磁流变技术在液压传动与控制中的应用展望.pdf

2 0 1 1年 5月 第 3 9 卷 第 1 0 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS Ma y 2 01 1 Vo L 3 9 No ． 1 0 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 0 ． 0 3 9 磁流变技术在液压传动与控制中的应用展望 王京涛，吴张永，岑顺锋，王晓波 昆明理工大学流体控制工程研究所，云南昆明6 5 0 0 9 3 摘要介绍了磁流变效应的机理及磁流变液的流变学特性；归纳了磁流变技术在液压传动与控制中的一些应用，重点 介绍了磁流变阀的应用 ； 展望了磁流变技术在流体传动与控制领域的应用前景。 关键词磁流变液；磁流变效应 ；磁流变阀；液压传动 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 01 3 1 3 M a g ne t o r he o l o g i ic a l Te c h no l o g y a n d I t s Ap pl i c a tio n s Pr o s p e c t s i n Hy dr a u l i c Tr a n s mi s s i o n a n d Co n t r o l WAN G J i n g t a o ，WU Z h a n g y o n g ， C E N S h u n f e n g ，WANG Xi a o b o H y d r a u l i c C o n t r o l E n n e e fi n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ，K u n m i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 。K u n m i n g Y u n n an 6 5 0 0 9 3，C h i n a Ab s t r a c t T h e me c h a n i s m o f ma g n e t o - r h e o l o g i c a l e ff e c t a n d r h e o l o g i c al c h a r a c t e ri s t i c s o f m a g n e t o - r h e o l o g i c a l fl u i d MR F w e r e d e s c r i b e d ．Th e a p p l i c a t i o n s o f ma g n e t o - r h e o l o g i c al t e c h n o l o g y i n h y d r a u l i c d riv e a n d c o n t r o l we r e c o n c l u d e d ，f o c u s i n g o n t h e a p p l i c a - t i o n o f ma g n e t o r h e o l o g i c a l v a l v e ．Th e a p p l i c a t i o n s o f MRF i n fl u i d p o w e r t r an s mi s s i o n a n d c o n t r o l we r e p r o s p e c t e d ． Ke y Wo r d s Ma g n e t o - t h e o l o g i c al fl u i d ；Ma g n e t o r h e o l o g i e a l e ff e c t ；Ma g n e t o - r h e o l o g i c a l v a l v e ；Hy d r a u l i c t r a n s mi s s i o n 磁流变液 MR F 是一种在磁场作用下其流变 特性会发生急剧变化的智能材料。在磁场作用下，磁 流变液能在瞬间 毫秒级 从 自由流动的牛顿流体 转变为具有一定剪切屈服强度的近似固体 的黏塑性 体，撤去磁场后又恢复为自由流动的液体状态，且这 种转变具有连续、可逆、可控的特性。磁场对磁流变 液的黏度、塑性和黏弹性等特性的影响称为磁流变效 应。磁流变液以其奇特的流变特性广泛应用在机械、 汽车、航空、建筑、医疗等领域，逐渐形成一种新的 技术磁流变技术⋯。磁流变技术和液压传动与控 制技术相结合将会是新的研究方向磁流变液压传 动。作者归纳了磁流变技术在液压传动与控制中的一 些应用 ，为其更深入的研究提供一些参考。 1 磁流变液的流变特性 根据磁流变液的转变机理，可以通过改变作用于 磁流变液的磁感应强度，即改变产生磁场的电流大小 来控制磁流变液的剪切力的大小。在非零磁场中，磁 流变液流动必须克服牛顿阻力和库仑阻力。在零磁场 中，磁流变液流动只受到牛顿阻力，而库仑阻力为 零。一般认为磁流变液受剪切时遵循以下应力 一 应变 关系当应变很小时，磁流变液还未到屈服状态，这 时的应力 一 应变关系类似于固体，即剪应力与剪应变 成正比；当应变超过临界值后且应变率恒定，则磁流 变液将达到稳态响应 ，其状态类似于黏塑性体 ，此时 剪应力不再依赖于剪应变而是应变率和磁感应强度的 函数 ，一般用宾汉姆 B i n g h a m模型来描述此时屈 服阶段 的应力与应变 的关 系 f B s g n r ／ y 1 式中B为外加磁场的磁场强度 ， 为磁流变液的表 观黏度，y为剪切应变率 ， B 为磁流变液的动态 屈服应力。在磁流变液达到磁饱和前，r B 随磁感 应强度 曰的增加而增加。实验发现，当磁流变液中 磁性颗粒达到饱和前，．r B 可以表达为磁感应强度 的幂 函数形式 B a B 2 式中系数 和幂指数 n 通常为 1 到 2之间为依 赖于不同的磁流变液材料的常数。 2 液压传动的工作介质 磁 流变 液由载 液 、离散 的可极化 的磁性颗粒 、表 面活性剂等组成。载液可以采用现有的以矿物油为基 础的液压油 ，磁性颗粒一般为微米或纳米级的铁磁性 颗粒 ，表面活性剂常用的是油酸。随着纳米技术的发 展，纳米铁磁性颗粒进入产品化生产，由于纳米颗粒 具有的表面效应和体积效应 ，纳米铁磁性颗粒制成的 磁流变液的悬浮稳定性有了显著的提高，铁磁性颗粒 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 2 5 作者简介王京涛 1 9 8 2 一 ，男，硕士研究生，主要从事流体传动与控制技术的研究工作。电话1 5 8 0 8 8 1 5 9 2 5 ，Em a i l w a n g j t 5 1 7 0 1 6 3 ． c o rno 1 3 2 机床与液压 第 3 9卷 直径一般 为 1～6 0 n m，在 此范 围内 的颗粒 不会 对液 压系统造成污染，也不会对系统的工作造成影响。因 此 ，磁流变液可作为液压系统的工作介质 。纳米级 金属 粉 作 为新 型 固体 润 滑剂 ，其 粒 度 在 0 ． 0 3～ 1 4 ． 5 m之间的金属粉作润滑剂具有很好的极压润滑 作用。因此，磁流变液在系统中运行的时候对控制元 件和执行元件有一定的润滑作用。 3 磁流变阀 利用磁流变液的磁流变效应研发 了各种磁流变 阀，这些元件的性能优于传统液压阀，为磁流变液压 系统的设计与研究奠定了基础，也为液压传动与控制 技术开辟了新的研究方向。 3 ． 1磁 流 变溢 流 阀 磁流变溢流阀的结构由衔铁和线圈组成，如图 1 所示。磁流变液从铁芯 1和铁芯 2之间的间隙流过， 当溢流阀的线圈通 电时，铁芯间隙形成一定 的磁场， 流经间隙的磁流变液在磁场的作用下瞬间转变为接近 固体状态。只有当压力达到一定值时，磁流变液才恢 复原流动状态，继续流动。所以，当线圈通电时，溢 流阀可实现调压。当溢流阀线圈不通电时，磁流变液 为流动状态 ，可通过溢流阀实现卸荷。 图 1 磁 流变溢流 阀原理 图 溢流阀流量 一 压力特性是溢流阀最重要的性能指 标。磁流变溢流阀通过对其机构尺寸合理设计，可使 溢流阀调定压力在一定流量范围内保持不变。溢流阀 调定压力 和流量关 系如下 ， ’I t 11． ． 1 r P w ～ t t 3 q一 3 J J ⋯J 式中L为磁流变流体作用间隙的磁场强度；W为磁 流变流体作用间隙的磁场宽度；日为磁流变流体流经 的磁场间隙； ／ z 为磁流变流体零场黏度； M 为磁 流变流体的屈服应力 ；Q为流经溢流阀的流量 。 3 ． 2磁流变减压 阀 磁流变液减压阀主要 由衔铁和线圈 内含铁芯 组成 ，如图2所示。磁流变液从衔铁和铁芯之间的间 隙流过 ，当线圈通电时，衔铁和线圈间隙形成一定的 磁场。流经间隙的磁流变液在磁场的作用下瞬间转变 为接近固体状态的黏塑性体 ，阻止磁流变液流动。只 有当压力达到一定值时，磁流变液才恢复原流动状态 继续流动。通过调节线圈中电流大小来调节磁场强 度 ，改变磁流变液 的屈服强度 ，可 实现调 压 ，这 种调 节连续可逆。当线圈不通电时，磁流变液为流动状 态 ，可通过减 压阀实现卸载。 图2 磁流变减压阀原理图 根据上述工作原理，建立磁流变减压阀的力学模 型，基于磁流变阀的压力差及黏塑性流体的力学分 析。施加磁场后 ，磁流变减压 阀中的磁流变液 位 于间隙中转变为黏塑性体 ，要保持其流动必须使 阀两端具有足够的压力差 △ p ，以克服黏塑性体的屈 服强度。 卸 4 式中l△ p为磁流变减压阀的进口压力P ， 与出口压力 P 之差；L为磁流变减压阀轴向长度；h为磁流变液 流经的磁场间隙； 为磁流变液的零场黏度 ；r 为磁 流变液的屈服应力 ，与磁场强度有关 ；Q为流经减压 阀的流量 ；d为减压阀的内径；K为修正系数。 式中所表达的磁流变液减压阀的压力差 △ p由两 部分组成 第一部分 卸 与磁流变液黏度减压阀的几 何尺寸、流量有关，是磁流变黏塑性体流动的黏滞阻 尼产生的压降；第二部分 △ p 除了与减压阀的几何尺 寸有关外，还与磁流变液屈服强度有关。 △ p 。 1 2 r l L Q △ p K 5 1 T 0, ／ 7 , I ／ , 在磁流变减压阀几何尺寸一定的情况下 ，改变磁 场强度 ，磁流变液屈服强度随之改变 ，由此形成 阻尼 的改变，产生新的压降 ，其是磁流变智能可调减压阀 实施控制 的关键 。 3 ． 3磁 流 变比例 阀 通过给磁流变 比例 阀加上 一 定 的磁场，当磁流变液经过 阀门时，由于受磁场作用 的影 响，磁流变液的黏度逐渐增大 ， 流经阀门的液流阻力也 随之增 大，使阀门进 口压力增高 ，由 此减缓或阻止液体的流动。根 据这一原理 ，K o r d o n s k y 提 出 一 种液压缸活塞控制运 动方案 如图 3所示 。当电流经过对 角两 液 压 阀 1 、4 或 2 、3 图 3 磁流变比例 阀原理图 第 1 O期 王京涛 等磁流变技术在液压传动与控制中的应用展望 1 3 3 时，阀液流阻力发生变化 ，导致活塞缸产生压力差， 活塞在压差的作用下发生移动，使执行元件实现任 意、连续、可靠的定位 。 3 ． 4磁 流 变伺服 阀 磁流变伺 服 阀主 要 由电信 号 控制 器、 桥式磁流变元件集成 块和功率放大元件三 部分组成 ，如图 4所 示。电信号控制器用 来产生和放大系统 中 所须的控制电流信号； 桥式磁 流变元件集 成 块受 电信号控制器提 供的电流信号的控 制 后 ，改变 流 动 的 M R F l b 图4 磁流变伺服阀原理图 的黏度 ，产生系统工作所需的压差 ，其内部是由四个 结构尺寸完全一样的 M R阀所构成的桥式回路 ；功率 放大元件为液压系统常用的元件滑阀，滑阀阀芯 在桥式磁流变元件集成块产生的压差作用下实现左右 移动，从而改变阀口开度。 磁流变液在磁场作用下为B i n g h a m塑性流体，其 本构关系为 B i n g h a m模型。单个 M R伺服元件的理论 模型为 而, n Dh3 ． q 一 r 6 一 o 又 、H Ti i ，故 而, t r Dh 3 , q 一 7 一 ’ L 式中D、h 、z 、Ⅳ分别为单个 MR伺服元件的阀体 内径 、环形间隙高度 、环形间隙总轴向长度及线圈匝 数；， 、 分别为线圈电流和磁场强度；．r 、 分别为 MR F屈服应力和零场 黏度 ； 、 为 常数，实验确 定 ， J B 介 于 1～2之 间。若取 卢2 ，令 液 阻 R ， 磁场液 阻 4 r ／ ，则式 7 可写成 g 一 8 由式 8 可知 ，M R伺 服元 件在 磁 场 为常数 时 仍可保持普通液阻特性 ，当流量一定时，电流越大基 本工作压差也越大 ，尺 越小磁流变液的磁流变效应 越好 引。 通过调节电流改变磁流变液的黏度 ，可以实现对 磁流变伺服阀的流量调节。由于采用电信号作为指令 信号 ，易于测量、比较和校正，便于实现 自动化和智 能化控制。 3 ． 5磁 流 变开关 阀 由磁流变液的磁流变效应可知，在外加磁场作用 下，磁流变液的屈服应力随磁场强度增大而增大，调 节电流可改变磁场强度。所以，通过控制输入磁流变 阀的电压脉冲的占空比，使磁流变阀输出流量的平均 值与占空比成比例 ，可实现对磁流变阀流量的控制。 采用 P WM方式控制磁流变阀输出平均流量也可以很 方便地实现数字控制 。磁流变开关阀的压力 一 流量 关系可以用下式表示 Ap一1 盯 2 必 ／ L 。 Q 3 b ,r y 9 式中右边第一项由黏性流动产生，第二项由屈服应 力产生。磁流变流体的屈服应力与施加的外磁场强度 相关，因此磁流变阀只与施加的直流电压相关。 设 A pl 1 1 T 2 I L Q A p 2 - 3 b ．r y 1 。 在外加电压作用下，施加于阀的工作压力小于 卸 时，磁流变阀处于截止状态。施加于阀的工作压力大 于 △ p 时 ，磁流变液在 阀内流动 ，形成 的压差为 △ p 。 没有外加电压作用时，流体流过磁流变阀，黏性流动 形成的压差为 △ p ， 。因此 ，只要 阀的工作压力小于 △ P 2 ，在外加脉 冲电压时，磁 流变阀工作在开关状 态 。 4结束语 磁流变液是以矿物油液压油为基液 ，其中的磁性 颗粒为纳米级的铁磁性颗粒 ，可以作为液压系统工作 介质 ，并对执行元件有一定的润滑作用。利用磁流变 液的磁流变效应研发各种磁流变阀，这些元件没有相 对运动的阀芯、制造成本低、无磨损、寿命长、易于 控制。磁流变阀可以通过调节外加电流大小来控制磁 场强度大小 ，从而调节磁流变阀的压力和流量。目前 的磁流变阀还不能用于高压大流量的液压系统中，有 待研制出高性能的磁流变液，进一步提高磁流变阀的 性能。把磁流变液作为工作介质，磁流变阀为控制元 件的磁流变液压系统以其巨大的优越性将得到长远的 发展 ，满足工程需要 。 随着磁流变技术的不断发展，磁流变元件将作为 新一代机电元件 ，成为电子控制部分和机械执行机构 之间的联接纽带 ，使设备更趋简单、灵活，实现动力 的高速传输和准确控制的目的，这将给流体传动与控 制领域带来革命性的变化。 参考文献 【 1 】司鹄， 彭向和． 磁流变流体的磁流变效应[ J ] ． 重庆大学 学报， 2 0 0 3 ， 2 6 6 7 2 7 5 ． 下转第 1 4 4页 1 4 4 机床与液压 第 3 9卷 2 故障现象及原 因分析 2 ． 1 故障现 象 工作过程中起重臂在进行伸、缩臂动作时 ，起重 臂会像钓鱼竿一样出现上下晃动，起重臂全伸或者中 长臂时现象加剧 ，严重时会造成整辆车上下抖动，严 重影 响了起重机的工作性能 。 2 ． 2 故障原 因分析 2 ． 2 ． 1 机械故 障 1 起重臂原件加工过程 中造成 的形位公差 ， 如直线度、平行度 、垂直度等影响起重臂之间的相对 位置 ，从而导致起重臂工作过程中的抖动。各节起重 臂筒体口部、尾部大小有偏差 ，弯曲角度也有一定的 误差，起重臂口部、尾部放置滑块的板角度有偏差 ， 造成各节臂之间贴合较差，从而导致工作过程中相对 滑动时产生抖动。解决办法 ①加强制造过程 中吊臂 形位公差的控制；②进行带载伸缩试验。起重机在试 验过程中也曾发生抖动现象 ，全伸带载 11 0 N多 次往复伸缩后，起重臂抖动现象消除。带载伸缩时， 臂与臂之间摩擦力加大 ，导向滑块之间充分摩擦后 ， 各节起重臂之间配合间隙消除，滑动顺畅，可解决起 重臂的抖动现象。 2 各节臂尾部上滑块长度较短、宽度较窄导致 导向性能不好，与支架之间存在间隙，从而导致起重 臂工作过程的抖动。解决办法 改变各节臂尾部上滑 块尺寸 ，消除与支架之间的间隙即可解决抖动问题。 3 检查钢绳伸缩系统。拆去伸臂和缩臂拉索 ， 单独靠伸缩缸带动伸缩臂，若伸缩臂伸缩 自由且无抖 动或响声，装上伸臂和缩臂拉索后再次试验伸缩时， 如果伸臂出现抖动或发出响声，则原因可能在钢绳伸 缩系统。须先检查伸臂绳或缩臂绳的长度、拉紧程 度，并调节固定伸臂绳或缩臂绳的螺母 ，使其平衡 ； 再检查伸臂滑轮或缩臂滑轮的润滑情况及滑轮衬套的 磨损情况，适时涂加润滑脂或更换磨损的衬套；最后 检查伸臂滑轮轴是否已转动，如果转动，则须加定位 挡板限制其转动。 2 ． 2 ． 2 液压故障 伸缩油缸可能存在下列问题 1 油缸缸筒与活 塞之间较紧，油缸伸缩时有爬行现象。对策 更换油 缸或者反复进行伸缩直至爬行现象消除。 2 伸缩 油缸腰圆槽与固定销轴的匹配不合理，可造成全伸臂 时伸缩油缸头部的滑轮悬空无支撑、收缩时起重臂抖 动现象，半周处的可调节量小。对策增加腰形圆槽 长度，以保证伸缩油缸在任何工况下始终能落在起重 臂的内腔中。 3 伸缩油缸缸筒与缸杆存在较紧现 象 ，伸缩时油缸头部晃动。对策调节一节臂和二节 臂间的间隙。 3结论 作者对汽车起重机起重臂的组成和原理进行了简 单介绍 ，在此基础上分析起重臂工作过程中产生抖动 现象的原因，提出了故障排除方法和故障检查的一般 方法 ，为确保起重机高效、安全、长周期的运行提供 了保证 ，避免了经济损失和安全事故的发生，具有一 定的经济价值作用。也希望能为起重机工程人员及维 修人员提供参考。 参考文献 【 1 】 X I O N G Y F ， L E Q U O C S ． A d a p t i v e C o n t r o l o f a S y n c h r o n i - 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