on flow-pressure difference

對比4WE 6T61B/CG24N9Z5L 電磁換向閥仿真參照曲線，流量為80 L/min 時電磁換向閥壓差值約為1.0 MPa，磁流變閥閥芯位移為3，4，5 mm時壓差值約為0.45，0.55，0.70 MPa，均小于電磁換向閥。仿真結果表明：壓差數值隨閥芯位移量增加呈現逐漸降低趨勢。因此磁流變換向閥將閥芯最大有效行程擴大為5 mm，減小輸出壓力損失，進而提高了閥體節能性。

4 流量-壓差特性實驗及分析

4.1 實驗平臺搭建

為驗證仿真結果的準確性，對比磁流變換向閥與4WE 6T61B/CG24N9Z5L 電磁換向閥仿真數據與實驗是否存在差異，根據JB/T 10373-2014液壓電液動換向閥和液動換向閥行業標準對磁流變換向閥和電磁換向閥依次進行流量-壓差性能測試[17]。測試原理圖如圖7 所示，并根據測試原理圖建立實驗平臺。

圖7 導磁型磁流變換向閥測試原理圖Fig.7 Test schematic diagram of magnetic conductive magnetorheological directional valve

4.2 磁流變換向閥流量-壓差性能測試

首先對4WE 6T61B/CG24N9Z5L 電磁換向閥進行流量-壓差性能測試[18]。由于換向閥流道進出口分別為T、P、A、B，根據不同滑閥位置實現不同機能，調整滑閥向右移動，此時油口連接為P-B、A-T，分別測試不同流量情況下P-B、A-T 壓力損失。對磁流變閥進行測試時，需將電磁換向閥更換為磁流變換向閥，同時油源更換為磁流變液油源系統。通過左右側半橋輸入電流差，控制閥芯向右移動，分別測試不同流量情況下PB、A-T 壓力損失，分別如圖8、圖9 所示。

圖8 換向閥P-B 口流量-壓差測試圖Fig.8 Flow-pressure difference test chart of P-B port of directional valve

圖9 換向閥A-T 口流量-壓差測試圖Fig.9 Flow-pressure difference test chart of A-T port of directional valve

測試結果表明：電磁換向閥在流量達到20 L/min時，P-B、A-T 壓力損失約為0.13 MPa、0.11MPa，磁流變換向閥在流量達到20 L/min 時，P-B、A-T壓力損失約為0.115 MPa、0.097 MPa，與仿真結果基本符合，對比實驗與仿真結果，磁流變換向閥的流量-壓差特性優于同通徑電磁換向閥。

5 結論

設計了一種多級徑向流磁流變閥，同時基于多級徑向流磁流變閥以及惠斯通電橋原理設計一種磁流變換向閥。建立了磁流變換向閥流量-壓差數學模型，利用Fluent 對磁流變換向閥主閥進行不同開口度下流場仿真，結果表明，壓差數值隨閥芯位移量增加呈現逐漸降低趨勢，磁流變換向閥有效行程擴大為5 mm，相較同通徑電磁換向閥壓力損失更小。搭建實驗平臺對電磁換向閥與磁流變換向閥分別進行測試，結果表明，磁流變換向閥同流量情況下壓力損失比4WE 6T61B/CG24N9Z5L 電磁換向閥小，較相同通徑電磁換向閥流量-壓差性能有提高。