CN114001023B - 一种纳米磁流体液压泵站及其使用方法 - Google Patents

一种纳米磁流体液压泵站及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米磁流体液压泵站及其使用方法，属于液压传动技术领域。本发明包括液压泵、液压介质、出油管道、吸油管道、油箱。液压泵安装在油箱上，液压介质位于油箱内，液压泵上安装有出油管道和吸油管道，所述吸油管道插入油箱内的液压介质中。所述液压介质为纳米磁流体。所述液压泵为纳米磁流体液压泵，所述纳米磁流体液压泵内安装有电磁线圈，通过电磁线圈产生的磁场对纳米磁流体的粘度进行调控。还包括对纳米磁流体的温度进行监测的温控模块。还包括对纳米磁流体分散稳定性进行检测的分散性检测仪。还包括对沉降后的纳米磁流体进行再分散的超生分散装置。本发明提高了液压泵工作的安全性和使用寿命。

Description

一种纳米磁流体液压泵站及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种纳米磁流体液压泵站及其使用方法，属于液压传动技术领域。
背景技术
液压泵是液压系统的动力元件。现有的液压系统多采用矿物型液压油作为工作介质，但粘度随温度的变化较大：（1）低温环境下液压油粘度变大，导致液压泵吸油阻力增大，吸油困难，吸油真空度大，气蚀几率增加，容积效率低下，工作噪声大。（2）高温环境下液压油粘度变小，液压泵密封性能降低，泄漏增加，容积效率降低。此外，液压油粘度变小，摩擦副润滑性能降低，零件磨损加剧，液压泵使用寿命降低。（3）温度变化造成液压油粘度的变化，影响了液压泵的工作效率，降低了液压系统的控制性能。
纳米磁流体是由小于10nm粒径的磁性颗粒均匀分散在基液中形成的一种同时具备磁性及流动性的智能流体，其受到磁场作用粘度会迅速（毫秒级）变大，随着磁场强度的增大或减小，磁流体粘度会相应增大或减小，这种变化是可控可逆的。纳米磁流体不同于磁流变液（微米级粒径），也区别于普通磁流体（1-100nm粒径），纳米磁流体经受离心力或磁场作用不易发生凝聚或沉淀，不会造成系统堵塞，具有流动性、密封性、润滑性好等优点，可制备成满足液压传动特性要求的工作介质。将纳米磁流体应用于液压传动介质，具备发展出更加高效、节能、智能的液压元件及系统的积极前景，更利于开发应用于特殊工作场合、极端工况的特种液压元件及系统。
使用纳米磁流体作为液压泵的工作介质，可以很好的解决上述问题。但是使用纳米磁流体作为液压泵的工作介质，还需要解决对其分散性进行检测。
现有技术中，对于磁性液体（磁流体、磁流变液等）分散性的检测，目前主要有两种：（1）通过微观结构形貌表征。利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）对磁性液体微观结构进行表征，通过分析后可得出磁性颗粒的包覆、分散情况。该种方法能较好表征磁性液体微观的团聚现象、颗粒形状尺寸等，但对仪器要求较高，使得检测成本高、检测周期长，且利用该种方法检测前须对磁性液体进行洗涤并干燥，从而不能检测高浓度磁性液体。（2）通过沉降稳定性表征。①将磁性液体加入试管中，磁性液体在重力场或离心力作用下沉降，通过观察磁性液体的分层现象，计算得到的上层清液所占体积分数，体积分数越大表示分散性越差。②对于分层不明显的磁性液体，则利用颗粒悬浮率表征，测试磁性液体上层和底层的密度，通过计算二者比值得到颗粒悬浮率，悬浮率越大表示分散性越好。沉降稳定性检测方法，检测成本较低，检测结果可靠，但其依赖实验器材，如试管、密度仪等，且检测周期较长。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种纳米磁流体液压泵站，实现液压油粘-温性能补偿的同时保证液压介质具有较好的分散稳定性，以解决现有液压泵因液压油粘-温特性变化导致的工作效率低及液压系统控制性能降低的问题，提高液压泵工作的安全性和使用寿命。
本发明的技术方案是：一种纳米磁流体液压泵站，包括液压泵、液压介质、出油管道、吸油管道、油箱。液压泵安装在油箱上，液压介质位于油箱内，液压泵上安装有出油管道和吸油管道，所述吸油管道插入油箱内的液压介质中。
所述液压介质为纳米磁流体。
所述液压泵为纳米磁流体液压泵，所述纳米磁流体液压泵内安装有电磁线圈，通过电磁线圈产生的磁场对纳米磁流体的粘度进行调控。从而补偿温度变化对介质粘度造成的影响，使得纳米磁流体液压介质时刻处于最佳粘度范围。
还包括对纳米磁流体的温度进行监测的温控模块。
还包括对纳米磁流体分散稳定性进行检测的分散性检测仪。
还包括对沉降后的纳米磁流体进行再分散的超生分散装置。
所述分散性检测仪为两个，安装在油箱上，所述分散性检测仪为磁力差值式分散性检测仪，至少包括永磁体和力传感器，通过力传感器测量永磁体所受磁力的大小，实现对纳米磁流体中的颗粒浓度大小的检测。
所述超生分散装置包括对纳米磁流体进行再分撒的超声波振子和振动钢板，超声波振子安装在油箱底部并与振动钢板接触。
所述电磁线圈每组匝数一致，缠绕方向相邻绕线柱两两相反。
所述纳米磁流体为油基或水基纳米磁流体，平均粒径小于10nm，颗粒浓度为0.5wt%-8wt%，磁性颗粒为NiFe2O4、Fe3O4等软磁材料，水基纳米磁流体须加入增粘剂提高粘度。
所述温控模块包括对纳米磁流体的温度进行监控的温度传感器和控制电磁线圈通入电流的控制器。
本发明实现粘-温性能补偿功能的原理是：
（1）实时粘-温性能补偿：在正常工作温度范围内，粘度会时刻随着温度变化而变化。此时，直流电通入线圈，由于每组线圈缠绕方向相反，并交替排列，因此能够得到均匀的磁感应线分布，且磁感应线垂直于轮齿摩擦副方向。纳米磁流体受到磁场作用，粘度会发生可控可逆的变化，从而实时补偿因温度变化造成的基液粘度变化。
（2）低温粘度补偿：当温度过低时，介质粘度过大。此时，交流电通入线圈，产生交变磁场。受交变磁场作用，纳米磁流体中的磁性颗粒发生剧烈运动，在磁矢量旋转和布朗松弛等的综合作用下产生热量，使纳米磁流体液压介质升温降粘，起到低温时削弱粘度的补偿效果。
性能特点：粘度实时补偿，实现了在较宽温域内，液压传动介质保持最佳粘度，使液压传动介质易形成润滑油膜，起减少泄漏、抗磨减摩效果。
低温粘度补偿解决了低温环境下液压油粘度变大，导致液压泵吸油阻力增大，吸油困难的问题。传统加热方式只能以加热器件为中心，周围温度呈梯度下降，采用交变磁场，能够使介质升温更加均匀，避免了液体内部温度不一致造成的粘度梯度。
一种利用所述纳米磁流体液压泵站实现粘-温性能补偿的方法，具体步骤为：
Step1：对纳米磁流体的温度进行监测，并收集其温度数据。
Step2：将直流电通入到电磁线圈中，产生恒磁场，使得磁场覆盖纳米磁流体，同时，将直流电转化为数字信号并输入温控模块中。
Step3：通过温控模块对纳米磁流体的温度进行判断，判断其是否达到额定最低工作温度。
Step4：若纳米磁流体的温度低于额定最低工作温度，则对电磁线圈通入交流电源，产生交变磁场，使得交变磁场覆盖纳米磁流体，直至温度达到额定温度时停止。
Step5：若纳米磁流体的温度高于额定最低工作温度，则温控模块根据实时温度和电流信号，计算出所需补偿的电流大小，然后启动直流电源调控恒磁场大小，对纳米磁流体粘度的粘度损失进行实时补偿。
一种利用所述纳米磁流体液压泵站实现介质分散稳定性检测及再分散的方法，具体步骤为：
Step1：打开力传感器，进行校准调零。
Step2：调节上下两个分散性检测仪与被检介质的距离，使得两个分散性检测仪的永磁体和安装在油箱壁上的玻璃窗（8-1）之间的间距均为0.1mm。
Step3：等待5min，待力传感器读数恒定后，读出上下两个分散性检测仪的读数，并计算读数差值。
Step4：当差值大于判定值时，关闭力传感器，调节上下两个分散性检测仪与被检介质的距离，使得两个分散性检测仪的永磁体和安装在油箱壁上的玻璃窗（8-1）之间的间距大于5mm。
Step5：启动超声波振子，超声分散15min。
Step6：重复Step1-Step3，若差值还是大于判定值，则重复Step5。若小于判定值则进行Step7。
Step7：当差值小于判定值时，关闭力传感器，调节上下两个分散性检测仪与被检介质的距离，使得两个分散性检测仪的永磁体和安装在油箱壁上的玻璃窗（8-1）的间距大于5mm。
本发明的有益效果是：
1、本发明实现了液压泵的粘-温性能补偿，解决了现有液压泵因液压油粘-温特性变化导致的工作效率低及液压系统控制性能降低的问题，提高液压泵工作的安全性和使用寿命。
2、本发明采用纳米磁流体作为工作介质，稳定性、流动性、润滑性好，磁-粘调控响应速度快。
3、本发明纳米磁流体液压介质采用平均粒径小于10nm磁性颗粒，硬度高、磁性能好，在摩擦副填平微凹坑、起到微轴承润滑效果，并在长期使用中起到自修复效果。
4、本发明的低温粘度补偿，采用交流电源产生交变磁场作用于纳米磁流体发热，介质发热均匀。
5、本发明纳米磁流体液压泵，线圈采用交替缠绕的方式，高效利用磁场，且磁场几乎不作用于吸/排油口区域，使得该区域粘度较小，降低粘致功率损失。
6、本发明在油箱底部设置超声波振子，分散效果好，对纳米磁流体进行再分散效果，提高了纳米磁流体液压介质的使用寿命。
7、本发明提出一种基于磁力差值的介质分散稳定性检测方法，该方法不仅适用于检测本发明所述纳米磁流体，也适用于检测各类磁性液体的分散稳定性。
8、本发明提出一种磁力差值式分散性检测装置，结构简单，检测准确可靠，利于大批量工程应用。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明纳米磁流体液压泵结构示意图；
图3是本发明磁力差值式分散性检测仪的剖视图；
图4是本发明电磁线圈缠绕方向和磁场分布示意图；
图5是本发明粘-温性能补偿方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，一种纳米磁流体液压泵站，包括纳米磁流体液压泵1、出油管道2、振动钢板4、吸油管道5、超声波振子6、油箱箱体7、分散性检测仪8、纳米磁流体9、温度传感器10和油箱盖板11。纳米磁流体齿轮泵1固定安装在油箱盖板11上，出油管道2、吸油管道5通过螺纹与纳米磁流体齿轮泵1连接，振动钢板4通过焊接与油箱箱体7连接，超声波振子6安装在油箱箱体7底部并与振动钢板4接触，分散性检测仪8固定安装在油箱箱体7侧壁，温度传感器10固定安装在油箱盖板11上其探头位于液面3之下，油箱盖板11与油箱箱体7紧密配合。
出油管道2、吸油管道5为奥氏体不锈钢材料，吸油管道5开45°斜口，距油箱底部距离不小于120mm。
振动钢板4为不锈钢材料，厚度在1-2mm。
超声波振子6单个功率80W-120W，振动频率40kHz，安装8-16个（根据油箱箱体7尺寸确定）。
油箱箱体7为铝合金或不锈钢材料，油箱最大容积不低于30L。
分散性检测仪8同侧安装2个，位于液面3之下，高度差大于250mm，如下介绍。
纳米磁流体9为油基或水基纳米磁流体，平均粒径小于10nm，颗粒浓度为0.5wt%-5wt%，磁性颗粒为NiFe2O4材料。
温度传感器10为铂热温度传感器，误差精度小于0.1摄氏度。
油箱盖板11为铝合金或不锈钢材料。
电流传感器、相关控制器件和液压阀组安装于油箱盖板11上，液压阀可以为磁流变阀或传统液压阀。
如图2、图4所示，所述纳米磁流体液压泵1包括导磁线圈架1-1，线圈1-2，壳体1-3，传动轴1-4，主动齿轮1-5，吸油腔1-6，吸油口1-7，从动齿轮1-8，密封工作腔1-9，传动轴1-10，出油口1-11，压油腔1-12。
导磁线圈架1-1通过粘接与壳体1-3连接，线圈1-2缠绕在导磁线圈架1-1上，传动轴1-4通过平键配合与主动齿轮1-5连接，主动齿轮1-5齿顶与壳体1-3紧密接触并与从动齿轮1-8啮合，吸油口1-7与吸油腔1-6连通，从动齿轮1-8与壳体1-3紧密接触并与主动齿轮1-5啮合，壳体1-3和齿轮的各个齿槽组成了组成了若干密封工作腔1-9，传动轴1-10通过键与从动齿轮1-8连接，出油口1-11与压油腔1-12连通。
导磁线圈架1-1为坡莫合金材料或超坡莫合金材料，标号不低于1J50。
线圈1-2为铜线，一共10组，缠绕方向两两相反，每组安匝数大于700。
壳体1-3、传动轴1-4、传动轴1-10为不被永磁体吸引的铝合金或奥氏体不锈钢（304不锈钢）等低顺磁材料。
主动齿轮1-5、从动齿轮1-8为双相不锈钢材料。
纳米磁流体液压泵的工作压力为0-16MPa。
主动齿轮1-5、从动齿轮1-8为双相不锈钢材料，具有一定的剩磁，磁场作用下，会轻微充磁，纳米磁流体易在齿轮表面形成油膜，对齿轮啮合处摩擦副起到减摩抗磨效果。
如图3所示，所述分散性检测8为磁力差值式分散性检测仪，包括玻璃窗8-1，永磁体8-2，固定架8-3，杆8-4，高精度力传感器8-5。
玻璃窗8-1通过粘接与箱体7侧壁连接，永磁体8-2与固定架8-3紧密配合，固定架8-3与杆8-4连接，杆8-4与力传感器8-5连接。
玻璃窗8-1为玻璃材料，厚度为1mm。
永磁体8-2为钕铁硼永磁体，牌号N52H。
固定架8-3，杆8-4为304不锈钢材料。
高精度力传感器8-5为压电传感器，最小量程不小于0.001N。
安装时，须保证玻璃窗8-1表面与永磁体8-2表面平行，间距为0.1mm。
磁力差值式分散性检测仪两个为一组，同轴安装于油箱侧壁，间距不小于250mm。
所述分散性检测8实现分散性检测功能的原理是：
纳米磁流体中的磁性颗粒由于密度与基载液不同、表面能较大等因素，长时间使用易于发生团聚而沉降，颗粒的沉降，将导致上层液体的颗粒浓度降低而底部液体的颗粒浓度增大。
如图1所示，分散性检测仪为2个，分别安装在接近液面和接近底部的油箱侧壁，高度差不小于250mm，分散性检测仪的基本原理是利用力传感器8-5测得永磁体8-2所受磁力，从而判断颗粒浓度大小：颗粒浓度越大，永磁体8-2所受磁力越大，力传感器读数越大；颗粒浓度越小，永磁体8-2所受磁力越小，力传感器读数越小。利用磁力大小判断该处的颗粒浓度大小，因此纳米磁流体上层和下层的浓度差可通过计算上下力传感器读数差值来表征，差值越大说明分散性越差，差值越小说明分散性越好。
例如，在纳米磁流体液压泵站停机一段时间再次启动前，油箱中的纳米磁流体分散性降低而发生沉降，严重时甚至大量沉淀。当上下传感器测得的差值较大时（＞0.01N），可启动超声波振子6，利用超声波在液体中的空化作用、加速作用及直进流作用，使团聚和沉淀的颗粒均匀分散在基液中，当差值降低后（＜0.002N），关闭超声波振子6，此时纳米磁流体液压介质分散性恢复到较好状态。
实施例2：如图5所示，一种利用所述纳米磁流体液压泵站实现粘-温性能补偿的方法，具体步骤为：
Step1：对纳米磁流体9的温度进行监测，并收集其温度数据；
Step2：将直流电通入到电磁线圈中，产生恒磁场，使得磁场覆盖纳米磁流体9，同时，将直流电转化为数字信号并输入温控模块中；
Step3：通过温控模块对纳米磁流体9的温度进行判断，判断其是否达到额定最低工作温度；
Step4：若纳米磁流体9的温度低于额定最低工作温度，则对电磁线圈通入交流电源，产生交变磁场，使得磁场覆盖纳米磁流体9，直至温度达到额定温度时停止；
Step5：若纳米磁流体9的温度高于额定最低工作温度，则温控模块根据实时温度和电流信号，计算出所需补偿的电流大小，然后启动直流电源调控恒磁场大小，对纳米磁流体9粘度的粘度损失进行补偿。
本发明对液压介质的粘度进行实时补偿，实现了在较宽温域内，液压传动介质保持最佳粘度，使液压传动介质易形成润滑油膜，起减少泄漏、抗磨减摩效果。
低温粘度补偿方法解决了低温环境下液压油粘度变大，导致液压泵吸油阻力增大，吸油困难的问题。传统加热方式只能以加热器件为中心，周围温度呈梯度下降，采用交变磁场，能够使介质升温更加均匀，避免了液体内部温度不一致造成的粘度梯度。
实施例3：一种利用所述纳米磁流体液压泵站实现介质分散稳定性检测及再分散的方法，具体步骤为：
Step1：打开力传感器8-5，进行校准调零，在邮箱壁安装分散性检测仪8的位置设置玻璃窗8-1。
Step2：调节上下两个分散性检测仪8与被检介质的距离，使得两个分散性检测仪8的永磁体8-2和玻璃窗8-1之间的间距均为0.1mm。
永磁体和纳米磁流体之间的吸引力是十分微弱的。需要靠近才能采集，油箱壁由于起到支撑作用、还要安装其他装置等，导致油箱壁较厚。
因此，在油箱壁设置玻璃窗结构，能够使得永磁体更加靠近纳米磁流体，且保证了壁厚均匀等影响检测结果的条件。
由于永磁体和纳米磁流体之间磁力随二者距离的增大而减小、随二者距离的减小而增大，两个传感器必须在同等的距离条件下测试磁力，才具有可比性，才能通过求差反应出浓度的大小。如若一个距离大、一个距离小，那么所测得的磁力，则不具有可比性，做差值无意义。
Step3：等待5min，待力传感器8-5读数恒定后，读出上下两个分散性检测仪8的读数，并计算读数差值；
Step4：当差值大于判定值时（判定值根据纳米磁流体颗粒浓度、检测仪布置的高度差确定），关闭力传感器8-5，调节上下两个分散性检测仪8与被检介质的距离，使得两个分散性检测仪8的永磁体8-2和玻璃窗8-1之间的间距大于5mm。
Step5：启动超声波振子6，超声分散15min；
Step6：重复Step1-Step3，若差值还是大于判定值，则重复Step5；若小于判定值则进行Step7；
Step7：当差值小于判定值时，关闭力传感器8-5，调节上下两个分散性检测仪8与被检介质的距离，使得两个分散性检测仪8的永磁体8-2和玻璃窗8-1的间距大于5mm。
在5mm的距离，永磁体和纳米磁流体之间的吸引力几乎为0，因此，测试完毕之后，都需要将这个距离调节到5mm。如果不调节到5mm的距离，将影响下一次测试。
这是因为，永磁体如果长期和玻璃窗距离较近的话，那么纳米磁流体中的磁性颗粒将在长期引力作用下，被彻底分开，从而玻璃窗上将会附着一些磁性颗粒，当下一次测试开始时，力传感器所测得的磁力，将会包含这些附着在玻璃窗上的磁性颗粒和永磁体之间产生的磁力，从而影响结果的准确性。因此，每次测试完，需要调节至5mm的距离。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种纳米磁流体液压泵站，包括液压泵、液压介质、出油管道（2）、吸油管道（5）、油箱、油箱盖板（11）；液压泵安装在油箱盖板（11）上，液压介质位于油箱内，液压泵上安装有出油管道（2）和吸油管道（5），所述吸油管道（5）插入油箱内的液压介质中，其特征在于：
所述液压介质为纳米磁流体（9）；
所述液压泵为纳米磁流体液压泵（1），所述纳米磁流体液压泵（1）内安装有电磁线圈，通过电磁线圈产生的磁场对纳米磁流体（9）的粘度进行调控；
还包括对纳米磁流体（9）的温度进行监测的温控模块；
还包括对纳米磁流体（9）分散稳定性进行检测的分散性检测仪（8）；
还包括对沉降后的纳米磁流体（9）进行再分散的超生分散装置；
所述分散性检测仪（8）为两个，安装在油箱上，所述分散性检测仪（8）为磁力差值式分散性检测仪，至少包括永磁体（8-2）和力传感器（8-5），通过力传感器（8-5）测量永磁体（8-2）所受磁力的大小，实现对纳米磁流体（9）中的颗粒浓度大小的检测；
所述超生分散装置包括对纳米磁流体（9）进行再分撒的超声波振子（6）和振动钢板（4），超声波振子（6）安装在油箱底部并与振动钢板（4）接触。
2.根据权利要求1所述的纳米磁流体液压泵站，其特征在于：所述电磁线圈每组匝数一致，缠绕方向相邻绕线柱两两相反。
3.根据权利要求1所述的纳米磁流体液压泵站，其特征在于：所述纳米磁流体（9）为油基或水基纳米磁流体，平均粒径小于10nm，颗粒浓度为0.5wt%-8wt%，磁性颗粒为NiFe2O4或Fe3O4，水基纳米磁流体须加入增粘剂提高粘度。
4.根据权利要求1所述的纳米磁流体液压泵站，其特征在于：所述温控模块包括对纳米磁流体（9）的温度进行监控的温度传感器（10）和控制电磁线圈通入电流的控制器。
5.利用权利要求1-4中任意一项所述的纳米磁流体液压泵站实现粘-温性能补偿的方法，其特征在于：
Step1：对纳米磁流体（9）的温度进行监测，并收集其温度数据；
Step2：将直流电通入到电磁线圈中，产生恒磁场，使得磁场覆盖纳米磁流体（9），同时，将直流电转化为数字信号并输入温控模块中；
Step3：通过温控模块对纳米磁流体（9）的温度进行判断，判断其是否达到额定最低工作温度；
Step4：若纳米磁流体（9）的温度低于额定最低工作温度，则对电磁线圈通入交流电源，产生交变磁场，使得交变磁场覆盖纳米磁流体（9），直至纳米磁流体（9）温度达到额定温度时停止；
Step5：若纳米磁流体（9）的温度高于额定最低工作温度，则温控模块根据实时温度和电流信号，计算出所需补偿的电流大小，然后启动直流电源调控恒磁场大小，对纳米磁流体（9）粘度的粘度损失进行实时补偿。
6.利用权利要求1-4中任意一项所述的纳米磁流体液压泵站实现纳米磁流体液压介质分散稳定性检测及再分散的方法，其特征在于：
Step1：打开力传感器（8-5），进行校准调零；
Step2：调节上下两个分散性检测仪（8）与被检介质的距离，使得两个分散性检测仪（8）的永磁体（8-2）和安装在油箱壁上的玻璃窗（8-1）之间的间距均为0.1mm；
Step3：等待5min，待力传感器（8-5）读数恒定后，读出上下两个分散性检测仪（8）的读数，并计算读数差值；
Step4：当差值大于判定值时，关闭力传感器（8-5），调节上下两个分散性检测仪（8）与被检介质的距离，使得两个分散性检测仪（8）的永磁体（8-2）和安装在油箱壁上的玻璃窗（8-1）之间的间距大于5mm；
Step5：启动超声波振子（6），超声分散15min；
Step6：重复Step1-Step3，若差值还是大于判定值，则重复Step5；若小于判定值则进行Step7；
Step7：当差值小于判定值时，关闭力传感器（8-5），调节上下两个分散性检测仪（8）与被检介质的距离，使得两个分散性检测仪（8）的永磁体（8-2）和安装在油箱壁上的玻璃窗（8-1）之间的间距大于5mm。
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