具有内外线圈结构的磁流变阀压降性能分析 (1).pdf
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1、书书书第 卷 第 期 年 月南昌工程学院学报 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();江西省研究生创新专项资金项目()作者简介:胡国良(),男,博士,教授,文章编号:()具有内外线圈结构的磁流变阀压降性能分析胡国良,杨肖,朱文才,喻理梵(华东交通大学 载运工具与装备教育部重点实验室,江西 南昌 )摘要:多线圈磁流变阀的设计多采用线圈并排放置结构,不可避免地增加了磁流变阀轴向长度和体积。基于此,本文创造性地提出并设计了一种具有内外线圈结构的磁流变阀,建立了磁流变阀的压降数学模型,使用 软件对磁流变阀进行磁流场仿真分析,得到了不同通电条件下磁流变阀的磁感应强度分布及压降变化。仿真结果表明
2、,里层流道不受外线圈电流影响,中层及外层流道不受内线圈电流影响。同时得出了在内线圈单独通电、外线圈单独通电以及内外线圈同时通电时磁流变阀的输出压降以及压降可调范围。关键词:磁流变阀;内外线圈;磁流场仿真;压降中图分类号:文献标志码:,(,):(),:;磁流变液是一种由微米级铁磁颗粒和矿物油或硅油以及添加剂组成的可控智能牛顿流体,在没有磁场的情况下,这些铁磁性颗粒自由流动,随机分布在油中 。在磁场的作用下,这些粒子会沿磁场方向排列并形成链状结构,磁流变液将在毫秒内从非牛顿流体转变为固体或半固体。撤去磁场,磁流变液又会迅速转变为牛顿流体状态。这种变化被称为磁流变效应,并且完全可逆 。利用磁流变液的
3、流变特性,采用磁流变液作为工作介质的磁流变智能器件已经得到广泛应用 。如磁流变阻尼器 、制动器 、离合器 、阀 及软体机器人 等。磁流变阀作为典型的磁流变智能器件,可作为旁通阀 控制液压缸或作为内置阀 构成阻尼器。磁流变阀的性能主要体现在输出的可控压降及压降可调范围,而励磁线圈的配置则是影响输出压降的重要因素。提出了一种具有双线圈单轴向流道的结构,通过优化设计实现了间隙处的最大磁通密度,使得磁流变阀配置的效率最大化。等人采用有限元分析的方法,分别对单线圈、双线圈及三线圈等磁流变阀结构参数进行仿真优化,确定了最佳的磁流变阀配置,得到了不同压降和不同约束容积的磁流变阀优化结果。胡国良 等人在单线圈
4、磁流变阀的基础上,设计了一种双线圈磁流变阀,研究了阀芯倒角、励磁线圈通电方向以及阻尼间隙宽度对磁流变阀压降的影响。陈文 等人设计了一种双线圈先导式磁流变溢流阀,测得单线圈激励以及双线圈激励时的压力与电流的关系。结果表明先导式磁流变溢流阀的调压能力以及响应速度得到了提高。等人提出了一种双线圈环形多通道磁流变阀,研究了电流、线圈匝数以及阻尼间隙对输出压降的影响,并与普通型磁流变阀进行了比较,实验结果表明双线圈环形多流道磁流变阀的压降性能相较于普通型提高了 倍。除此之外,将线圈与永磁铁一起使用也能达到多线圈的效果,等人提出了一种线圈与永磁铁共同激励的磁流变阀,两者磁场可以相互叠加,线圈不通电时还可以
5、通过永磁铁产生一定的背压,而且永磁铁体积更小,比多线圈磁流变阀更容易实现紧凑的设计。在上述针对磁流变阀的结构创新中,可以通过增加励磁线圈的数量来达到提高磁流变阀的性能的目的。但传统的多线圈磁流变阀多是研究线圈并排放置下的性能,只是单一地增加励磁线圈的数量。这些设计虽然可以增大磁流变阀的压降大小,实现多级调速,提高效率,但是不可避免地会增大轴向液流通道的长度及磁流变阀的体积。基于此,本文提出一种双线圈内外叠加放置的磁流变阀,通过各元部件的合理布置形成里中外三层环形流道,同时采用磁流体耦合仿真研究在线圈内外放置的情况下磁流变阀的性能,为磁流变阀的应用做进一步探索。具有内外线圈结构的磁流变阀结构设计
6、 工作原理与结构图 所示为具有线圈内外放置结构的磁流变阀的结构原理及三维模型图。其部件主要包括端盖、内绕线架、导流环、外绕线架、隔磁盘及内外线圈等。可分为三个部分:阀芯、线圈及外壳。其中外绕线架、导流环、内绕线架以及隔磁盘之间相互配合构成阀芯部件,绕线架与隔磁盘之间以及左端盖与导流环之间采用 型密封圈进行密封以防止漏液。线圈可以绕制在内线圈及外线圈的凹槽之上形成线圈绕组。阀套及左右端盖之间通过螺纹连接形成外壳并围成一个封闭的空间。通过在内绕线架、导流环、外绕线架及隔磁盘的表面设置凸台,在磁流变阀内部形成了三条环形阻尼通道。磁流变液从左端盖中心孔流入,经过内绕线架左侧进入由内绕线架与导流环构成的
7、环形阻尼通道 ,然后经由导流环右侧进入由导流环与外绕线架所构成的环形阻尼通道 ,再通过外绕线架左侧孔隙进入外绕线架与阀套形成的环形阻尼通道 ,最后经由隔磁盘与右端盖之间的径向阻尼间隙,从右端盖中心小孔流出。当线圈中通入电流时,改变磁流变阀内部的磁场强度,磁流变液的剪切屈服应力增大,从而改变磁流变阀的输出压降。当内部线圈通电,外部线圈不通电时,磁力线在内绕线架、环形阻尼通道 与导流环之间形成闭合回路。调节内部线圈电流大小可控制 通道处磁 左端盖;内绕线架;内线圈;导流环;外线圈;外绕线架;隔磁盘;右端盖图 具有内外线圈结构的磁流变阀南昌工程学院学报 年流变液的剪切屈服应力,控制输出压降,但此时有
8、效阻尼间隙仅有 ,输出压降可调范围较小。当内部线圈不通电,外部线圈通电时,磁力线在导流环、环形阻尼通道 、外绕线架、环形阻尼通道 与阀套之间形成闭合回路。此时调节外部线圈电流大小可控制 与 流道处的剪切屈服应力,可调范围比只有内部线圈通电时更大。若同时给内部及外部线圈通电,此时 、流道均为有效阻尼间隙,输出的可控压降更大,可调范围也更广。压降数学模型建立所设计的磁流变阀是轴对称结构,取磁流变阀的 截面作为研究对象。图 所示为具有内外线圈结构的磁流变阀压降区域划分图。液流通道可分为 个区域,内中外三层环形阻尼间隙与两条径向阻尼间隙。图 压降区域划分图具有内外线圈结构的磁流变阀总压降可表示为 ,(
9、)式中 为磁流变阀总压降;为 环形流道总压降;为 环形流道总压降;为 环形流道总压降;为径向流道总压降。由 模型可知,具有内外线圈结构的磁流变阀总压降由磁致压降 以及黏致压降 构成。由图 可知,磁力线垂直穿过内中外三条环形阻尼间隙 、及 ,因此在环形阻尼间隙中既有磁致压降,也有黏致压降,而径向阻尼间隙中没有磁力线穿过,只有黏致压降。圆环阻尼间隙 内的压降可表示为 (),()式中 、为 流道内磁致压降;为 流道内黏致压降;为修正系数,取 ;为绕线架侧翼宽度;为环形阻尼间隙厚度;、为 流道内剪切屈服应力;为零场黏度,为 ;为体积流量,取 ;为绕线轴长度;为内绕线架半径。圆环阻尼间隙 内的压降可表示
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