磁性弹簧在液压单向阀中的应用
发布时间：2017-09-01
1 引言
机械弹簧由于固有缺陷，如在长距离的振动中，难于实现平衡与共振; 由于疲劳造成弹簧失效; 在高温下，由于剪切模量的变化，导致承载能力下降; 在流体传动与控制中，液压弹簧的弹性系数过大，而气压弹簧的弹性系数过小[1]。本文根据永磁磁铁的作用机理，设计了永磁磁性弹簧的基本类型[2]，应用有限元法( FEM) 计算出磁性弹簧的磁性力，从而把永磁磁性弹簧应用在液压单向阀中，大大提高了液压单向阀的启闭特性以及方向控制回路的性能。
2 磁性弹簧结构类型与作用机理
磁性弹簧是充分利用永磁材料的物理特性，通过一定的转换方式来实现其存储能量和释放能量[3]。
采用稀土永磁材料( NdFeB) 作为磁性弹簧的原材料，可以同机械弹簧，液压弹簧，空气弹簧一样提供动力、机械缓冲、限制机械零件和测量重量。根据承受负载方式的不同，机械弹簧可以归纳为拉伸、压缩、扭转和弯曲四种类型。相对应，磁性弹簧结构类型和力特性曲线见表1。
由表1 可以看出，由稀土永磁材料构成的磁性弹簧，不仅可以具有与机械弹簧同样的储能功效，而且也具有机械弹簧拉伸，压缩，扭转和弯曲的功能。并且磁性弹簧还具有以下特点:
( 1) 由于磁性弹簧是软连接，可以达到较大位移与较小振动，同时吸收振动所要求的距离较小，很容易达到平衡; 不存在疲劳磨损，使得磁性弹簧具有较长的寿命和稳定性;
( 2) 弹簧的形状可以根据机械设备的要求，设计更加灵活、方便;
( 3) 磁性弹簧体积小，重量较轻，有比机械弹簧更好的储能能力;
( 4) 弹簧力只与磁性材料的磁性能有关。
3 磁性弹簧的有限元分析
磁性弹簧的磁力计算按有限元虚功法，对于n +1个永磁铁组成的系统，欲求第e 个磁铁所受的磁力，可以设想第e 个磁铁在磁场力F 作用下沿坐标x 方向发生了位移dx，而其余磁铁均不动，根据有限元虚功法.
根据存储的总能量公式，磁铁所受合力等于磁铁单位体积的受力乘以长度。
式中: v 为场域的体积; B 为磁感应强度; H 为磁场强度。
在有限元计算中，当采用长方形单元体积模型时，v 被离散为一系列的长方形体积单元，W 为每一个三角形的能量之和，可得
式中: N 为场域内总的长方形单元数; ve为长方体的单元体积。
当采用一阶单元时，式( 3) 可以转换成和的形式
式中: μe为第e 个长方形单元磁导率。
将( 1) 、( 3) 和( 4) 式联合求解，可得出
式中: Fx为x 方向上的单元力; 为磁场强度对位移的微分; x 为节点坐标分别在X、Y、Z 全局方向上的虚位移。
4 磁性弹簧在液压单向阀中的应用研究
在液压阀中，都设有作用不同( 如复位、平衡和调压等) 的弹簧。液压阀在工作过程中，阀芯的反应速度、启闭特性、密封性与弹簧力密切相关。
4. 1 磁性液压单向阀
在液压单向阀中( 图1) ，用磁性弹簧间磁性吸力为阀芯的运动提供动力，磁性液压单向阀的基本结构如图2 所示。
与普通液压单向阀相比，磁性液压单向阀的外形尺寸比普通单向阀减小1/3; 磁性弹簧不存在机械弹簧中的疲劳失效问题; 压力损失小，启闭特性好，从图3中可以看出，曲线在O 点时，机械弹簧阀与磁性弹簧阀同时处于关闭状态，此时磁性弹簧阀的压紧力明显大于机械弹簧阀，说明磁性弹簧阀具有较好的稳定性。机械弹簧阀开启压力较低，在压力不断升高时，开口量逐渐增大，机械弹簧缓慢压缩，弹簧力不断加大。而磁性弹簧阀开启压力较高，当压力达到开启压力时，阀口迅速打开，磁性弹簧的压力逐渐降低，说明磁性弹簧阀的反应速度明显高于机械弹簧阀，而压力损失明显小于机械弹簧阀。磁性弹簧阀结构更加简单，流体阻力降低，噪音较小。在阀需要关闭时，由于磁铁间的磁力作用，能够迅速关闭。
4. 2 可调磁性力液压单向阀
普通可调式单向阀如图4 所示，可调节磁性力的液压单向阀是利用磁性弹簧间的斥力作用，其基本结构如图5 所示。
图6 曲线Ⅰ显示了阀体压缩弹簧的压缩力与阀芯位移D 的关系，曲线Ⅱ显示了磁力与磁间隙D 之间的关系。由图6 可知，在O 位置时，磁性弹簧阀与机械弹簧阀均处于关闭状态，随着压力增大阀芯开启。磁性弹簧阀所需初始开启压力大于机械弹簧阀，说明其稳定性较好。整个开启过程中，磁性弹簧阀的磁力小于机械弹簧力，磁性弹簧阀的反应速度较快。由图5可知，磁性弹簧液压阀结构简单，当用于背压阀时，通过调节螺杆来调节两块永久磁铁的磁性间隙就可以达到调节压力的要求，不存在更换弹簧问题，操作方便。
使用稀土永磁材料的磁铁弹簧可以使液压单向阀尺寸减小1/4 到 1/3，压力损失小，避免了阀体压缩弹簧疲劳磨损问题。
5 结论
与机械弹簧相比，设计的磁性弹簧，在拉伸、压缩、扭转和弯曲工况下，磁铁弹簧结构简单，力传递路线短，无疲劳磨损。
把所设计的磁性和可调磁性弹簧应用在液压单向阀控制回路中，代替传统的机械弹簧，不仅减小了液压单向阀尺寸，减轻了重量，而且大大提高了液压单向阀的启闭特性，减少了压力损失，降低了噪音和振动，延长了其使用寿命。同时也提高了液压传动系统方向控制回路性能。
摘自：中国计量测控网
