磁流变液控制阀控制性能研究

　　磁流变液是由Rabinow[1]发明的一种新型的智能材料。它的基本特征是:在外加磁场的作用下,流变特性在毫秒级内发生急剧变化,由自由流动的液体转变为类似固体的物质,呈现出可控的屈服应力,磁场消失后,又恢复为自由流动的液体[2]。液压控制系统是工业自控系统的一个重要方面,但传统的液压控制系统存在智能控制困难、成本高,而且伺服阀很容易由油脏而引发故障,显得很“娇气”。以磁流变液的控制原理,形成各种智能控制阀,可直接用电信号控制,不需要精密的相对运动零件,而且磁流变液形成的新型伺服阀或液路功率放大元件可避免油液流经缝隙,很好地解决/娇气0问题;也不需要结构复杂的精密零件,制造成本大大降低。不仅如此,磁流变阀还可以小型化,便于应用在小型和微型机械上。目前有关磁流变液控制阀的研究和应用比较少,在设计一个磁流变液控制阀的基础上,对其控制性能进行了研究,取得了一定的成果[3]。

　　1 磁流变液控制阀

　　在文献[3]的基础上,设计了如图1所示磁流变液控制阀结构。它主要由阀盖、衔铁、铁芯、线圈、阀体等组成。为了简化结构,方便拆装,整个磁流变液控制阀外观设计成长方体,内部为圆柱形。壳体的最小厚度按承载1.6MPa设计。另外整个阀的各个部件之间相对静止。磁流变液从阀的P油口输入,进入进油腔,流经衔铁和铁芯之间的环向间隙,进入出油腔,然后从阀的O油口输出。若线圈不通电,磁流变液呈牛顿流体,可以自由流动,但液体经过磁流变液控制阀会有一定的压力损失,这可以通过测量控制阀进出口的压力得知。而当线圈通电后,阀体内部的线圈将在衔铁和铁芯圆柱表面的间隙内产生径向磁场,磁流变液受到磁场的作用,流体的粘性阻力增加,流动受到约束,进出控制阀的压力差增加。当线圈中的电流增加到一定值时,磁流变液成为类固体,不再有液体进出,同时进出液压阀的压力差也达到最大值。当外加液压力超过一定值时,内应力超过类固体剪切强度而使其被破坏,磁流变液又恢复到流动状态。由于粘塑体屈服应力为磁场强度的函数,因此通过调节线圈中的电流强度,来调节磁场(沿半径径向作用于间隙间磁流变液)强度,改变磁流变液的屈服强度,可实现液压调节,这种调节是连续可逆的。当线圈不通电时,磁流变液又呈牛顿流体,可通过控制阀实现卸荷。

　　2 试验情况

　　试验采用的磁流变液是武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室研制的,主要成分是铁粉和硅油,其中铁粉体积分数是30%左右。用直流电源提供电流通过线圈,由于线圈的匝数一定,通过调节电流的大小以得到不同的磁场强度。常温下在自己设计的试验系统上进行试验,通过施加不同的外载,在不同磁场强度的作用下,得到压力差与电流的曲线图。选取其中较典型的一组,见图2。