磁性彈簧在液壓單向閥中的應用
發布時間：2017-09-01
1 引言
機械彈簧由于固有缺陷，如在長距離的振動中，難于實現平衡與共振; 由于疲勞造成彈簧失效; 在高溫下，由于剪切模量的變化，導致承載能力下降; 在流體傳動與控制中，液壓彈簧的彈性系數過大，而氣壓彈簧的彈性系數過小[1]。本文根據永磁磁鐵的作用機理，設計了永磁磁性彈簧的基本類型[2]，應用有限元法( FEM) 計算出磁性彈簧的磁性力，從而把永磁磁性彈簧應用在液壓單向閥中，大大提高了液壓單向閥的啟閉特性以及方向控制回路的性能。
2 磁性彈簧結構類型與作用機理
磁性彈簧是充分利用永磁材料的物理特性，通過一定的轉換方式來實現其存儲能量和釋放能量[3]。
采用稀土永磁材料( NdFeB) 作為磁性彈簧的原材料，可以同機械彈簧，液壓彈簧，空氣彈簧一樣提供動力、機械緩沖、限制機械零件和測量重量。根據承受負載方式的不同，機械彈簧可以歸納為拉伸、壓縮、扭轉和彎曲四種類型。相對應，磁性彈簧結構類型和力特性曲線見表1。
由表1 可以看出，由稀土永磁材料構成的磁性彈簧，不僅可以具有與機械彈簧同樣的儲能功效，而且也具有機械彈簧拉伸，壓縮，扭轉和彎曲的功能。并且磁性彈簧還具有以下特點:
( 1) 由于磁性彈簧是軟連接，可以達到較大位移與較小振動，同時吸收振動所要求的距離較小，很容易達到平衡; 不存在疲勞磨損，使得磁性彈簧具有較長的壽命和穩定性;
( 2) 彈簧的形狀可以根據機械設備的要求，設計更加靈活、方便;
( 3) 磁性彈簧體積小，重量較輕，有比機械彈簧更好的儲能能力;
( 4) 彈簧力只與磁性材料的磁性能有關。
3 磁性彈簧的有限元分析
磁性彈簧的磁力計算按有限元虛功法，對于n +1個永磁鐵組成的系統，欲求第e 個磁鐵所受的磁力，可以設想第e 個磁鐵在磁場力F 作用下沿坐標x 方向發生了位移dx，而其余磁鐵均不動，根據有限元虛功法.
根據存儲的總能量公式，磁鐵所受合力等于磁鐵單位體積的受力乘以長度。
式中: v 為場域的體積; B 為磁感應強度; H 為磁場強度。
在有限元計算中，當采用長方形單元體積模型時，v 被離散為一系列的長方形體積單元，W 為每一個三角形的能量之和，可得
式中: N 為場域內總的長方形單元數; ve為長方體的單元體積。
當采用一階單元時，式( 3) 可以轉換成和的形式
式中: μe為第e 個長方形單元磁導率。
將( 1) 、( 3) 和( 4) 式聯合求解，可得出
式中: Fx為x 方向上的單元力; 為磁場強度對位移的微分; x 為節點坐標分別在X、Y、Z 全局方向上的虛位移。
4 磁性彈簧在液壓單向閥中的應用研究
在液壓閥中，都設有作用不同( 如復位、平衡和調壓等) 的彈簧。液壓閥在工作過程中，閥芯的反應速度、啟閉特性、密封性與彈簧力密切相關。
4. 1 磁性液壓單向閥
在液壓單向閥中( 圖1) ，用磁性彈簧間磁性吸力為閥芯的運動提供動力，磁性液壓單向閥的基本結構如圖2 所示。
與普通液壓單向閥相比，磁性液壓單向閥的外形尺寸比普通單向閥減小1/3; 磁性彈簧不存在機械彈簧中的疲勞失效問題; 壓力損失小，啟閉特性好，從圖3中可以看出，曲線在O 點時，機械彈簧閥與磁性彈簧閥同時處于關閉狀態，此時磁性彈簧閥的壓緊力明顯大于機械彈簧閥，說明磁性彈簧閥具有較好的穩定性。機械彈簧閥開啟壓力較低，在壓力不斷升高時，開口量逐漸增大，機械彈簧緩慢壓縮，彈簧力不斷加大。而磁性彈簧閥開啟壓力較高，當壓力達到開啟壓力時，閥口迅速打開，磁性彈簧的壓力逐漸降低，說明磁性彈簧閥的反應速度明顯高于機械彈簧閥，而壓力損失明顯小于機械彈簧閥。磁性彈簧閥結構更加簡單，流體阻力降低，噪音較小。在閥需要關閉時，由于磁鐵間的磁力作用，能夠迅速關閉。
4. 2 可調磁性力液壓單向閥
普通可調式單向閥如圖4 所示，可調節磁性力的液壓單向閥是利用磁性彈簧間的斥力作用，其基本結構如圖5 所示。
圖6 曲線Ⅰ顯示了閥體壓縮彈簧的壓縮力與閥芯位移D 的關系，曲線Ⅱ顯示了磁力與磁間隙D 之間的關系。由圖6 可知，在O 位置時，磁性彈簧閥與機械彈簧閥均處于關閉狀態，隨著壓力增大閥芯開啟。磁性彈簧閥所需初始開啟壓力大于機械彈簧閥，說明其穩定性較好。整個開啟過程中，磁性彈簧閥的磁力小于機械彈簧力，磁性彈簧閥的反應速度較快。由圖5可知，磁性彈簧液壓閥結構簡單，當用于背壓閥時，通過調節螺桿來調節兩塊永久磁鐵的磁性間隙就可以達到調節壓力的要求，不存在更換彈簧問題，操作方便。
使用稀土永磁材料的磁鐵彈簧可以使液壓單向閥尺寸減小1/4 到 1/3，壓力損失小，避免了閥體壓縮彈簧疲勞磨損問題。
5 結論
與機械彈簧相比，設計的磁性彈簧，在拉伸、壓縮、扭轉和彎曲工況下，磁鐵彈簧結構簡單，力傳遞路線短，無疲勞磨損。
把所設計的磁性和可調磁性彈簧應用在液壓單向閥控制回路中，代替傳統的機械彈簧，不僅減小了液壓單向閥尺寸，減輕了重量，而且大大提高了液壓單向閥的啟閉特性，減少了壓力損失，降低了噪音和振動，延長了其使用壽命。同時也提高了液壓傳動系統方向控制回路性能。
摘自：中國計量測控網
