王佃武

（中國煤炭科工集團 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

電流變學[1～3]是研究在電場作用下，物質(zhì)形變與流動，也包括物質(zhì)的粘彈性及塑性的一門科學。它主要研究電場強度、剪切應(yīng)力、切變速率、流量、壓差及時間等物理量之間的關(guān)系。外加電場對分散體系的結(jié)構(gòu)和流變性質(zhì)的影響通常稱為電流變效應(yīng)。具有電流變效應(yīng)的分散體系稱為電流變液。電流變液通常是由具有高介電常數(shù)，粒徑為級的可極化粒子，分散于低介電常數(shù)的絕緣油中，而形成的懸浮液。電流變液和電流變效應(yīng)可被利用的主要特性是：①在電場作用下，液體的表觀粘度或剪切應(yīng)力能在瞬間（0.1ms）產(chǎn)生相當于從液態(tài)屬性到固態(tài)屬性間的突變；②這種變化是可逆的，即一旦去掉電場，可回復(fù)到原來的液態(tài)；③這種變化是連續(xù)、無級的，即在液——固、固——液的變化過程中，表觀粘度或剪切應(yīng)力是無級連續(xù)變化的；④這種變化是可控的，并且控制變化的方法簡單只需加一個電場，雖然電壓較高但電流很小，因此其控制屬于信號控制，且容易實現(xiàn)與計算機的結(jié)合進行自動控制。

但是已有的電流變材料均存在一些問題，如屈服應(yīng)力低、漏電流大、溫度效應(yīng)差和沉降穩(wěn)定性差等，嚴重地制約了這種材料的實際應(yīng)用。本文將對電流變液閥及閥控系統(tǒng)進行研究分析。

1 電流變液閥設(shè)計

1.1 電流變液閥的基本原理

電流變閥是利用流動模式下的電流變效應(yīng)，即利用通過縫隙流道中的電流變液體，電致屈服應(yīng)力可在電場的控制下在一定的條件和范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，也即流動阻力可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，因而在恒流量時，可實現(xiàn)通過閥時進出口的壓力差的調(diào)節(jié)，或在定壓差下，實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。 在結(jié)構(gòu)上，主要是閥的電極布置和形狀，通?？刹捎闷桨蹇p隙式或同心圓筒縫隙式，如圖1 和圖2所示，另外還有錐型、針型、孔板型和之型等結(jié)構(gòu)[7]。同心圓筒元件不僅能充分展現(xiàn)ER 效應(yīng)，而且無邊緣效應(yīng)，在這點上要優(yōu)于平行平板型的ER元件。但是平行平板電流變閥中的電場時均勻的，而同心圓筒電流變閥內(nèi)的電場隨r1的增大而逐漸減小[8]。其中，電極板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是：極板間隙h，極板長度l 和極板寬度b。

對于同心圓筒，由于間隙通常很小，極板寬度b 可用內(nèi)徑周長）近似代替。

圖1 平行平板型Fig.1 Parallel plate

圖2 同心圓筒型Fig.2 Concentric annular

電極的間隙也即是間隙形流道，之所以采用間隙式的流道，是因為電流變效應(yīng)是基于上千伏的高電壓，由電學基本知識可知，電壓U，電場強度E 和電極間距d（在這里就是指h）的關(guān)系為：E=U/d，對于依靠調(diào)節(jié)電場強度來控制的電流變效應(yīng)，調(diào)節(jié)方式不外乎兩種:調(diào)節(jié)電壓和調(diào)節(jié)電極間距。因為電流變效應(yīng)一般需要在kV/mm 數(shù)量級的電場強度下才能產(chǎn)生，需要施加的電壓已經(jīng)相當高，絕緣和安全的問題相當重要，因此，應(yīng)盡量不采用太高的電壓，所以電流變閥中主要是考慮電極間距的設(shè)計。施加相同的電壓時，間隙越小，產(chǎn)生的電場強度越大，因此為了降低所施加的電壓，電極間距應(yīng)盡可能小，一般取在毫米級（0.5～1.5mm）。當然，間隙太小，也會有其它方面的問題，如電場容易擊穿和加工上的精度要求等。

1.2 電流變閥的控制方程

和傳統(tǒng)的液壓控制閥一樣，要控制液體壓力和流量，需要確定控制方程，對于電流變閥，就是要確立外加電場強度與控制量（壓力和流量）的關(guān)系。這里我們認為該電場為靜電場，且為均勻電場[6]。對于固定平板縫隙流動場，壓差與流量的關(guān)系：

（1）當 E=0， μ=μ0， 則基本壓差為：

式中：μ0—零場粘度；μ—電流變液的動力粘度；b—有效電極板寬度；h—電極板間隙；l—有效電極板長度。

（2）當E 達到一定值，電流變液為理想Bingham 模型，則：

其中： μB=μ0+τEγ（E）/；τ—流體與板接觸產(chǎn)生的剪切應(yīng)力；μB—表現(xiàn)粘度；—剪應(yīng)變速率，在這里為比例常數(shù)，因此電致壓差為：

由于其間液體的流動狀態(tài)可近似為一維層流，因此：

其中： 電致屈服應(yīng)力 τEγ（E）=AEn； n—與材料參數(shù)及電場強度有關(guān)。一般電場為n=2；強電場n＜2；弱電場n＞2。

1.3 電流變閥的靜態(tài)特性分析

（1）仿真實驗參數(shù)選定。一般間隙取在0.5～1.5mm 之間是合適的選擇，縫隙形的流道中流動的流體可近似認為是一維層流，這樣可以降低其流動狀態(tài)分析的復(fù)雜性。由流體力學和液壓技術(shù)的知識可知道，平板式或同心圓筒固定間隙的流道，屬于節(jié)流式流道，存在一定的壓力損失，因此間隙的長度和寬度都應(yīng)該適度，太長的流道容易產(chǎn)生熱量，帶來更大的能量損失。綜合考慮各方面的因素，最后選擇了閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：①平行平板型電流變閥結(jié)構(gòu)參數(shù)：極板間隙 h=1mm，閥寬 b=60mm，有效極板長度l=100mm；②同心圓筒型電流變閥結(jié)構(gòu)參數(shù)：閥芯半徑 r1=10mm，電極半徑r2=11mm，極板間隙 h=1mm，閥寬 b=66mm，有效極板長度 l=100mm；③電流變液性能參數(shù)：μ0=0.6Pa·s。

（2）所得仿真實驗曲線和數(shù)據(jù)：圖3為對應(yīng)得兩種電流變閥的不同流量下電場與壓差的關(guān)系曲線。實線代表平行平板型電流變閥，虛線為對應(yīng)的同心圓筒電流變閥。

圖3 不同流量下電場與壓差的關(guān)系Fig.3 The relation between volume flow rate and voltage

表1 平行平板型電流變閥Tab.1 The Parallel Plate of ER Valve

表2 同心圓筒電流變閥Tab.2 The Concentric Annular of ER Valve

（3）仿真實驗分析：①從圖3 中可以看出，在定流量下，隨著電場強度的增加，閥的壓差增大；②閥的壓差的增量不因流量的改變而改變，流量改變的只是基礎(chǔ)壓差；③從表1 和表2 中可以看出，電壓從2kV 增加到7kV時，平行平板型電流變閥的電致壓力差增加了3.376bar，同心圓筒電流變閥電致壓力差增加了3.229bar 左右。

2 電流變技術(shù)在液壓控制的應(yīng)用

2.1 電流變閥控制系統(tǒng)的設(shè)計

設(shè)計電流變閥控系統(tǒng)，可以考慮根據(jù)電流變技術(shù)的特點針對傳統(tǒng)液壓閥控系統(tǒng)[5]的傳動介質(zhì)和控制部分作一些改變。在傳統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，做了如下改變：應(yīng)用電流變液而不是傳統(tǒng)的液壓油作為傳動介質(zhì)；控制部分用高壓電源控制元件和電流變閥控制元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的伺服放大器和液壓控制元件（如電液伺服閥和電液比例閥），如圖4所示。

圖4 電流變閥控制系統(tǒng)方框圖Fig.4 Block diagram of the ER valve-control system

2.2 電流變液閥控系統(tǒng)的特點

（1）以電流變液作為回路的工作介質(zhì)，外加電場控制通過電流變元件的電流變液的流動狀態(tài)，從而控制回路的壓差、流量。

表3 電流變閥控系統(tǒng)與傳統(tǒng)液壓閥控系統(tǒng)比較Tab.3 The comparison of ER valve-control system and the traditional hydraulic system

（2）結(jié)合現(xiàn)代控制方法——數(shù)字計算機控制技術(shù)，應(yīng)用數(shù)字計算機與數(shù)據(jù)采集技術(shù)，傳感器技術(shù)進行檢測與控制，能夠提高控制速度和精度[7]。

3 結(jié)論

（1）電流變控制閥結(jié)構(gòu)簡單，無相對運動，制造成本低，無機械磨損，壽命長，流量和壓力可以直接用電信號控制，即信號的傳遞是由電信號直接到液壓信號，響應(yīng)快，精確性高。

（2）電流變閥控系統(tǒng)應(yīng)用電流變流體的流變行為對電信號的快速響應(yīng)，不依靠移動件能精確且可重復(fù)地控制流動阻尼。它不僅能進—步提高響應(yīng)速度（通常為1kH），還有可能使理論分析簡單化。如果能實現(xiàn)，則可能產(chǎn)生液壓技術(shù)領(lǐng)域的革命。

[1]魏宸官.電流變技術(shù)[M].北京：北京理工大學出版社，2000.

[2]周祖康，等.膠體化學基礎(chǔ)[M].北京：北京大學出版社，1987.

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[5]王春行，等.液壓伺服控制系統(tǒng)[M].蘭州：機械工業(yè)出版社，1981.

[6]朱石沙.電流變流體在液壓技術(shù)中的應(yīng)用[D].北京理工大學博士論文，2001.

[7]戴俊群.電流變技術(shù)在液壓控制中的應(yīng)用研究[D].福州大學碩士論文，2003.

[8]李衛(wèi)華.有關(guān)電流變液、磁流變液若干應(yīng)用基礎(chǔ)問題的研究[D].中國科學技術(shù)大學博士論文，1999.