新型磁流变流体控制元件的动态仿真分析

　　磁流变流体(Magnetorheological Fluid, MRF)在外加磁场(电流)作用下其粘度会发生改变,并在毫秒级时间内实现液-固之间的转换。这一特性使MRF在许多领域有了巨大的开发和应用价值。如美国Lord公司将磁流变制动装置与气动系统相结合,由磁流变装置提供可调制动力,以实现精确的传动控制并保持稳定的系统压力[7]; Kordonski[2]通过试验研究了旋转轴以磁流变液为密封介质的密封技术; Kordonski等[3]将磁流变液体应用于工件的精密加工,并对磁流变抛光工艺进行了实验分析,设计了新型抛光机。就液压系统而言,传统的液压控制元件存在以下不足:

　　(1)传统液压阀由于阀芯相对阀体往返运动造成磨损而易产生泄漏,从而降低系统效率。

　　(2)传统换向阀不能同时满足换向时间短、换向频率快及工作可靠性高的要求。

　　(3)传统液压阀由于结构复杂,加工精度高,一般需要独立的能源(如液压泵站),不易实现系统的小型化。

　　将MRF应用到液压控制系统可直接通过电信号控制MRF的粘度,缩短伺服阀的响应时间;可实现无移动或少移动件简化机构,并减小因摩擦引起的泄漏,从而克服传统液压控制元件的不足。作者在文献[4]的基础上,进一步运用计算机仿真技术,对磁流变流体控制元件———磁流变伺服阀的动态性能进行了仿真分析。

　　1　磁流变(MR)伺服阀的结构与工作原理

　　1·1　单个MR伺服阀结构简图及工作原理

　　单个MR伺服阀结构简图如图1所示。整个阀为轴对称式结构,它主要由阀体和带线圈的磁芯组成,阀体与磁芯间形成的环形间隙即为磁流变液体的流动通道。当线圈无电流通过时,磁流变液体类似于牛顿流体;当给线圈施加变化外电流时,在环形间隙处会形成一变化的磁场,使流经该处的磁流变液体的屈服应力发生变化,并改变其在环形间隙中流动的速度分布,从而改变阀的总流量及阀两端的压差.

　　1·2　桥式MR伺服阀结构简图及工作原理

　　MR伺服阀结构简图如图2所示。其内部结构是由4个结构尺寸完全一样的MR阀构成桥式回路,回路的流量与方向可通过改变4个MR阀的控制电流来控制。

　　当控制信号I=0时,电信号控制器输出相等的零位电流I0到两对桥臂MR1、MR3和MR2、MR4的线圈中,两对桥臂输出流量、压力相等的MRF到滑阀的左右控制腔,此时滑阀保持中位。当控制电流I≠0时,电信号控制器输出两路不同的电流信号I-I0和I+I0,由于两对桥臂的输出流量、压力有差异,滑阀在压差的作用下开始移动,离开中位。电信号I越大,滑阀开口越大,流量也就越大。因此,控制电信号I即可控制流体动力传输的流量与方向。