开关阀用超磁致伸缩致动器磁场及伸长量的仿真分析.pdf

2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 7 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 4 ． 0 7 ． 0 2 7 开关 阀用超磁致伸缩致动器磁场及 伸长量 的仿真分析 张磊 ，李冬伟 ，杨朝舒 ，张文泉 1 ．军械工程学院，河北石家庄 0 5 0 0 0 3 ； 2 ．武汉军械士官学校，湖北武汉 4 3 0 0 0 0 摘要为满足开关阀行程要求 ，提出一种带位移传递机构的致动器结构，研究其在不同频率下的磁感应强度分布和伸 长量。建立了电磁学计算模型，然后用 A N S Y S软件进行仿真，并将数据导入 MA T L A B中进行处理 ，得到不同频率下磁场 分布图像 ； 采用新方法平均径向磁场并计算伸长量。最后得到随电流频率增加，涡流效应增强，棒和筒的磁感应强度会 降低；平均强度分布上棒两端低中间高，筒上强度在远离输出端处较低；棒的伸长量始终高于筒。所得结论对于器件结构 设计具有指导意义。 关键词开关阀；超磁致伸缩致动器；位移传递机构；磁感应强度；伸长量 中图分类号T P 3 9 1 ． 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 7 0 9 9 4 Si mu l a t i o n An a l ys i s o f t he M a g ne t i c Fi e l d a nd El o n g a t i o n o f Gi a nt M a g ne t o s t r i c t i v e Ac t ua t o r f o r S wi t c h i n g Va l v e ZHANG L e i ，L I Do n g we i ，YANG Zh a o s h u‘ ，ZHANG W e n q ua n 1 ． O r d n a n c e E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 0 3 ， C h i n a ； 2 ． Wu h a n O r d n a n c e N o n - c o mm i s s i o n e d O f f i c e r s S c h o o l ， Wu h a n H u b e i 4 3 o 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t A n e w g i a n t ma g n e t o s t r i c t i v e a c t u a t o r wi t h d i s p l a c e me n t t r a n s mi s s i o n me c h a n i s m w a s p r e s e n t t o me e t t h e r e q u i r e me n t s o f t h e s wi t c h i n g v a l v e s t r o k e ．T h e d i s t rib u t i o n o f ma g n e t i c i n d u c t i o n i n t e n s i t y a n d e l o n g a t i o n o f t h e g i a n t ma gne t o s t ri c t i v e a c t u a t o r u n d e r d i f f e r e n t f r e q u e n c i e s we r e s t u d i e d ．E l e c t r o ma g n e t i c c o mp u t a t i o n al mo d e l wa s e s t a b l i s h e d，and t h e n the d a t a o b t a i n e d b y ANS YS s o ft wa r e s i mu l a t i o n w e r e i mp o s e d i n t o MAT L AB f o r p r o c e s s i n g the i ma g e s o f d i f f e r e n t fr e q u e n c y ma gne t i c fi e l d ，an d t h e a v e r a g e r a d i al ma gn e t i c fi e l d w a s g o t t e n b y n e w w a y t o c a l c u l a t e t h e e l o n g a t i o n ．T h e c o n c l u s i o n s are t h e e d d y c u r r e n t e ff e c t i n c r e a s e s a n d t h e ma g n e t i c i n d u c t i o n d e n s i t y o f t h e r o d a n d c y l i n d e r w i l l b e r e d u c e d wi t h t h e c u r r e n t f r e q u e n c y i n c r e a s e s ；t h e a v e r a g e i n t e n s i t y o f t h e r o d a t b o t h e n d s i s l o w and t h e mi d d l e i s h i g h， wh i l e t h e c y l i n d e r i s l o w w h e n a w a y f r o m the o u t p u t ；t h e e l o n g a t i o n o f t h e r o d i s alw a y s h i g h e r t h an t h a t o f c y l i n d e r ．T h e s e c o n c l u s i o n s a r e o f g u i d i n g s i gni fi c anc e d u rin g d e v i c e d e s i gn． Ke y wo r d s S w i t c h i n g v alv e ；Gi a n t ma g n e t o s t r i c t i v e a c t u a t o r ； Di s p l a c e me n t t r a n s mi s s i o n me c h an i s m ；Ma g n e t i c i n d u c t i o n i n t e n s i t y；El o ng a t i o n 超磁致伸缩材料随外界磁场改变而尺寸变化，基 于超磁致伸缩材料的致动器具有响应快、频带宽等优 势，工程上已用于制作微进给装置、微型马达和平面 扬声器等” ，新型产 品拥有不同于 以往产 品的特 征。国内外很多专家也研究了超磁致伸缩材料驱动的 液压阀 。该类阀继承了 G M M应变大、输出力大和 响应快等特性 ，能够满足响应快速的工作要求，提高 了阀体在流体传送和控制方面的性能，在专业领域有 着重要作用。但是超磁致伸缩的输出位移小、温度改 变影响明显等缺陷限制了其应用，尤其是输出位移小 使得制作 的液压 阀流量 小，难 以满足一般使用要 求 。因此超磁致伸缩致动器一般外设有柔性铰链放 大机构以放大其位移 ，施加放大机构后的致动器虽放 大了位移，但减小了输出力、增大了尺寸，且柔性铰 链的疲劳强度有待考证。 文中研究 的是开关阀用驱动器 ，为保证输 出位 移 ，设计一种位移传递机构，它可以叠加棒和筒上的 位移 ，并保证尺寸较小。超磁致伸缩材料的制作成本 很高 ，如果是进行试验 ，将会损坏原有材料，这种方 法很不经济 ，因此可以选择数值仿真的方法对 G MM 内部磁场分布及伸长量进行模拟 。利用 A N S Y S电 磁学模块进行谐波分析 ，可以模拟致动器不同频率下 的涡流损耗，得到 G M M 内部 的磁感应强度。然而 A N S Y S中图像对强度值的刻画不明显 ，因此将强度 收稿 日期2 0 1 3 0 3 2 1 基金项目国家自然科学基金项 目 5 1 2 7 5 5 2 5 作者简介张磊 1 9 8 0 一 ，男，硕士，讲师，研究方向为新型材料高速开关阀。Em ai l y y 0 y o u x i a 1 6 3 ． c o rn。 1 0 0 机床与液压 第 4 2 卷 值导入 M A T L A B中进行处理。首先是绘制棒和筒磁 感应强度图像 ，直观上观察强度分布特征；然后对径 向强度进行一定平均 ，确定轴向分布特征并计算得到 伸长量。 1 电磁学有限元基本理论 电磁场问题的解决基于麦克斯韦方程，由于文中 对致动器输入的是谐波激励，可直接引入方程的时谐 场形式如下 ，VxE i o J B 0 2 H j J 1 L J 一i o 4 0 其中日是磁场强度 ， 为磁感应强度 ；J为 自由电 荷产生的传导电流密度 ， D为电通密度 ；E是电场强 度； p是电荷体密度；O J 是角频率； 为矢量算子 ， 在平面问题中 ， 。 引入矢量磁势 A分离 电场和磁场 以方便求解 ， 定义为BVx A。A 自动满足法拉第 电磁感应定律 和高斯磁通定律 ，应用至安培环路定律和高斯电通定 律中得到磁场偏微分方程 ，如式 2 所示 A 一 o - a 一 2 整理成平面形式如下式 0 、 1 0 ， A ， , l O 1 0 A ． 1 一 ‘ ， 3 a a ％ u y u T ’ 、 、 、o r 分别为介电常数、磁导率和电导率。建 立求解模型如式 4 所示 r 古 移 a ⋯1 a X ⋯ 。 ㈩ 【 R t ， d 0 其中力为求解域 ， 为待求近似解 ，r 为残差并应 在 力上所有点有最小值 ， 为残数加权积分 ， ； 为 加权函数 ，i 1 ，2 ，3 ，⋯。由于式 3 不可解 ， 将式 3 替换为式 4 中上式；式 4 中下式由 伽辽金法得到 ，指强迫加权后的余量在求解域点上为 0 。其中 率先确定，将 埘 i 代入式 4 中下式得到 r ，将 r 代入式 4 中上式得到 ，根据 和 B的关 系确定任一点磁感应强度。 2 A N S Y S有限元模型的建立及求解 2 ． 1 模 型建立 带位移传递机构的超磁致伸缩致动器结构示意图 如图 1所示。该致动器内置 “ 几”字型位移传递机 构，能够将位移叠加 ，并且克服了传统柔性铰链放大 机构易出现频率随特性降低及寿命较低的不足。其材 料特性在表 1中给 出。 l 一 顶杆 卜 端盖 3 - - 碟片 弹簧 4 -- 挡板 5 - - 位移传 递机构 6 - - GMM棒 7 --GMM 8 ---骨架 9 _ - 励礅线圈 l O 一 外壳 1 1 -- 底 座 图 1 带位移传递机构的超磁致伸缩致动器结构图 表 1 致动器相关参数 顶杆相对磁导率 端盖相对磁导率 碟片弹簧相对磁导率 挡板相对磁导率 位移传递机构相对磁导率 G MM棒和筒相对磁导率 骨架相对磁导率 励磁线圈相对磁导率 外壳相对磁导率 底座相对磁导率 2 O 0 o 2 O0 o 2 0o O 1 1 1 0 l 1 2 0 0 o 2 O 0 o 这里 的线圈没有轭铁 ，其涡流损耗极小 。 该致动器是一个轴对称结构 ，可以适当简化建立 一 个简单的平面有限元模型。利用 A N S Y S软件建立 此模型 ，不同的材料由不同编号及颜色表达，模型如 图 2所示。 图 2 致动器 A N S Y S 模型 2 ． 2 网格划分及载荷施加 A N S Y S 谐波模型只能用矢量位方程描述 ，2 - D下 材料单元类型只有两个 ，这里采用 P L A N E 5 3单元。 1 0 2 机床与液压 第 4 2卷 由仿真结果知同一频率下 ，棒径向磁感应强度 由内向外增大，筒径向强度由内向外减小 ；随频率增 大 ，棒和筒上 的磁感应强度均减小 。 3 ． 2 棒和筒的径向磁 场平均强度 利用 A N S Y S软件得到任一截面处 5点的磁感应 强度 ，以此确定该截面的平均磁感应强度。要刻画棒 和筒内的磁场轴向分布，可以直接用轴线上点的磁场 强度 ，也可以将截面上点强度值的代数平均作为该 截面磁场强度 ，这里依据各点对磁通量的贡献为各 点强度值赋权。平均磁感应强度为截面磁通量与面积 之比，利用径向均匀分布的这 5个点来确定整个截面 磁通量。在棒筒截面作同心圆分成 1～ 5号区域各含 一 点 ，并认为圆环 棒最内为圆 内均布该点强度 ， 如图 5所示 。 图5 区域划分 区域面积为 ．s ，磁感应强度为 B ，那么轴向平 均磁感应强度为 5 曰∑B iS 6 其中 i 1 ，2 ，3 ，4 ，5 。代入表 1中数据，得到棒 截面平均磁感应强度计算方法为 棒 为 一 1 亩 1 8 B 2 1 6 B 3 2 4 B 4 1 5 B 5 筒为 一 1 赢 Z 5 B l 5 6 B 2 6 4 B 3 7 2 B 4 3 9 B 5 3 ． 3轴向磁场分布 根据第 4 ． 2节中的平均方法得到不同频率下棒和 筒的轴向磁感应强度，分别如图 6中 a 、 b 所 示。 由仿真结果可得到以下结论 棒和筒中间部位磁 场分布较均匀；任一频率下 ，棒两端磁感应强度低于 中间，筒只有远离输出端较低；随频率不断增加，磁 感应强度减小，平均化后的磁感应强度也减小。 O ． 3 5 0． 3 0． 25 0 ． 2 蟑 柏 0． 15 0． 1 O． O5 l 一 1 0 H ／ 2 1 0 0Hz ／3 _ 3 0 0 H z 2 5 _ 一l 0 0 0H O ． O2 0． 04 0． 06 0． 08 x／ m a 棒 1 一 l 0H z 2 1 0 0Hz 3 3 0 0Hz 4 500Hz 争一1 000Hz 0 ． 0 2 0 ． 0 4 0 ． 0 6 0 ． O 8 xl m b 筒 图 6不同频 率 F 棒 、筒平均磁感应强度 3 ． 4 棒、筒伸长量 磁致伸缩应变 入的二次畴转模型 。 。 由式 7 给 出 A 7 其 中 M 为 饱 和磁化 强度 ，A 为饱 和磁致 伸缩 ，磁 化 强度 M 旦 一 日 旦 1 _ 8 ／Xo ／ X o 因此利用某一处磁化强度得到应变 A ，即棒或筒 伸长量与原长的比，取微元 d z ，那么该处的伸长量 A d z [ 1一 ] d 2 ，那么总的伸长量 为 删 L 2 3 A． B ． 一 d 2 9 利用 MA T L A B中的 t r a p z 函数 对应变进行数 值积 分 ，得到不同频率下棒和筒的伸长量，如图 7所 示 f ／ Hz a 棒 f ／ Hz b 筒 图7 不同频率下棒、筒伸长量 由仿真结果可知电流幅值均为 1 A时，随驱动 频率的增加，该致动器棒和筒的伸长量都要减小。在 1 0 H z 低频下 ，棒、筒的伸长量可达 4 ． 5 、0 ． 3 2 I x m， 而当频率为 1 0 0 0 H z 时，棒、筒伸长量仅仅为0 ． 0 0 2 5 、 0 ． 0 0 0 7 4 m。而且由图像可以看出低频时伸长量 衰减要大于高频；棒的伸长量要高于筒。 4结 论 为满足开关阀位移的要求，提出一种含位移放大 下转第 1 3 6页 1 3 6 机床与液压 第4 2卷 m m，厚度为 2 ． 5 m m。 仿真时间取 1 ． 2 s ，A D A M S步长取 0 ． 1 ，A M E S i m 仿真步长取 0 ． 0 1 ，发动机转速 1 2 0 0 r ／ m i n ，液压系 统工作装置各参数特性曲线如图6所示。 R Ⅱ 苦 目 ● Z 辑 54． 56． 58． 60． 2． 2． 目 2 2． 2． 2． 2． 时 间， 0 a 工作泵 出 口压力 j 。 0 ． 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 1 ． 2 时间『 | b 轮胎角速 度 时 间， s c 轮胎 扭矩 时间， 暑 d 转斗 活塞速度 时 间， 皇 e 转斗活 塞位移 图 时间， 3 f 转斗 活塞外 负载及 液压 活塞产 生的力 图6 液压系统工作装置各参数特性曲线 由仿真结果可知 ，当装载机在液压马达输 出到 轮胎的扭矩作用下开始插入料堆，此时轮胎角速度逐 渐增大到约为 3 r a d ／ s ，如图6 b 所示 ，装载机开 始正常插入料堆 ；在插入料堆一段距离后 ，装载机 的 铲掘阻力以及翻转阻力矩逐渐增大，在刚开始时，由 于铲掘阻力的作用，如图6 d 所示，转斗活塞速 度为负表面活塞被拉出，图6 e 表示活塞被拉出 约 1 0 m m，如 图 6 f 所示 ，力的大小 约为 7 8 0 0 N， 之后装载机转斗活塞在插入阻力和铲掘阻力的作用下 受到的合 力 逐渐 增 加 ，如 图 6 f 中 曲线 2所示 ， 而由于转斗 油缸 有 杆腔 与无 杆腔 的压 差一 直稳 定 在 0 ． 0 4 MP a 左右，由有杆腔和无杆腔产生的驱动力曲 线为图 6 f 中曲线 1 所示 ，驱 动力大小 约为 4 0 0 0 N，无法克服转斗活塞所受到的外负载力，因此转斗 活塞速度一直在波动。从图 6的仿真结果可以看出 当该装载机在执行边插入边转斗工况时由于外负载力 一 直在增大，而油缸有杆腔和无杆腔的压力却维持在 恒定值 ，因此该 装载机 发 动机在 1 2 0 0 r ／ m i n时 ，驾 驶员必 须将外 负载力控制 在 6 0 0 0 N以下 ，而执 行此 工况时该 装 载机 表现 为驱 动力 不 足 ，与实 际 情况 相 符。 参考文献 【 1 】田满洲． 矿用小型 防爆全液压装载机工作特性研究 [ D] ． 西安 西安科技大学 ， 2 0 0 7 ． 【 2 】柴光远， 李明， 赵真， 等． 基于 A D A M S 对称载荷工况下 矿用全液压装载机的动力学分析[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 3 ， 3 4 3 1 0 31 0 5 ． 【 3 】王凯． 5 0 型轮式装载机液压系统工作特性与能耗分析 [ D] ． 吉林 吉林大学 ， 2 0 1 1 ． 【 4 】杨国平． 现代工程机械技术[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ． 2 0 0 3 ． 上接第 1 0 2页 机构 的致动 器 ，分析 了涡流损 耗下 的 G M M 棒 磁场 、 应变。建立了平面磁场有限元模型，优化了磁场的取 样方法，更能从物理意义上刻画平均磁场；得到了棒 和筒料的磁场分布和伸长量变化。仿真结果对器件的 结构设计、工作状态选择有重要指导意义。 参考文献 【 1 】 卢全国， 陈定方， 魏国前 ， 等． G M M的发展现状及其在精 密致动器件中的应用[ J ] ． 湖北工业大学学报， 2 0 0 6 ， 2 1 3 9 2 9 4 ． 【 2 】 朱玉川 ， 马大为， 乐贵高， 等． 超磁致伸缩材料在流体控 制阀中的应用与展望[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 4 5 4 9 51 ． 【 3 】 李扩社 ， 徐静， 杨红川， 等． 稀土超磁致伸缩材料发展概 况[ J ] ． 稀土， 2 0 0 4 ， 2 5 4 5 1 5 6 ． 【 4 】丁凡， 姚健娣， 笪靖 ， 等． 高速开关阀的研究现状[ J ] ． 中 国工程机械学报 ， 2 0 1 1 ， 9 3 3 5 1 3 5 7 ． 【 5 】肖俊东， 王占林． 新型超磁致伸缩电液高速开关阀及其 驱动控制技术研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 1 8 0 8 3 ． 【 6 】辛伟， 丁克勤， 黄冬林 ， 等． 基于 A N S Y S的脉冲涡流激励 参数选取的仿真分析 [ J ] ． 机械工程与 自动化， 2 0 1 0 2 5 8 5 9 ． 【 7 】蔡家利 ， 刘壮， 张仲超． 电磁铁涡流制动分析与设计 [ J ] ． 机 电工程 ， 2 0 0 7 ， 2 4 8 8 4 8 6 ． 【 8 】李要， 龙土国， 涂林， 等． 超磁致伸缩换能器磁棒磁场及 应变的数值仿真 [ J ] ． 计算机仿真， 2 0 0 5 ， 2 8 5 2 7 5 2 7 8． 【 9 】 李跃松， 朱玉川 ， 吴洪涛， 等． 射流伺服阀用超磁致伸缩 执行器磁场建模与分析[ J ] ． 兵工学报， 2 0 1 0， 3 1 1 2 1 5 8 7 1 59 2． 【 1 0 】王博文， 曹淑瑛， 黄文美． 磁致伸缩材料与器件[ M ] ． 北 京 冶金工业出版社， 2 0 0 8 ． 【 1 1 】张德丰． M A T L A B数值计算方法[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 0 ．