王建明, 張連永, 孫 彬, 白景元, 劉曉鳳

(沈陽(yáng)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

電流變液應(yīng)用于液壓缸技術(shù)的發(fā)展前景

王建明, 張連永, 孫 彬, 白景元, 劉曉鳳

(沈陽(yáng)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

介紹了一種智能材料電流變液的研究及其應(yīng)用進(jìn)展.提出電流變液應(yīng)用于液壓缸的可行性,對(duì)電流變液相關(guān)參數(shù)的影響進(jìn)行了分析.闡述了液壓缸工作的相關(guān)機(jī)理及液壓缸中流體所需要的基本參數(shù)要求,說(shuō)明了電流變液液壓缸技術(shù)的優(yōu)勢(shì),自行配制出電流變液并應(yīng)用于小型液壓缸中,從理論和實(shí)際上證明了電流變液應(yīng)用于液壓缸技術(shù)的可行性.

智能材料; 電流變液; 應(yīng)用前景; 液壓缸

1 電流變液的研究與應(yīng)用進(jìn)展

電流變液又稱(chēng)ER流體,是一種前景可觀的新型智能材料,在未加電時(shí)呈液態(tài),組成部分包括絕緣母液和均布在母液中的電介質(zhì)微粒.當(dāng)外加電場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),其黏度會(huì)發(fā)生無(wú)級(jí)變化,外加電場(chǎng)持續(xù)增強(qiáng)到某一臨界值時(shí),瞬間固化,此具備可逆性的固化過(guò)程只需要1 ms.在外加電場(chǎng)減小至低于臨界值時(shí),ER流體不再是純固態(tài),同時(shí)其黏度隨外加電場(chǎng)的減弱而降低[1].最早由Willis M.Winslow(美國(guó))研究并刊登了有關(guān)電流變液的研究成果[2],隨后文獻(xiàn)[3]的雙電層理論認(rèn)為流變特性產(chǎn)生的主要原因是電場(chǎng)與微粒周?chē)p電層的變形間的相互作用.Stangroom在研究聚電解制電流變液的同時(shí)提出了電流變液效應(yīng)的“水橋”機(jī)理,提出微粒間相互作用力的增強(qiáng)是由電流變液中水在懸浮微粒間所產(chǎn)生的水橋?qū)е?并起到了粒子間黏接作用[4].電流變液從電流變液體系物相的方面考慮可以分為均相型電流變液和懸浮型電流變液兩種[5].通常懸浮型電流變液是一種由介電常數(shù)較高的絕緣性固體顆粒按照一定的比例分散在低介電常數(shù)以及低黏度的絕緣溶劑中,最終混合而成的懸浮液[6].而液晶高分子及相應(yīng)溶劑混合而成的均相溶液則叫做均相型電流變液.具有大分子鏈結(jié)構(gòu)的高分子聚合物材料通常不會(huì)形成對(duì)稱(chēng)性的粒子, 經(jīng)過(guò)電場(chǎng)極化后能夠形成連續(xù)錯(cuò)落有致,且較大的網(wǎng)格結(jié)構(gòu), 較難破壞的鍵鏈在粒子之間形成, 材料的表觀黏度大大增加, 提高了電流變液的性能[7].因此,文中提出應(yīng)用于新型液壓缸的電流變液主要指均相型電流變液.

ER流體在外加電場(chǎng)的作用下響應(yīng)速度極快,可由液態(tài)瞬間變?yōu)楣虘B(tài),在外加電場(chǎng)的改變下其黏度無(wú)級(jí)可調(diào),因此在工業(yè)應(yīng)用上的良好前景毋庸置疑.因?yàn)橐恢币詠?lái)電流變液的沉降穩(wěn)定性低,且固化后僅能達(dá)到8 kPa左右的抗剪強(qiáng)度,電流變液在工程應(yīng)用的發(fā)展受到限制[8-10].因此,國(guó)內(nèi)外針對(duì)電流變液固化后所能承受剪切力的研究發(fā)展迅速.

K.Q.Lu,R.Shen等[11-12]已經(jīng)研制出極性分子型電流變液(PM-ER),與傳統(tǒng)電流變液中顆粒極化產(chǎn)生的相互作用有很大不同,是一類(lèi)新型電流變液;PM-ER由(10～102) nm介電顆粒與絕緣液體混合而成,介電顆粒用濕化學(xué)法合成,在介電顆粒上保留了吸附的極性分子或極性基團(tuán),這種相互作用比顆粒極化產(chǎn)生的作用力約大100倍.因此,PM-ER的屈服強(qiáng)度比傳統(tǒng)電流變液高得多,目前PM-ER屈服強(qiáng)度已可達(dá)大約400 kPa,并有進(jìn)一步提高的空間.近些年來(lái),趙艷等[13]制備出了抗剪切強(qiáng)度高達(dá)152 kPa的電流變液,采用醇鹽水解法合成了電流變效應(yīng)極好的鉻離子改性氧化鈦/丙烯酰胺納米電流變液.吳茂艷等[14]利用硅烷偶聯(lián)劑KH-570修飾稀土摻雜納米TiO2,制備出了沉降穩(wěn)定性提高顯著的新型電流變液.R.Shen[15]等提出了用于測(cè)量流體的屈服應(yīng)力PM-ER技術(shù).可以很方便地測(cè)到內(nèi)在的屈服應(yīng)力和剪切模量,并且在兩極可以消除邊界效應(yīng).趙曉鵬[16]等摻雜稀土改性后的二氧化鈦電流變液的活性明顯提高,適當(dāng)?shù)南⊥翐诫s改善了材料的載流子在電場(chǎng)下的遷移,導(dǎo)致顆粒介電和電導(dǎo)性質(zhì)的優(yōu)化和極化能力的提高.魏旭民[17]在電流變液的電流變效應(yīng)基礎(chǔ)上,改進(jìn)了剪切模式下的深孔電流變液減振器,對(duì)減振器阻尼力公式及影響因素進(jìn)行了分析,推導(dǎo)出了切削系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型.由MATLAB軟件仿真結(jié)果表明,切削系統(tǒng)的阻尼率變化可以通過(guò)對(duì)電流變液電場(chǎng)強(qiáng)度的改變而快速實(shí)現(xiàn),從而達(dá)到抑制切削顫振的目的.

電流變液及其器件已經(jīng)在各類(lèi)工業(yè)產(chǎn)品中大量應(yīng)用,因?yàn)殡娏髯円壕哂锌赡娴牧髯兲匦?并且對(duì)電信號(hào)的反應(yīng)時(shí)間為ms級(jí)等優(yōu)點(diǎn),可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)電液轉(zhuǎn)換元器件,在航空航天工業(yè)以及汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛.在汽車(chē)工業(yè)中,已經(jīng)投入使用的有離合器、制動(dòng)器、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、懸架、隔振器、座椅以及減震器等主動(dòng)控制和半自動(dòng)控制的阻尼裝置[18-26].同時(shí),潤(rùn)滑油公司也密切關(guān)注電流變液技術(shù)的發(fā)展, 積極尋求電流變液技術(shù)與傳統(tǒng)潤(rùn)滑油品的結(jié)合, 推動(dòng)潤(rùn)滑油技術(shù)不斷創(chuàng)新和發(fā)展[27].在應(yīng)用具有電流變液特性的潤(rùn)滑油時(shí),潤(rùn)滑油的黏度隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的變化而發(fā)生改變,從而影響了機(jī)械設(shè)備中潤(rùn)滑油的流態(tài)及潤(rùn)滑效果,并且合理的運(yùn)用機(jī)電一體化系統(tǒng)中各類(lèi)元件的配合,從而可以實(shí)現(xiàn)摩擦系統(tǒng)的智能潤(rùn)滑[28].因此,電流變液在傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)革新中發(fā)展前景極其可觀.

2 電流變液黏度的影響因素

電流變液在通常條件下是一種懸浮液,它在電場(chǎng)的作用下可發(fā)生液體到固體的轉(zhuǎn)變.當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度大大低于某個(gè)臨界值時(shí),電流變液呈液態(tài),此時(shí)黏度為液體本身黏度,并且其黏度隨電場(chǎng)強(qiáng)度的升高而增大;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大大高于這個(gè)臨界值時(shí),它就變成固態(tài),撤去外加電場(chǎng)之后電流變液立即從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),此時(shí)其黏度回到零電場(chǎng)狀態(tài),整個(gè)過(guò)程是可控可逆的.流變特性即是電流變液的特性,可以解釋為電流變液的流變學(xué)特性,通常包括表觀黏度和剪切應(yīng)力等,由外加電場(chǎng)強(qiáng)度等外界條件決定其變化規(guī)律的性質(zhì).因此,電流變液黏度的影響因素由電流變液流變特性的影響因素決定.

從電流變液被研發(fā)時(shí)起,就有很多學(xué)者深入地研究了電流變液的流變特性及其影響因素,并且使此智能材料得到了廣泛的應(yīng)用,主要研究發(fā)現(xiàn)是電流變液在有無(wú)外加電場(chǎng)時(shí),其流變特性完全不同.不存在外加電場(chǎng)的情況下,電流變液為液體本身黏度,黏度很低且表現(xiàn)為牛頓流體;而在外加電場(chǎng)存在的情況下, 其流變學(xué)特征相對(duì)復(fù)雜[29].由于不通電狀態(tài)的液體黏度為本身黏度,與液壓油粘流特性相似,所以本文只研究存在外加電場(chǎng)以及外部條件下的流變特性.

2.1電學(xué)參數(shù)影響電流變液流變特性

通常情況下可以根據(jù)電場(chǎng)性質(zhì)及電場(chǎng)強(qiáng)度這兩方面研究電學(xué)參數(shù)的影響.

作用于電流變液體上的電場(chǎng)方式?jīng)Q定了電場(chǎng)性質(zhì),包括直流電場(chǎng)和交流電場(chǎng).當(dāng)選擇交流電場(chǎng)時(shí)必須要對(duì)電場(chǎng)的頻率進(jìn)行遴選.鄭華文等[30]研究了在電流變液外部作用交流電場(chǎng)時(shí)的流變特性,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),電流變液顆粒的極化率決定了交流電場(chǎng)頻率的上限.粒子的極化率若低于當(dāng)前外加交流電場(chǎng)的頻率,則電流變效應(yīng)存在;當(dāng)粒子的極化率高于當(dāng)前外交流電場(chǎng)的頻率時(shí),則電流變效應(yīng)消失.

然而就目前而言,學(xué)者對(duì)其研究最多的方面是外加電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電流變液的流變學(xué)性能所產(chǎn)生的影響.W.Eckart[31]在非同等強(qiáng)度電場(chǎng)情況下研究了同種電流變液的流變性能變化情況,結(jié)果表明,在外加電場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí),其剪切應(yīng)力小于1 Pa,此時(shí)為最小剪切應(yīng)力即液體黏度最低;當(dāng)存在外加電場(chǎng)時(shí),其剪切應(yīng)力隨外加電場(chǎng)的強(qiáng)度增強(qiáng)而升高,此時(shí)液體黏度隨之升高.在外加電場(chǎng)強(qiáng)度值為30 kV/mm時(shí),其剪切應(yīng)力值將升至1 kPa.

張正勇等[7]分析并研究了高分子電流變液在非同等強(qiáng)度電場(chǎng)作用下的流變特性及電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系,結(jié)論與前文相同,即流體剪切應(yīng)力及表觀黏度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,即電場(chǎng)強(qiáng)度越大,剪切應(yīng)力就越大,即表現(xiàn)黏度越大.田煜等[32]以及姚國(guó)治等[33]針對(duì)上述問(wèn)題做出了一系列的研究,其結(jié)果表明,電流變液的剪切應(yīng)力隨電場(chǎng)強(qiáng)度增大而增大的觀點(diǎn)正確無(wú)誤.因此所謂電流變液效應(yīng)描述的就是電流變液的表觀黏度和剪切應(yīng)力隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而急劇增加的現(xiàn)象.目前針對(duì)電流變液效應(yīng)機(jī)理最廣泛接受的解釋是靜電極化機(jī)理[34],即電流變液重的顆粒會(huì)在高壓的作用下因?yàn)闃O化而產(chǎn)生電荷分離,從而造成正負(fù)電荷聚集在顆粒兩端,同時(shí)在靜電吸引的作用下相鄰顆粒會(huì)互相連接成鏈狀結(jié)構(gòu),最終體系的剪切力由于顆粒粗化成顆粒柱而大幅度增加.

2.2溶液溫度影響電流變液流變性能

通常情況下,任意液壓油的黏度都會(huì)隨溫度的變化而變化.一般液壓油的黏度會(huì)在一定的范圍內(nèi)隨著溫度的升高而降低,電流變液的黏度跟其流變特性相關(guān),并且隨著溫度的升高而降低.

電流變液的流變特性在很大程度上受到溫度的影響.主要是因?yàn)闇囟扔绊懼娏髯円罕旧淼酿ざ?此外還影響了電流變液懸浮相的電導(dǎo)率以及介電常數(shù).Y.F.Deinega[35]等研究發(fā)現(xiàn),含水電流變液的剪切應(yīng)力會(huì)隨溫度上升而增加,然而超過(guò)某一個(gè)臨界溫度時(shí),其剪切應(yīng)力則隨溫度上升而迅速下降,此峰值表明了在某一最佳溫度時(shí),電流變液的剪切應(yīng)力存在一個(gè)最大值.所以在液壓缸工作過(guò)程中,溫度的變化對(duì)電流變液變化的影響在所難免.可以通過(guò)對(duì)電流變液整體溫度進(jìn)行恒溫控制,以此來(lái)消除溫度的變化對(duì)電流變液流變特性的影響,從而避免其影響液壓缸工作狀態(tài).

3 電流變液應(yīng)用于液壓缸技術(shù)

本文基于電流變液的一系列特性將其應(yīng)用到液壓缸中,并實(shí)現(xiàn)新型液壓缸的無(wú)極調(diào)速以及其實(shí)時(shí)定位與夾緊.

節(jié)流閥流量和液壓缸的有效作用面積決定了液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度,通過(guò)改變節(jié)流閥的流量實(shí)現(xiàn)對(duì)其速度的調(diào)節(jié).液壓缸在傳動(dòng)中的調(diào)速,以及傳動(dòng)過(guò)程中的定位問(wèn)題實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜,通常是使用節(jié)流閥調(diào)速.節(jié)流閥具有細(xì)長(zhǎng)孔,流量的變化由細(xì)長(zhǎng)孔的直徑和液壓油的黏度決定.因此,無(wú)論是改變液壓油黏度還是改變細(xì)長(zhǎng)孔的直徑都較為復(fù)雜.以往液壓缸行進(jìn)過(guò)程中的定位,通常需要在自動(dòng)控制技術(shù)的配合下,由上位機(jī)的時(shí)間設(shè)定值或磁性傳感器傳遞給上位機(jī)的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制.時(shí)間控制并不精準(zhǔn),且上位機(jī)程序冗長(zhǎng)低效,而磁性傳感器不能做到行進(jìn)中的瞬態(tài)實(shí)時(shí)任意位置定位.

文中提到改變細(xì)長(zhǎng)孔直徑或改變液壓油黏度可以進(jìn)行流量調(diào)節(jié),圍繞這兩個(gè)因素可知,目前電流變液擁有不同于液壓油的可變黏度特性,同時(shí)電流變液在外加電場(chǎng)達(dá)到其臨界值時(shí)會(huì)瞬間固化形成固態(tài).因此,若正確利用此特性,在液壓缸中使用電流變液,則可制成相對(duì)簡(jiǎn)潔的實(shí)時(shí)調(diào)速及定位液壓缸.本文通過(guò)對(duì)電流變液黏度的變化以及固化臨界值的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析,總結(jié)出變化規(guī)律,并通過(guò)理論來(lái)驗(yàn)證電流變液黏度的改變,可以控制液壓缸的傳動(dòng)速度和行進(jìn)中的定位問(wèn)題.

3.1普通液壓缸調(diào)速

通常情況下是由減壓閥和節(jié)流閥等組成速度控制回路,并且通過(guò)此回路來(lái)控制液壓缸傳動(dòng)速度.在把液壓油看做剛性的,且不考慮泄漏的理想狀態(tài)下,可以改變輸入的流量,從而進(jìn)行控制.

式中:v為活塞運(yùn)動(dòng)速速;q為流量;A為液壓缸的有效工作面積.

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)孔,即l/d>4的小孔流量公式為[30]

式中:d為孔直徑;l為孔的長(zhǎng)度;η為油液的黏度.

流量可以由小孔直徑以及液壓油黏度的變化來(lái)改變,最終控制液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度.

3.2普通液壓缸定位

在以往的液壓設(shè)備中,自動(dòng)化設(shè)備上液壓缸的定位通常由PLC內(nèi)部時(shí)間控制磁性開(kāi)關(guān)或行程開(kāi)關(guān)等傳遞給PLC信號(hào),PLC信號(hào)控制電磁閥完成,整體過(guò)程稍顯復(fù)雜,且周期較長(zhǎng).當(dāng)選擇時(shí)間控制時(shí),上位機(jī)需要編入對(duì)應(yīng)的時(shí)間值,并且需要對(duì)時(shí)間和行進(jìn)相關(guān)的換算.若當(dāng)前系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)可調(diào),則需要把上位機(jī)的時(shí)間值傳遞到人機(jī)交互界面進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà),整體過(guò)程以及組件略顯復(fù)雜,且成本控制較難.磁性開(kāi)關(guān)和行程開(kāi)關(guān)的定位方式基本相似,當(dāng)選用磁性開(kāi)關(guān)時(shí)需要把其放置在磁性液壓缸的支撐桿上,并且通過(guò)調(diào)節(jié)其所在位置,從而把開(kāi)關(guān)量信號(hào)傳遞給上位機(jī),最終上位機(jī)控制電磁閥,從而定位液壓缸行程.相對(duì)于磁性開(kāi)關(guān),行程開(kāi)關(guān)反應(yīng)速度較慢,且精度最低(受行程開(kāi)關(guān)的觸發(fā)機(jī)械行程影響),只有當(dāng)行程開(kāi)關(guān)被按下時(shí)才能把開(kāi)關(guān)量信號(hào)傳遞給上位機(jī),并通過(guò)上位機(jī)控制電磁閥來(lái)定位液壓缸行程.

3.3電流變液液壓缸的調(diào)速及定位

由于電流變液黏度由流變特性決定,而其流變特性會(huì)在恒定溫度內(nèi)隨外加電場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化,當(dāng)超過(guò)臨界值時(shí)會(huì)瞬間固化,同時(shí)電流變液的黏度變化迅速且可逆.因此,把電流變液流變特性的實(shí)時(shí)可變性、可逆性及其瞬間固化性應(yīng)用到液壓缸的實(shí)時(shí)傳動(dòng)調(diào)速以及定位中,能夠合理地解決液壓缸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度的變化問(wèn)題.

普通液壓缸是通過(guò)流量的變化來(lái)控制非勻速的液壓缸運(yùn)動(dòng),流量的大小由節(jié)流閥的小孔直徑?jīng)Q定,然而改變相對(duì)較小的小孔直徑是比較困難的,同時(shí)在非勻速傳動(dòng)過(guò)程中對(duì)其控制很難實(shí)現(xiàn).因此針對(duì)細(xì)長(zhǎng)孔的節(jié)流閥,其流量大小可以用電流變液流變特性的變化來(lái)控制.

圖1 可調(diào)速及定位式電流變液液壓缸工作示意圖

根據(jù)圖1可知,當(dāng)電線(xiàn)未通電時(shí),電流變液的黏度是基液的黏度,在傳動(dòng)過(guò)程中,流量是恒值不會(huì)改變.在電線(xiàn)通電之后產(chǎn)生外加電場(chǎng),電流變液在外加電場(chǎng)的作用下流變特性會(huì)發(fā)生變化,因此會(huì)導(dǎo)致其黏度發(fā)生變化,變化特性為在溫度恒定時(shí)其黏度隨外加電場(chǎng)強(qiáng)度升高而升高,黏度變化后通過(guò)節(jié)流孔的流量發(fā)生相應(yīng)的變化.流量變化會(huì)導(dǎo)致液壓缸活塞的傳動(dòng)速度發(fā)生變化.根據(jù)在傳動(dòng)過(guò)程中速度的需求量的不同,在整個(gè)傳動(dòng)過(guò)程中通過(guò)改變外加電場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的調(diào)控.當(dāng)需要定位時(shí),只需把外加電場(chǎng)強(qiáng)度增大到超過(guò)電流變液固化極限值,便可實(shí)現(xiàn)液壓缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的瞬間定位.

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)改變電流變液的流變特性從而使其流量大小產(chǎn)生變化甚至固化,不但可以調(diào)節(jié)液壓缸傳動(dòng)速度,同時(shí)還可以控制液壓缸實(shí)時(shí)定位.控制好工作腔的溫度能夠減少溫度對(duì)電流變液流變特性產(chǎn)生的影響,從而通過(guò)改變電流變液的流變特性來(lái)改變流體的黏度,最終達(dá)到調(diào)整液壓缸速度及定位的最佳效果.以上理論依據(jù)證實(shí)了可調(diào)速及定位式電流變液液壓缸的可行性.

電流變液液壓缸技術(shù)的應(yīng)用前景廣泛,可在機(jī)床夾緊機(jī)構(gòu)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓缸,在非高要求夾緊時(shí)取消背壓.在機(jī)械手的傳動(dòng)系統(tǒng)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓缸進(jìn)行實(shí)時(shí)定位以及夾緊功能,相對(duì)于傳統(tǒng)的信號(hào)反饋后電控關(guān)閉閥門(mén)式液壓缸定位,其能夠瞬間停止行進(jìn)并固化一體,具有回縮量小、誤差小等優(yōu)點(diǎn).甚至在汽車(chē)、航空航天、制造業(yè)等都可以合理地采用電流變液液壓缸技術(shù),在降低成本的同時(shí)可以極大地提高效率.

自主配制出由高黏度SN級(jí)機(jī)油以及金屬切削碎屑等組成的電流變液,可以快速固化并提供大剪切力,同時(shí)研制出基于電流變液的萬(wàn)向定位裝置,應(yīng)用此電流變液作為萬(wàn)象定位裝置的填充液,通過(guò)調(diào)整三支撐伸縮桿的伸縮行程,從而無(wú)極調(diào)節(jié)萬(wàn)向定位裝置的角度,在通電的瞬間電流變液固化并完成定位動(dòng)作.在此項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn),高黏度機(jī)油可提供更大的剪切力,但大大降低了電流變液的流動(dòng)性,在工作環(huán)境溫度較低時(shí)工作效率較低,由于溫度對(duì)電流變液的影響較大,所以應(yīng)繼續(xù)研究電流變液萬(wàn)向定位裝置的溫度補(bǔ)償裝置.

(1)電流變液具有極強(qiáng)的不穩(wěn)定性, 對(duì)環(huán)境的要求過(guò)于苛刻,因此若想電流變液應(yīng)用于液壓缸,則必須控制好環(huán)境溫度等可能導(dǎo)致電流變液不穩(wěn)定的因素;

(2)由于電流變液對(duì)液壓系統(tǒng)器件的摩擦較大,因此電流變液在應(yīng)用于液壓缸時(shí)需要考慮其本身對(duì)液壓系統(tǒng)器件的摩擦因素;

(3)就目前而言,還缺少能夠滿(mǎn)足穩(wěn)定支持電流變器件的設(shè)備,在外加電場(chǎng)的情況下,能夠增加黏度甚至瞬間固化,但在無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)黏度過(guò)高.

因此,若電流變液應(yīng)用于液壓缸技術(shù)能夠更加穩(wěn)定的在各類(lèi)工業(yè)中使用,還需要進(jìn)行大量的更加深入的研究.電流變液應(yīng)用于液壓缸技術(shù)是一種極具前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的高新技術(shù),結(jié)合了材料、機(jī)械、自動(dòng)化等多門(mén)學(xué)科的創(chuàng)新型產(chǎn)品,是一種值得大力發(fā)展的新型技術(shù).

[ 1 ] 陸坤權(quán),沈容,王學(xué)昭,等. 極性分子型電流變液[J]. 物理, 2007,36(10):742-749. (LU K Q,SHEN R,WANG X Z,et al. Polar molecules electrorheological fluids[J]. Physics, 2007,36(10):742-749.)

[ 2 ] WINSLOW W M. Induced fibrillation of suspensions[J]. Journal of Applied Physics, 1949.

[ 3 ] HOLLMANN H E. Semiconductive colloidal suspensions with non-linear properties[J]. Journal of Applied Physics, 1950,21(5):402-413.

[ 4 ] STANGROOM J E. Electrorheological fluids[J]. Physics in Technology, 2002,14(6):290.

[ 5 ] 涂福泉,劉小雙,毛陽(yáng),等. 電流變液的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2014,28(11):66-68. (TU F Q,LIU X S,MAO Y,et al. Recent progress and application of electrorheological fluids[J].Materials Review, 2014, 28(11):66-68.)

[ 6 ] 鄭杰,馬蘋(píng)蘋(píng),周凱運(yùn),等. 電流變液的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 功能材料, 2015,46(Z2):19-27. (ZHENG J,MA P P,ZHOU K Y,et al. Research and application of electrorheological fluid[J]. Functional Material, 2015,46(z2):19-27.)

[ 7 ] 張正勇,張耀華,孫怡寧. 高分子材料電流變液的特性研究[J]. 功能材料與器件學(xué)報(bào), 2001,7(2):147-151. (ZHANG Z Y,ZHANG Y H,SUN Y N. Study of ERFs characteristics of macromolecule polymer[J]. Journal of Functional Materials and Devices, 2001,7(2):147- 151.)

[ 8 ] 趙曉鵬,羅春榮,周本濂. ER流體特性及其研究現(xiàn)狀[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 1993(4):1-6. (ZHAO X P,LUO C R,ZHOU B L. Characteristics of ER fluid and its research status[J]. Journal of Materials Science and Engineering,1993(4):1-6.)

[ 9 ] 中野政身,米川琢哉. 分散系ER流體を用いたアクティブダンパとその除振制御への応用[J]. 日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集:C編, 1996,62:33-40. (NAKANO M,YONEKAWA T. Active damper using electrorheological suspension and its application to vibration isolation control[J]. The Japan Society of Mechanical Engineers, C, 1996,62(593):33-40.)

[10] 原口真,金英,古荘純次. 冗長(zhǎng)個(gè)數(shù)のER流體ブレーキを用いた2次元上肢リハビリ支援裝置に関する基礎(chǔ)研究: 第1報(bào),力覚提示能力に関する解析(機(jī)械力學(xué),計(jì)測(cè),自動(dòng)制御)[J]. 日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集:C編, 2010,76(761):142-150. (HARAGUCHI M,JIN Y,FURUSHO J. Basic research of 2- rehabilitation system for upper limbs with redundant ER brakes:1st report, analysis of its force display ability[J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, C, 2010,76(761),142-150.)

[11] LU K Q,SHEN R,WANG X Z,et al. Polar molecule dominated electrorheological effect[J]. Chinese Physics B (English Edition), 2006,15(11):2476-2480.

[12] SHEN R,WANG X,LU Y,et al. Polar-molecule-ominated electrorheological fluids featuring high yield stresses[J]. Advanced Materials, 2010,21(45):4631-4635.

[13] 趙艷,王寶祥,趙曉鵬. Cr離子改性氧化鈦/丙烯酰胺納米電流變液及其性能研究[J]. 無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào), 2006,21(3):671-676. (ZHAO Y,WANG B X,ZHAO X P. Preparation and electrorheological effect of titanium oxide/acrylamide doped with Cr ions[J].Journal of Inorganic Materials, 2006,21(3):671)

[14] 吳茂艷,王富星,丁克鴻,等. 稀土摻雜納米二氧化鈦接枝聚硅氧烷電流變液的制備與性能研究[J]. 稀有金屬, 2012,36(4):590-595. (WU M Y, WANG F X,DING K H,et al. Preparation of rare earth doped TiO2grafting poly-silicone electrorheological fluid and its electrorheological response[J].Rare Metals, 2012,36(4):590-595.)

[15] SHEN R,WANG X Z,LU Y,et al. The methods for measuring shear stress of polar molecule dominated ER fluids[J]. International Journal of Modern Physics B, 2007,102(2):2820.

[16] 趙曉鵬,尹劍波,向禮琴,等. 稀土改性二氧化鈦電流變液的性能[J]. 材料研究學(xué)報(bào), 2000,14(6):604-608. (ZHAO X P,YIN J B,XIANG L Q,et al. Properties of titania electrorheological fluids modified by rare earth[J].Journal of Materials Research, 2000,14(6):604-608.)

[17] 魏旭民. 基于電流變效應(yīng)的深孔切削顫振防治研究[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2016(1):18-19. (WEI X M. Deep-hole cutting chatter suppression based on ER phenomenon[J]. Mechanical Engineering &Automation, 2016(1):18-19.)

[18] 許滄粟,黃承修,酈光明. 鍵合圖理論在發(fā)動(dòng)機(jī)電流變液力懸置中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2006,42(5):219-223. (XU C H,HUANG C X,LI G M. Application of bond graph theory in electrorheological fluid engine mount[ J ]. Journal of Mechanical Engineering, 2006,42(5):219-223.)

[19] 張緒祥,張佑林,關(guān)麗. 電流變智能阻尼器的阻力分析[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào), 1999,21(4):43-48. (ZHANG X X,ZHANG Y L,GUAN L. The resistance analysis of the electrorheological intelligent damper[J ] .Journal of Wuhan College of Chemical Engineering, 1999,21(4):43-48.)

[20] 李鵬,周天國(guó),欒驚天. 時(shí)效強(qiáng)化對(duì)連續(xù)成型Al-Zr-Be合金導(dǎo)體組織性能的影響[J]. 沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014,26(2):104-108. (LI P,ZHOU T G,LUAN J T. Influence of aging strengthening to microstructures and properties of Al-Zr-Be alloy conductor prepared by continuous forming[J].Journal of Shenyang University (Natural Science), 2014,26(2):104-108.)

[21] TAN S K,SONG X P,QIAO L,et al. The influence of particle size, concentration of electrorheological fluid on the properties and morphology of ER[J]. Advanced Materials Research, 2010, 152-153(Z1):1111-1114.

[22] 周天國(guó),張安,石舟,等. 連續(xù)ECAE 動(dòng)態(tài)時(shí)效成形制備Al-Zr-B 合金的組織與性能[J]. 沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016,28(3):173-177. (ZHOU T G,HANG A,SHI Z,et al. Microstructures and properties of Al-Zr-B alloy wires prepared by continuous dynamic aging ECAE forming[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2016,28(3):173-177.)

[23] 張立軍,余卓平. 汽車(chē)用電流變液器件現(xiàn)狀與展望[J]. 汽車(chē)工程學(xué)報(bào), 2001(6):26-29. (ZHANG L J,YU Z P. Status and development of electrorheological fluid devices for automobile[J] .Research and Development of Automobile, 2001(6):26-29.)

[24] PEEL D J,STANWAY R,BULLOUGH W A. A generalised presentation of valve and clutch data for an ER fluid, and practical performance prediction methodology[J]. International Journal of Modern Physics B, 1996,10(23/24):3103-3114.

[25] MENDOZA M E,DONADO F,CARRILLO J L. Synthesis and characterization of micrometric ceramic powders for electro-rheological fluids[J]. Journal of Physics & Chemistry of Solids, 2003, 64(11):2157-2161.

[26] KAMEI Y,MANDAI A,KANEKO K,et al. Synthesis and electro-rheological effect of liquid crystalline siloxane dimers having several lengths of the siloxane core and the spacer[C]// Proceedings of Japanese Liquid Crystal Society Annual meeting. The Japanese Liquid Crystal Society, 2010: 31.

[27] 張東恒,王澤恩. 電流變液及其在潤(rùn)滑油領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 潤(rùn)滑油, 2011,26(Z1):9-15. (ZHANG D H,WANG Z E. Electrorheological fluid and its application in lubricating oil field[J]. Lubricating Oil, 2011,26(Z1):9-15.)

[28] YIN J,XIA X,XIANG L,et al. Conductivity and polarization of carbonaceous nanotubes derived from polyaniline nanotubes and their electrorheology when dispersed in silicone oil[J]. Carbon, 2010,48(10):2958-2967.

[29] 溫詩(shī)鑄,田煜,孟永鋼. 電流變技術(shù)研究及展望[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2003,39(10):36-42. (WEN S Z,TIAN S,MENG Y G. Research and prospect of electrorheological technology[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2003(10):36-42.)

[30] 鄭華文,唐向陽(yáng),吳張永. 電流變液體的流變特性分析[J]. 機(jī)械, 2000,27(S1):38-40. (ZHENG H W,TANG X Y,WU Z Y. Analysis of rheological behavior of electrorheological fluid[J].Mechanical, 2000,27(S1):38-40.

[31] ECKART W. Phenomenological an extended casson model[J]. Continuum Mechanics and Thermodynamics, 2000,12(5):341-362.

[32] 田煜,孟永鋼,溫詩(shī)鑄. 電流變液在平行平板剪切下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J]. 化學(xué)物理學(xué)報(bào), 2001,14(5):527-531. (TIAN Y,MENG Y G,WEN S Z. Research on the response of ER fluids sheared between two parallel plates[J]. Chinese Journal of Chemical Physics, 2001,14(5):527-531.)

[33] 姚國(guó)治,邱陽(yáng),孟光,等. 電流變液及其性能研究[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1999,17(2):176-180. (YAO G Z,QIU Y,MENG G,et al. On characteristics of silicon-fluid based electrorheological fluid[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 1999,17(2):176-180.)

[34] 易新文,李飛,胡克鰲. 電流變體研究進(jìn)展[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2002,20(1):77-80. (YIX W,LI F,HU K A. Research progress of the electrorheological materials[J].Materials Science and Engineering, 2002,20(1):77-80.)

[35] DEINEGA Y F,VINOGRADOV G V. Electric fields in the rheology of disperse systems[J]. Rheologica Acta, 1984,23(6):636-651.

DevelopmentProspectofApplicationofERFluidsinHydraulicCylinderTechnology

WangJianming,ZhangLianyong,SunBin,BaiJingyuan,LiuXiaofeng

(School of Mechanical & Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

The research and application progress of an intelligent material electro rheological (ER) fluid is introduced. The feasibility of the application of ER fluids in a new hydraulic cylinder is presented; the influence of the parameter for ER fluids is analyzed. This paper expounds the relevant mechanism of the hydraulic cylinder and the basic parameter required for the ER fluids in the hydraulic cylinder, and explained the advantages of the application of the hydraulic cylinder in the new hydraulic cylinder. The electro rheological fluid has been prepared and applied to a small hydraulic cylinder. The feasibility of the application for ER fluids to the new type hydraulic cylinder is proved theoretically and practically.

intelligent material; ER fluids; application prospect; hydraulic cylinder.

TB 381

: A

【責(zé)任編輯:趙炬】

2017-03-30

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51301111); 遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201602523).

王建明(1963-),男,江西寧都人,沈陽(yáng)大學(xué)教授,博士.

2095-5456(2017)04-0259-06