一种新型磁流变控阻尼溢流阀的设计与性能分析

　　传统溢流阀主要有两种,一种是直动式溢流阀,一种是先导式溢流阀。直动式溢流阀结构简单、反应灵敏,但稳定性差,因此只适用于低压小功率场合。先导式溢流阀虽然适用于高压大功率场合,但由于结构复杂、反应不够灵敏使其使用场合也受到一定限制。磁流变流体(Magnetorheological fluid,简称MRF)是一种极具开发前景和工程应用价值的新型智能流体。所谓磁流变效应即指MRF在外加电流作用下,其流变特性随外加电流的变化而在毫秒级时间内迅速变化,且这种变化可逆、连续、可控。利用这种流变效应,文中设计了一种新型磁流变控阻尼器,并将其应用到溢流阀,得到一种综合性能更优于传统溢流阀的磁流变(简称MR)控阻尼溢流阀。

　　1 MR控阻尼溢流阀的设计

　　1.1 MR控阻尼器的设计[1-2]

　　MR控阻尼器结构简图如图1所示。阀体与缠绕线圈的阀芯间充满磁流变液体,阀芯与阀体之间间隙高度为h,阀芯有效工作面积为A1。线圈加载电流后,当阀芯与MRF之间有相对运动时, MR控阻尼器产生阻尼力阻碍阀芯运动。且该阻尼力随外加电流的变化而变化,是一可调阻尼力(详细设计见参考文献[1-2])。

　　1.2 MR控阻尼溢流阀的定压原理

　　MR控阻尼溢流阀的结构图如图2所示,它由MR控阻尼器与直动式溢流阀串联而成。液压油从进油口P经油路作用在阀芯2工作面积上,当入口压力p低于开启压力pk时,阀口关闭,不溢流;当p增至pk时,阀打开,溢流,阀处于工作状态。在溢流过程中,由于某种原因(如负载突然变化等)引起入口压力波动时,阀芯则在平衡位置x_v0附近振荡。此时,由控制系统根据压力波动情况自动控制电流来调节阻尼力Fmr的变化,从而使阀芯迅速定位于x_v0,从而保证p的稳定。这就是MR控阻尼溢流阀的定压原理。

　　1.3 MR控阻尼溢流阀的控制系统

　　MR控阻尼溢流阀的控制系统由压力传感器、信号调节放大器、可调直流电源、单片机等组成。单片机是整个控制系统的控制核心,其主要功能是完成数据的采集、模数转换、信号比较及控制可调直流电源的输出电流值,其控制框图如图3所示。

　　2 MR控阻尼溢流阀静态性能分析

　　忽略阀芯自重及各种摩擦力,阀在稳定工作状态时,其力平衡方程可表示为:

　　式中:弹簧作用力Ft=k(x₀+xv),阀芯所受轴向稳态液动力Fs=2CdwkxvcosH,阻尼器产生的阻尼力F_mr=SA1。其中: k为弹簧的弹性系数; x0为弹簧预压缩量; xv为压力为p时阀口开度; Cd为流量系数;w为面积梯度;H为阀芯中线与油液流速的夹角;S为磁场作用下MRF产生的剪切应力; A₂为阀芯2有效工作面积; A₁为阀芯1有效工作面积。