电流变液在工程控制中的应用

第3期(总第154期)

2009年6月机械工程与自动化

M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G &　AU T O M A T IO N N o.3Jun.

文章编号:1672-6413(2009)03-0170-02

电流变液在工程控制中的应用

李丹丹

(池州学院机电工程系,安徽　池州　247000)

摘要:阐述了电流变效应和电流变液的作用机理及其3种工作模型状态,并介绍了电流变液在汽车工程、机电工程、液压装置、机器人中的应用。关键词:电流变液;工程控制;应用中图分类号:T B 381 文献标识码:B

收稿日期:2008-11-25;修回日期:2008-12-30

作者简介:李丹丹(1982-),女,湖北钟祥人,助教,在读硕士研究生。

0　引言

电流变液(Electr orheo logical Fluid,ERF)是近年来发展较快的一种智能型材料,在物理形态上主要以流体形式存在。常规的电流变液主要由3部分组成:低介电常数的绝缘液(连续相)、具有较高的相对介电常数和较强极化能力的固体粒子(分散相)、起粒子表面活化和增加粒子悬浮稳定性的添加剂。由于电流变液具有响应速度快、功耗小等诸多优点,在结构减振设计和工程控制方面具有很大的优势。1　电流变效应及ERF 作用机理1.1　电流变效应

在一定强度的外加电场作用下,电流变液会形成一束由固体电介质粒子组成的纤维状的“链”,横架于正负两极之间,即在外加电场作用下,电流变液由低粘度的液体状态变为粘胶状态直至固体状态,表现为宾汉流体特性;而当把外加电场撤除时,电流变液又迅速恢复成液态,表现为牛顿流体特性,这种特性称为电流变效应。它具有以下几个重要特点[1]:(1)在电场作用下,电流变液体的表观粘度可随场强的增大而增大(或变稠),甚至在某一种电场强度下,达到停止或固化;电场消除后,电流变液体又可恢复到原始的粘度。

(2)可控性:在电场作用下,电流变液的表观粘度的变化以及液固间属性的转换是可控的,这种控制可以是人为的或自动的。

(3)可逆性:在电场作用下,电流变液体的属性由液态至固态的转换是可逆的。

(4)频响时间短:单相电流变液正、逆向变化一

次性态所需时间在10-3

s 以下。

(5)能耗小:一般只需几瓦到几十瓦功率的直流电源就能满足工程应用的需要。1.2　电流变液的作用机理

目前对于电流变液的作用机理主要有以下几种理论:

(1)静电极化模型[2]:在高电压的作用下电流变液中的粒子由于极化发生电荷分离,正电荷向靠近负电极的一端(接地电极)移动,负电荷向靠近正电极的一端(高电压输入端)移动,结果粒子两端富含正、负电荷,由于静电吸引相互连接,形成链状结构进而粗化形成粒子柱。电流变液极化示意图见图1。

图1　电流变液极化示意图

(2)“水桥”模型[3,4]

:在电场的作用下,粒子极化后自由粒子迁移,水由于电渗透作用随自由离子到达粒子两端,相邻粒子表面的水分子通过毛细管作用在粒子间形成“水桥”,促使水分子紧密联系在一起,宏观上呈凝胶态。

(3)逾渗理论:逾渗理论认为电流变固体粒子之间的相互吸引作用及作用范围对电流变行为有很大的

影响。如果作用范围很小,则计算出的电流变体的体积分率高达64%;当作用范围为粒子尺寸的3/8时临界体积分率仅为32%,表面作用能越大,临界体积分率还可以进一步降低。

2　电流变液在工程控制中的应用

根据电流变液的流变性质,其在汽车、机电、液压技术和机器人等工业中有着广泛的潜在用途。根据电流变液在电场下的粘度变化,主要有如下3种工作

模型状态(见图2)[5]

:

(1)剪切模型:两平行极板相对运动产生剪切阻力(提供动量转化)。

(2)流动模型:两极板固定不动,电流变液体在极板间运动(调节ER 的压力梯度)。

(3)压缩模型:两极板相背或相向运动,极板间

距离减小或增加。

图2　电流变液的3种工作模型

2.1　在汽车工程中的应用

电流变液在汽车工程上主要用于汽车制动器和离合器,工作模型状态为剪切模型。这类装置的工作原理是:把电流变液放在有相对运动的汽车部件之间,通过控制电压,改变电流变液的粘度,从而控制汽车部件传递的力和力矩的大小。

2.2　在机电工程方面的应用

电流变液在机电工程方面主要用于机床上的减振器等。这类装置的工作原理是:在车刀切削过程中,在电流变液的两极板间施加一定电场后,其中的电流变液的特性会发生一系列的变化,通过改变切削系统阻尼和刚度的办法来限制和控制颤振的幅度和频率,从而起到抑制颤振的目的。

2.3　在液压装置中的应用

电流变液在液压装置中主要用于电流变液体阀,

它的基本原理是:利用电流变液体阀中的电流变液体,其表观粘度可在电场的控制下在一定的条件和范围内实现无级调节,在恒流量时可实现进、出口间压力差的无级调节;在定压差时可实现流量的无级调节。2.4　在机器人技术中的应用

电流变液在机器人方面的应用目前处于起步阶段。电流变液装置可用于吸收当机器人手臂由高速运动突然转向低速运动所引起的振动,还可以用于做桥路的四单元或二单元的电流变液阀门网路系统以控制机器人伺服机构。据了解,目前日本已把电流变液用于机器人的人工肌肉及机器人手臂的控制机构中。3　结束语

电流变液是一种新型智能材料,在工程控制中具有广阔的应用前景,如在减振器、离合器、液压阀、机器人手臂、电源开关、阻尼器等诸多方面都有广泛的应用。但其同时受制于许多因素,存在的问题主要有电流变液在非电场下粘度过高,而在电场下屈服强度不够,不能够传输足够的力矩,电流变液的稳定性不是很理想等。虽已有许多文献描述电流变液的力学特性或建立唯象模型,然而到目前为止仍未有成熟的商业化产品,其最大的原因就在于人们仍未能全面地了解电流变液的物理机制,因此仍未能找到高性能的电流变液的设计准则。总之,要使电流变技术广泛应用于工程实际中还有待研究的进一步深入。

参考文献:

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electr or heolog ical fluids [J ].Phy s R ev L ett ,1993,68:

1519-1522.

[5]　张华良.电流变流体ER F 半主动动作器研究[J].机械设

计与研究,2000(12):21-22.

Application of ERF in Engineering Control

LI Dan -dan

(Electronic-mechanic Department,S chool of Ch izhou,Ch izhou 247000,China)

Abstracts :T his pa per int ro duces the electr or heolog ical effect ,mechanisms and three kinds o f w or k models,and its applicat ion in automo tiv e engineer ing ,mechanical and electr onic engineering ,hy dr aulic devices and ro bo tics.Key words :ERF ;engineer ing co ntro l ;application

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