多级调压型磁流变阀结构优化设计

胡国良，黄敏，喻理梵，龙铭

(华东交通大学机电工程学院，江西南昌330013)

磁流变阀是以磁流变液的磁流变效应为控制原理设计的一种液压智能控制元件。传统磁流变阀阀芯和阀体形成磁流变液流经通道，通过改变外加电流的大小来改变液流通道内的磁场强度，进而改变通道内的磁流变液的黏度，形成不同的压力差。由于磁流变阀采用电信号控制，无相对移动部件，不仅结构简单、运动可靠，而且控制方便、响应速度快，可以满足对液压系统和液压元件的智能化、低能耗、高效率、高可靠性和环保的要求［1－3］。

影响磁流变阀性能的因素是多方面的，包括结构、阻尼间隙尺寸、绕线线圈数量及加载电流大小等［4－6］。重庆大学的艾红霞［7］提出了一种同时具有圆环形和圆盘形阻尼间隙的磁流变阀，并对其进行了电磁场仿真分析。昆明理工大学的王京涛［8］提出了一种基于磁流变液的先导式溢流阀，采用ANSYS进行了磁场分析，并对溢流阀的静态和动态特性进行了仿真分析。杭州电子科技大学的金方银［9］对磁流变液压伺服阀驱动机制展开了实验研究，分析了压力控制系统中控制电流、液压半桥输出压力以及系统流量之间的相互关系，为高频响大流量的磁流变液压伺服阀的先导级的研究奠定了实验基础。马来西亚的SALLOOM［10］设计了一种磁流变液三位四通方向控制阀，仿真和实验结果表明该阀能有效地控制液压缸的运动方向和运动速度。

目前，国内外对磁流变阀的研究大多数是局限于磁流变阀的潜在工业应用上，或者探讨磁流变阀的最佳工作点，即电流与电路的饱和关系。为了提高磁流变阻尼器的压差可控范围，提出一种由三组电磁线圈组成的多级调压型磁流变阀，并以该磁流变阀的阀比为优化目标，优化出磁流变阀的最佳结构尺寸，充分发挥磁流变阀的可控性能。

1 多级调压型磁流变阀结构设计

图1所示为多级调压型磁流变阀的结构图，主要包括端盖、定位块、导流块、阀芯、阀体和螺钉等主要部件。阀芯上绕有三组磁励线圈，线圈的引线由两端端盖上的小孔引出;阀体和阀芯之间的阻尼间隙是通过定位块的径向定位而形成的，定位块与阀体过渡配合，且定位块上均匀分布导流孔，磁流变液通过导流孔进入阻尼间隙。

图1 多级调压型磁流变阀结构简图

多级调压型磁流变阀的工作原理图如图2所示，当向三组线圈分别输入一定方向及大小的电流时，由于电磁效应使得阻尼间隙内产生磁场。在外加磁场作用下，磁流变液在毫秒级时间内可由流动状态良好的液态转变成类固态，呈现出黏塑性流体，并表现出一定的抗剪切屈服应力，且随外加磁场强度的增大而增大，直至磁流变液达到饱和状态，从而在磁流变阀的进出口处产生压力差。通过调节3个励磁线圈中电流大小以及方向，可实现对4个阻尼间隙内压差的实时控制，形成多级调压。进而达到控制磁流变阀进出口压力差的目的。

图2 多级调压型磁流变阀工作原理示意图

相对于单线圈和双线圈磁流变阀来说，多级调压型磁流变阀调压级数大、阀比小、压差可调范围大。

2 多级调压型磁流变阀建模仿真分析

磁流变阀中产生和改变磁场的关键为阻尼间隙内的磁路分布，利用ANSYS有限元仿真软件对多级调压型磁流变阀的电磁场进行数值模拟，研究阀体磁路内部的分布，从而为阀进出口压降特性分析提供参考。

图3所示为多级调压型磁流变阀的仿真模型简图，由于该阀的结构和磁路是轴对称的，所以只建立1/2的模型进行分析。仿真时选择2D单元，单元类型为Magnetic vector中的Quad 8 node 53，并在单元实常数中的Element behavior选项选择Axisymmetric(轴对称单元)。

图3 多级调压型磁流变阀仿真模型简图

模型结构尺寸中，阀芯长度初始值H=72 mm;线圈槽深S=10 mm;槽宽K=16 mm;线圈槽到阀芯断面的距离A=(H－3×K)/6=4 mm;阀芯半径R1=20 mm;阻尼间隙D=0.5 mm;套筒厚度T=10;线圈匝数N=(S×K)/0.25;通电强度I=2 A;线圈槽的面积定义为ACOIL=S×K;电流密度定义为Idens=N×I/Acoll。

阀芯和阀体选用10号钢导磁材料，其导磁率由10号钢的B－H曲线定义;励磁线圈材料选用直径为0.5 mm的铜导线，其相对导磁率为μ=1;阻尼间隙区充满磁流变液，其导磁率由型号为美国LORD公司生产MRF-132DG磁流变液的B－H曲线定义;磁流变阀其它部分均采用不导磁材料。

在静态磁场分析中，根据磁场的磁通连续性定理，近似认为外界无磁通通过，定义磁力线与边界平行。图4为磁感应强度分布图，图5为磁感应强度沿图3所示的固定路径的X方向的大小分布图，固定路径起始点位为(R1+D/2，0)，终点为(R1+D/2，A)。

磁流变阀的结构设计原则是在额定电流范围内磁流变液可以达到饱和，也就是可以使磁流变液完全凝固，而且要尽量使黏性压力损失Δpη及与磁场有关的压力损失Δpτ之比尽量小。由图5可知，当对由初始值确定的磁流变阀模型进行仿真得出的最大磁感应强度为0.81 T，而MRF-132DG型号的磁流变液达到饱和起码要达到0.9 T［6］，所以此初始尺寸的多级调压型磁流变阀不符合设计要求。为了使此磁流变阀符合要求，需对其进行结构优化。

图4 磁感应强度分布图

图5 磁感应强度沿固定路径的变化

3 多级调压型磁流变阀几何优化设计

为了给后续的结构优化提供一个合理和科学的优化目标函数以及状态变量，单靠对模型进行求解提供的变量是不够，所以需要对仿真结果进行后处理。

磁感应强度 (沿X方向)沿固定路径的积分值为:

磁感应强度沿X方向固定路径的平均值为:

磁场引起的屈服应力:

其中:X为磁流变液的零场黏度，且X=0.092;q为通过磁流变阀的流量，取q=4.0 L/min;C为协同系数，取C=2。

在几何优化之前，要建立优化的设计变量，状态变量和目标函数。由于磁流变阀的绕线槽的深度和宽度，阻尼间隙的宽度和阀体的厚度是影响阻尼间隙内的磁感强度大小的关键因素，所以定义K、S、T和D为设计变量，其范围为15＜K＜20，4＜S＜15，7＜T＜10，0.5＜D＜0.8。因为在优化时是以阀比为优化目标，又要保证阻尼间隙内的磁感应强度的大小，所以定义OB为状态变量，范围为1.2T＜OB＜1.4T;目标函数为OBJ。

各变量设定好后则可以进行优化运算，这里使用一阶方法，经过30次迭代，得出如图6所示的所有设计序列，其中带有*符号的SET5为最佳序列。

图6 优化参数序列

分析上面的数据可知，除第1组外，优化后的几组数据的OB值基本上都能达到0.9T以上，满足磁流变液通电时完全饱和的要求，而且其阀比都比原始的OBJ值要小40%左右。表1列出了优化后与优化前的尺寸。由表中可以看出，优化后的阻尼间隙D增加了0.03 mm，而绕线槽深S则减少了6 mm。

表1 优化前后的多级调压型磁流变阀尺寸变化 mm

对优化后的多级调压型磁流变阀进行磁场仿真，仿真时除了阻尼间隙D和绕线槽深度S这两个变化的尺寸外，阀的其它参数均不变。仿真结果如图7和图8所示。由图7和图8可知，优化前磁感应强度沿线圈槽与阀芯端面之间的阻尼间隙中间路径的值最大只能达到0.785 T，而优化后能达到1.0 T，且平均值都是在0.95 T以上，满足了使磁流变液达到完全饱和状态的要求，所以优化后的尺寸满足设计要求。

图7 优化后的磁感应强度分布图

图8 优化后磁感应强度沿固定路径的变化

图9所示为优化前后磁感应强度随施加电流的变化曲线，由图可知，在通入电流大于0.7 A以后，优化后的磁感应强度明显大于优化之前，在通入最大电流时，优化之前最大磁感应强度为0.78 T，而优化之后可以达到1 T，增加了电流的效能。图10所示为优化前后阀进口和出口压差随电流大小的变化曲线。由图可知，优化前的最大压降为4.18 MPa，而优化后的最大压降为4.46 MPa，所以优化后的调压宽度更大，达到了优化的目标。

图9 优化前后的磁感应强度

图10 优化前后的压差

因为优化后的阻尼间隙宽度变宽，由0.5 mm变为0.53 mm，导致磁阻变大，在通入小电流情况下阻尼间隙处产生的磁感应强度要小，所以图9和图10优化后的磁感应强度和压降在通入电流小于0.7 A时要比优化前的小。

4 结束语

设计了一种多级调压型磁流变阀，通过在阀芯上缠绕三组励磁线圈，在施加一定大小和方向的电流后，可有效地控制进出阀口的压力差。

采用ANSYS有限元仿真软件对所设计的多级调压型磁流变阀进行了电磁场仿真分析及优化设计。优化前后的对比结果表明该设计能满足多级调压型磁流变阀的性能要求，并且调压范围更宽。

［1］王耀光，刘荣.智能材料在液压控制中的应用［J］.机床与液压，2018(12):1－5.

［2］KOSTAMO E，KOSTAMO J，KAJASTE J，et al.Magnetorheological Valve in Servo Applications［J］.Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2012，23(9):1001－1010.

［3］YOSHIDAL K，SOGA T，KAWACHI M，et al.Magnetorheological Valve-integrated Cylinder and its Application［J］.Systems and Control Engineering，2009(9):31 －41.

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［5］NGUYEN Q H，CHOI S B，WERELEY N M.Optimal Design of Magnetorheological Valves Via a Finite Element Method Considering Control Energy and a Time Constant［J］.Smart Materials and Structures，2008，17(2):1 －12.

［6］NGUYEN Q H，CHOI S B，LEE Y S，et al.An Analytical Method for Optimal Design of MR Valve Structures［J］.Smart Materials and Structures，2009，18(9):1088 －1100.

［7］艾红霞.磁流变阀及具有阻尼特性的磁流变液压执行器的研究［D］.重庆:重庆大学，2005.

［8］王京涛.基于磁流变液的先导式溢流阀研究［D］.昆明:昆明理工大学，2011.

［9］金方银.磁流变液压伺服阀的驱动机理与实验研究［D］.杭州:杭州电子科技大学，2012.

［10］SALLOOM M Y，SAMAD Z.Design and Modeling Magnetorheological Directional Control Valve［J］.The International Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2011，23(2):155－167.