CN114151582B - 一种磁流变液阵列阀装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁流变液阵列阀装置及其控制方法，装置包括上、下两层，上层由结构形式相同的阀单元以n×n的排列方式组成阵列阀组，下层由电磁铁单元以n×n的排列方式组成阵列电磁铁组，阀单元与电磁铁单元的安装轴线重合且一一对应，各阀单元均由磁流变液团和设于其正下方的可挤压容腔构成，各可挤压容腔均与其邻近的可挤压容腔通过管道连接，外围的可挤压容腔设有出入口，各电磁铁单元都由铁芯和励磁线圈构成。装置的控制方法为，向电磁铁组的各个励磁线圈通入既定的时序电流，使阵列阀组的各阀单元在同一时刻处于不同的启闭状态，使阵列阀组内部形成不同形式的输送流道或泵送流道。该装置可以实现多通道阀、泵功能，且结构简单紧凑。

Description

一种磁流变液阵列阀装置及其控制方法

技术领域

本发明属于阀门制造技术领域，具体涉及一种磁流变液阵列阀装置及其控制方法。

背景技术

液压阀在水、油、气等输送管路中都有广泛的应用，通常可用于流体管路的通断、流量控制、压力调节、换向控制等。传统液压阀的功能较为单一、结构复杂，如果需要具备多个功能（例如插装阀、阀块）则需要把体积做得很大，如此便较难应用于微小型器件的流体传动控制上，同时也与液压阀小型化、微型化、智能化的发展方向相互矛盾。

磁流变液（MRF）作为一种智能材料，由微米级或者纳米级的导磁性颗粒、煤油或硅油等非导磁性载液以及一些改性添加剂混合制成。其在外部磁场的作用下能够以毫秒级的响应速度由流体状态转变为半固体状态，同时其表观粘度的大小将上升几个数量级，而在微观上表现为其内部会沿着磁场方向形成颗粒链结构。磁流变液也因为这个独特的流变特性而受到广泛关注。近年来，利用磁流变效应的装置例如磁流变阻尼器、制动器、减震器、抛光装置等被不断研究出来，其在车辆工程、土木工程、航天航空、医学等领域都有不错的应用前景。

除此之外，还出现了磁流变弹性体、磁流变胶等新型磁流变材料。基于磁流变弹性体材料目前开发出了诸如微型蠕动泵、减震器、执行器等器件，磁流变弹性体在其中既可以作为力传递部件，也能够作为执行部件。相较而言，现有的磁流变液器件大多是将磁流变液作为一种阻尼介质，利用磁流变液内部颗粒链的剪切或挤压屈服应力实现能量消耗，因而未充分利用磁流变液作为导磁材料所具有驱动能力。

在磁流变液内部形成的颗粒链状结构会始终沿着磁场方向，因此其总是能够随着所处磁场的变化情况调节链状结构的方向。这使得具有相同体积分数的磁流变液总是比磁流变弹性体有更大的磁导率，也意味着相同磁场条件下磁流变液将受到有更大的磁力作用。所以相对于磁流变弹性体来说，磁流变液同样可以作为驱动元件应用到各种机械设备中，并且具备更好的导磁性能、形变能力以及更快的响应速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁流变液阵列阀装置及其控制方法，该装置可以实现多通道阀、泵功能，且结构简单紧凑。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种磁流变液阵列阀装置，装置包括上、下两层，上层由n²个结构形式相同的阀单元以n×n的排列方式组成阵列阀组，下层由n²个电磁铁单元同样按照n×n的排列方式组成阵列电磁铁组，n≥3，阀单元与电磁铁单元的安装轴线重合且一一对应，每个阀单元主要由一个磁流变液团和一个设置在其正下方的可挤压容腔构成，每个可挤压容腔均与其邻近的可挤压容腔通过管道连接，外围的可挤压容腔分别设置有出入口，每个电磁铁单元都由铁芯和励磁线圈构成。

进一步地，所述n为3，即上层由9个结构形式相同的阀单元以3×3的排列方式组成阵列阀组，下层由9个电磁铁单元同样按照3×3的排列方式组成阵列电磁铁组；每个可挤压容腔均与其上、下、左、右的可挤压容腔通过管道连接，中心的可挤压容腔还与其左上、左下、右上、右下的可挤压容腔通过管道连接；外围的8个可挤压容腔分别设置有O1~O8出入口。

进一步地，所述磁流变液团为椭球型，所述可挤压容腔也为椭球型。

进一步地，阀单元的基体由弹性硅胶材料制成，磁流变液团的体积和半径均大于挤压容腔的体积和半径，且磁流变液团与可挤压容腔之间有硅胶层隔断。

本发明还提供了所述磁流变液阵列阀装置的控制方法，向电磁铁组的各个励磁线圈通入既定的时序电流，使阵列阀组的各个阀单元在同一时刻处于不同的启闭状态，使阵列阀组内部形成不同形式的输送流道或泵送流道。

进一步地，当向励磁线圈中通入电流，铁芯将产生一个梯度磁场并拉动磁流变液团挤压可挤压容腔，阻断所有经过该可挤压容腔的管道。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种磁流变液阵列阀装置及其控制方法，该装置兼具阀、泵两种功能，可通过控制多个阀单元的启闭状态，在泵体内部形成多种特定流向的流体通道，同时实现流道中液体的导通或截断控制；此外还可以按照一定的通电时序激发各个阀单元的电磁铁，使与之配对的磁流变液团产生有规律的挤压动作，将流道中的液体泵送到各个阀口。本发明中的阀单元由于采用了矩阵分布形式，使得本发明的控制形式十分丰富。通过调配电磁铁的通电状态能够在阀组内部可以形成多种样式的流道，再搭配多个阀出口，使得本发明无论是作阀用还是作泵用都能够对多个流体回路进行控制，真正达到一机多用的目的。同现有的磁流变弹性体阀或泵相比，本发明由于采用了磁流变液团为驱动模块，具有更快的响应速度和更大挤压力。磁流变液内部的磁性颗粒可以顺着磁力线的方向形成链状结构，导致在相同磁场强度和体积分数的条件下，磁流变液的导磁率明显更大，因此作用在磁流变液上的磁力将大于磁流变弹性体。该种阵列阀装置可应用于复杂流体系统的传动控制以及作为微小型执行器件的多通道流体泵源。

附图说明

图1是本发明实施例的装置内部结构示意图（去掉了左下角的一个磁流变液团）。

图1中：1-阵列阀组，2-椭球型磁流变液团，3-椭球型可挤压容腔，4-铁芯，5-励磁线圈，6-管道，7-阵列电磁铁组，O1~O8-可挤压容腔的出入口。

图2是本发明实施例中阀单元、阀口编号及流体通道示意图。

图2中：黑色圆形表示阀单元的可挤压容腔闭合，阀单元处于通电状态；空心圆圈表示阀单元的可挤压容腔打开，阀单元处于断电状态。带箭头的直线或折线表示流体流动方向，编号为（1）~（6）的六幅图表示本发明做阀用时的六种通流模式。

图3至图7是本发明实施例中装置做泵用的五种泵送方式。

图3-7中：黑色圆形表示阀单元的可挤压容腔闭合，阀单元处于通电状态；空心圆圈表示阀单元的可挤压容腔打开，阀单元处于断电状态，带箭头的直线或折线表示流体流动方向。

图8是本发明实施例的装置外观示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例提供了一种磁流变液阵列阀装置，装置包括上、下两层，上层由n²个结构形式相同的阀单元以n×n的排列方式组成阵列阀组1，下层由n²个电磁铁单元同样按照n×n的排列方式组成阵列电磁铁组7，n≥3，阀单元与电磁铁单元的安装轴线重合且一一对应，每个阀单元主要由一个椭球型磁流变液团2和一个设置在其正下方的椭球型可挤压容腔3构成，每个可挤压容腔均与其邻近的可挤压容腔通过管道6连接，外围的可挤压容腔分别设置有出入口，每个电磁铁单元都由铁芯4和励磁线圈5构成。

如图1所示，在本实施例中，所述n为3，即上层由9个结构形式相同的阀单元以3×3的排列方式组成阵列阀组1，下层由9个电磁铁单元同样按照3×3的排列方式组成阵列电磁铁组7；每个可挤压容腔均与其上、下、左、右的可挤压容腔通过管道6连接，中心的可挤压容腔还与其左上、左下、右上、右下的可挤压容腔通过管道6连接；外围的8个可挤压容腔分别设置有O1~O8出入口。

在本实施例中，阀单元的基体，包括磁流变液团和可挤压容腔均由弹性硅胶材料制成，磁流变液团2的体积和半径均大于挤压容腔3的体积和半径，且磁流变液团2与可挤压容腔3之间有硅胶层隔断。基体所用的硅胶材料具有很强的延展性和弹性，可承受较大的拉力和压力作用，并且在发生弹性限制内的变形后会恢复原状。

本实施例还提供了上述磁流变液阵列阀装置的控制方法，向电磁铁组7的各个励磁线圈通入既定的时序电流，使阵列阀组1的各个阀单元在同一时刻处于不同的启闭状态，使阵列阀组1内部形成不同形式的输送流道或泵送流道。

当向励磁线圈5中通入电流，铁芯4将产生一个梯度磁场并拉动磁流变液团2挤压可挤压容腔3，阻断所有经过该可挤压容腔的管道6。

磁流变液由微米级或者纳米级的导磁性颗粒、煤油或硅油等非导磁性载液以及一些改性添加剂混合制成。在外部梯度磁场的作用下，磁流变液里的每一个导磁性颗粒将受到一个沿最大磁场梯度方向的吸引力，从宏观上表现为整个磁流变液被拉向磁通密度最大的位置。本发明中的电磁铁可以在阀单元中产生一个梯度磁场，从而将椭球型的磁流变液团拉向电磁铁，并对挤压容腔内的流体产生压迫力使其从与容腔相连的管道导出，当容腔内的所有流体都被挤出，此时容腔处于完全封闭状态，与之相连的管道被截断。

如图2所示，将九个阀单元分别编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ，其中，除了中心位置编号为Ⅴ的阀单元外，外围八个阀单元设置有八个阀出口，其编号分别为O1~O8。九个阀单元总共可以设置成6种形式的流体通道，如图中（1）至（6）所示，分别展示了每种通道形式中的一个典型例子。图中黑色实心圆形和空心圆圈分别表示阀单元处于闭合和开启状态，带箭头的直线或折线段表示流体的流向。以图2（1）为例，其控制方法为：在同一时刻，给编号为 Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ 的阀单元中的电磁铁通电使其挤压容腔闭合，保持编号为 Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ 的阀单元的挤压容腔为导通状态，此时在流体可以从阀口O6进入，从阀口O2流出（或者进行反方向流动）。再通过闭合 Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ 三个阀单元中一个或多个来控制流道的通断。同样的，当同时闭合编号为 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ 的阀单元，开启编号为 Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 的阀单元，则形成第（1）种流体通道的另一种形式，所以图2（1）类型的流体通道有2种。图2（2）至图2（6）展示了另外五种不同形式的阀控流道，每种形式流道的具体数量如下：图2（2）—8种；图2（3）—8种；图2（4）—2种；图2（5）—4种；图2（6）—8种。

以上为单输入单输出的控制方式，同样可以通过增加输入阀口或输出阀口的数量来实现单输入-多输出、多输入-单输出、多输入-多输出的控制方式。例如：在同一时刻，给编号为 Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ的阀单元中的电磁铁通电使其挤压容腔闭合，保持编号为 Ⅱ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅸ的阀单元的挤压容腔为导通状态，此时在流体可以从阀口O6进入，从阀口O1、O3流出（或者进行反方向流动）。

本发明作多通道阀用的控制形式主要有以下六种，且每种阀通道形式仅列出一种具体控制样式：

1、在同一时刻，给编号为Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ 阀单元中的电磁铁通电使对应的可挤压容腔闭合，保持编号为Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ 阀单元的可挤压容腔为导通状态，此时在流体可以从阀口O6进入，从阀口O2流出；之后可以通过闭合编号为Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ 三个阀单元中一个或多个来控制流道的通断。

2、在同一时刻，给编号为Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ 阀单元中的电磁铁通电使对应的可挤压容腔闭合，保持编号为Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ 阀单元的可挤压容腔为导通状态，此时在流体可以从阀口O6进入，从阀口O4流出；之后可以通过闭合编号为Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ 三个阀单元中一个或多个来控制流道的通断。

3、在同一时刻，给编号为Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ 阀单元中的电磁铁通电使对应的可挤压容腔闭合，保持编号为Ⅱ、Ⅴ、Ⅸ 阀单元的可挤压容腔为导通状态，此时在流体可以从阀口O6进入，从阀口O3流出；之后可以通过闭合编号为Ⅱ、Ⅴ、Ⅸ 三个阀单元中一个或多个来控制流道的通断。

4、在同一时刻，给编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ、Ⅸ 阀单元中的电磁铁通电使对应的挤压容腔闭合，保持编号为Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ 阀单元的可挤压容腔为导通状态，此时在流体可以从阀口O6进入，从阀口O2流出；之后可以通过闭合编号为Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ 三个阀单元中一个或多个来控制流道的通断。

5、在同一时刻，给编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ 阀单元中的电磁铁通电使对应的挤压容腔闭合，保持编号为Ⅲ、Ⅴ、Ⅸ 阀单元的可挤压容腔为导通状态，此时在流体可以从阀口O5进入，从阀口O1流出；之后可以通过闭合编号为Ⅲ、Ⅴ、Ⅸ 三个阀单元中一个或多个来控制流道的通断。

6、在同一时刻，给编号为Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ 阀单元中的电磁铁通电使对应的挤压容腔闭合，保持编号为Ⅱ、Ⅲ 阀单元的可挤压容腔为导通状态，此时在流体可以从阀口O6进入，从阀口O5流出；之后可以通过闭合编号为Ⅱ、Ⅲ 两个阀单元中一个或两个来控制流道的通断。

本发明做多通道泵用的控制形式主要有以下五种：

1、第一种泵送方式的控制过程可分为六个步骤：（1）所有阀单元处于打开状态，所有可挤压容腔内充满需要泵送的流体；（2）同时给编号为Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ 阀单元中的电磁铁通电使对应的可挤压容腔闭合，形成泵送通道；（3）闭合编号为 Ⅱ 的阀单元，可挤压容腔中的流体被从阀口O2和O6挤出；（4）闭合编号为Ⅴ的阀单元，原本处于可挤压容腔中的流体被从阀口O2挤出；（5）闭合编号为Ⅷ的阀单元同时开启阀单元 Ⅱ，阀单元Ⅷ中的流体被从阀口O2挤出，并且流体从阀口O6流入充满阀单元 Ⅱ 的可挤压容腔；（6）闭合阀单元Ⅱ，同时打开阀单元Ⅴ使其充满流体，至此完成泵的启动及第一个泵送过程，之后重复进行步骤（4）~（6）。

2~5、第二到第五种泵送方式的控制过程与第一次方式相似，唯一不同的地方在于泵送通道的形式。第二至第五种泵送方式的流道分别与上述内容中本发明作阀用时的第二至第五种流道一一对应。

如图3所示，是本发明做泵用时的控制流程图，图中的图形含义与图2所述一致。图3所展示的泵送过程可分为六个步骤：（1）所有阀单元处于打开状态（既断电状态），令所有挤压容腔内充满需要泵送的流体；（2）同时给编号为 Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ 的阀单元中的电磁铁通电使其挤压容腔闭合，形成以 Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ 三个阀单元为控制节点的泵送通道；（3）闭合编号为 Ⅱ 的阀单元，可挤压容腔中的流体被从阀口O2和O6挤出；（4）闭合编号为Ⅴ的阀单元，此时原本处于可挤压容腔中的流体只能从阀口O2流出；（5）闭合编号为Ⅷ的阀单元同时开启阀单元 Ⅱ，阀单元 Ⅷ 中的流体被从阀口O2挤出，并且从阀口O6吸入所需泵送的流体并且重新充满阀单元 Ⅱ 的可挤压容腔；（6）闭合阀单元 Ⅱ，同时打开阀单元 Ⅴ，令 Ⅴ号阀单元中的流体转移到 Ⅷ 号阀单元，至此完成泵的启动阶段及第一个泵送循环。之后只需使阵列阀装置的不断重复图3（4）~（6）所示的控制状态，则能够源源不断地将流体从阀口O6吸入，然后从阀口O2泵出。

请参阅图4至图7，为另外四种泵送过程，其控制过程与图3一致，且泵送的流道形式与图2（2）至图2（5）所示的阀送流道一致。因此，图2（1）至图2（5）所示的阀送通道有多少种，则泵送方式也同样有多少种。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种磁流变液阵列阀装置，其特征在于，装置包括上、下两层，上层由n²个结构形式相同的阀单元以n×n的排列方式组成阵列阀组（1），下层由n²个电磁铁单元同样按照n×n的排列方式组成阵列电磁铁组（7），n≥3，阀单元与电磁铁单元的安装轴线重合且一一对应，每个阀单元的基体包括一个磁流变液团（2）和一个设置在其正下方的可挤压容腔（3），每个可挤压容腔均与其邻近的可挤压容腔通过管道（6）连接，外围的可挤压容腔分别设置有出入口，每个电磁铁单元都由铁芯（4）和励磁线圈（5）构成；

当向励磁线圈（5）中通入电流，铁芯（4）将产生一个梯度磁场并拉动磁流变液团（2）挤压可挤压容腔（3），阻断所有经过该可挤压容腔的管道（6）。

2.根据权利要求1所述的一种磁流变液阵列阀装置，其特征在于，所述n为3，即上层由9个结构形式相同的阀单元以3×3的排列方式组成阵列阀组（1），下层由9个电磁铁单元同样按照3×3的排列方式组成阵列电磁铁组（7）；每个可挤压容腔均与其上、下、左、右的可挤压容腔通过管道（6）连接，中心的可挤压容腔还与其左上、左下、右上、右下的可挤压容腔通过管道（6）连接；外围的8个可挤压容腔分别设置有O1~O8出入口。

3.根据权利要求1所述的一种磁流变液阵列阀装置，其特征在于，所述磁流变液团为椭球型，所述可挤压容腔也为椭球型。

4.根据权利要求1所述的一种磁流变液阵列阀装置，其特征在于，阀单元的基体由弹性硅胶材料制成，磁流变液团（2）的体积和半径均大于可挤压容腔（3）的体积和半径，且磁流变液团（2）与可挤压容腔（3）之间有硅胶层隔断。

5.一种如权利要求1-4任一项所述磁流变液阵列阀装置的控制方法，其特征在于，向电磁铁组（7）的各个励磁线圈通入既定的时序电流，使阵列阀组（1）的各个阀单元在同一时刻处于不同的启闭状态，使阵列阀组（1）内部形成不同形式的输送流道或泵送流道。