基于磁流变技术的压力阀先导控制装置的结构设计

　　1 引言

　　压力控制阀是液压系统控制中的核心元件之一，其性能的好坏直接影响液压系统的动态静态性能和最大的工作能力，因此控制调节其设定压力，平稳准确切换是至关重要的。传统的压力阀是通过调节弹簧的初始预紧力来设定压力阀的设定压力的，主要根据经验进行调节，无法达到精确数字化控制和无极调压，制约了压力阀技术的发展，也限制了液压系统的工作范围。

　　磁流变液( Magnetorheological Fluids—MRF) 是一种新兴的智能材料，由弥散相、分散相以及稳定剂三部分组成。本文所配制磁流变液: 弥散相采用微米级还原羟基铁粉DT-50，分散相采用201#甲级硅油，稳定剂采用纳米级球状 HS1 型SiO2。

　　磁流变液在无外加磁场时，可作为牛顿流体处理;在强外加磁场的作用下，其流变性( 应变与应力的关系) 发生剧烈变化，它的表观黏度增加，在强磁场的作用下甚至会表现出类似于固体的性质，其流动性几乎消失; 当外加磁场撤去，又恢复为液态，这种现象称之为磁流变效应( Magnetorheological Effect)[1，2]。磁场作用下的磁流变效应，使磁流变液体在液态和固态之间发生的转换具有如下特性:

　　① 转换是可逆的;

　　②转换是可控的;

　　③转换的控制仅需磁场强度信号;

　　④ 毫秒级的动态响应时间;

　　⑤控制转换所需能耗很低，通常50 W 左右[3]。

　　磁流变液是非牛顿液体，其剪切应力和剪切速率之间呈现非线性关系，并且随外界磁场强度的变化而变化。正是基于磁流变液的这种性质，将其引入普通压力阀的控制。通过改变电信号，控制磁场大小，从而控制剪切应力，从而控制阻尼力，对压力控制实现数字化。

　　2 装置设计

　　2. 1 传统先导式溢流阀的工作原理

　　本文以传统先导式溢流阀作为母体，先导阀部分引入磁流变技术重新设计其结构。图1 是传统的先导式溢流阀的结构示意图，主要用途和作用是调节和控制系统的压力。油液通过 P 口和主阀芯上的阻尼孔，流入先导阀口，克服导阀的阻力，油液通过主阀芯上的孔流回油箱，从而打开主阀。其中先导阀 4 通过螺母6，利用弹簧的预紧力压紧在阀孔上，只要调节螺母6，就可以改变弹簧的预紧力，从而改导阀的阻力，控制入口压力。这种控制的缺点是只能手动粗略调节，不能精确控制。

　　2. 2 基于磁流变技术的先导装置

　　为了实现对压力的精确控制，引进磁流变技术，对先导控制部分进行了二次开发。结构如图2 所示。

　　1) 工作原理

　　阀体3 和阀芯6 之间存在0. 8 mm 的间隙，工作之前阀体内注满磁流变液体，间隙内充满磁流变液体。导阀11 在复位弹簧 5 的作用下紧贴阀孔。其中弹簧5 是刚度很小的软弹簧。工作时，线圈 7 接通直流电，产生磁场，间隙内的磁流变液体产生磁流变效应并固化，剪切应力和活塞两端的压差增大，形成作用在阀芯上的阻尼力，阻碍导阀被推开。图2 中的压力必须克服这个阻尼力才能推开导阀。只要控制电磁场就能控制阻尼力，电磁场与电流大小呈正比，所以只要连续控制电流的大小就能控制调节阻尼力，从而实现的数字化精确控制。