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[導(dǎo)讀]摘要:電流變流體(ERF)是一種新型智能物質(zhì),在高壓電場作用下,能快速實現(xiàn)液一固的轉(zhuǎn)變,且響應(yīng)速度快。研究了圓盤式電流變傳動機構(gòu)的動態(tài)特性,并采用NI虛擬儀器對機構(gòu)進行分析、檢測和控制,通過實驗得出數(shù)據(jù),進而

摘要:電流變流體(ERF)是一種新型智能物質(zhì),在高壓電場作用下,能快速實現(xiàn)液一固的轉(zhuǎn)變,且響應(yīng)速度快。研究了圓盤式電流變傳動機構(gòu)的動態(tài)特性,并采用NI虛擬儀器對機構(gòu)進行分析、檢測和控制,通過實驗得出數(shù)據(jù),進而分析了輸入轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與所加高壓電場的關(guān)系。 關(guān)鍵詞:電流變流體 動態(tài)特性 NI虛擬儀器 電流變流體(ERF)是一種新型的智能材料,它的粘性和屈服應(yīng)力可用外加電場加以控制。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機電一體化(Mechatronics)


越來越受到重視,把機、電、液融合為一體,用微機進行控制的流體元件及系統(tǒng)不斷問世。將電流變流體技術(shù)應(yīng)用于機械系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng),可實現(xiàn)無移動件或少移動件的機構(gòu),極大地改善了系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)[1]。 電流變流體的應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛,在工程應(yīng)用方面包括液壓工程、汽車制造工業(yè)、機器人系統(tǒng)、流體密封領(lǐng)域等。其在汽車制造工業(yè)中,可用于汽車發(fā)動機冷卻風(fēng)扇的調(diào)速離合器、傳動離合器、阻尼可控的減振器或計算機控制是懸掛系統(tǒng)等。采用ER技術(shù)設(shè)計制造的汽車零部件,具有性能優(yōu)良、無磨損、壽命長、制造工藝性好、成本低的特點,而且可直接用計算機控制,無需接口。采用ER技術(shù)的汽車在未來市場競爭中具有明顯的優(yōu)勢。電流變傳動的自動控制系統(tǒng)由三部分組成,即機械傳動機構(gòu)、計算機檢測與控制裝置和電流變流體。 1 機構(gòu)工作原理 圖1所示為圓盤式電流變傳動機構(gòu)工作原理圖。中間盤和芯軸連在一起,芯軸左端有步地電機,芯軸右端接負載,左右端各套一個圓盤,左右圓盤和中間盤間充滿 ERF。本實驗中ERF選用哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所研制的HITL2型ERF,外加電場由電子開關(guān)控制。輸入信號由芯軸左端進電機提供。由于輸入信號很小,而芯軸右端接有負載,所以芯軸轉(zhuǎn)動不起來。這時由導(dǎo)步電機帶動左右圓盤以大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)速ΩL、ΩR旋轉(zhuǎn),將需要加高壓電源的一側(cè)的電子開關(guān)合上(如要增加力矩,則合上左側(cè)的電子開關(guān)),此時圓盤和中間盤間的ERF會產(chǎn)生中流變效應(yīng),通過圓盤將產(chǎn)生的附加力矩傳遞給中間盤輸出。 圖2 實驗原理圖 可以看出,中間盤的軸的左端輸入微小的機械控制信號,右端可以輸出大的力矩,電場使左盤或右盤與中間盤之間的ERF粘度變稠,產(chǎn)生大的剪切應(yīng)力,從而使中間盤克服負載力矩,按輸入信號轉(zhuǎn)動。這就是雙圓盤式電流變傳動機構(gòu)的工作原理。 2 系統(tǒng)理論模型 ERF在無外加電場作用時表現(xiàn)為牛頓流體。在有外加電場作用下表現(xiàn)為接近Bingham流體,在低應(yīng)變率下,具有粘彈性能[2]。在高電場下,是具有高屈服應(yīng)力的粘塑性體。 其本構(gòu)方程為: τ=τy+ηplγ (1) 其中,τ為流體流動產(chǎn)生的剪切應(yīng)力,τy是在電場作用下,電流變流體逐漸固化或稠化所產(chǎn)生的屈服應(yīng)力,γ是剪切速率。


屈服應(yīng)力與外加電場的關(guān)系為: τy=AE2=A(U/h)2 (2) 電流變效應(yīng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力使從動盤獲得力矩Me。這個電流變力矩Me與τy、ηpl、左盤和右盤的轉(zhuǎn)速差ΔΩ、圓盤間的間距h、圓盤有效面積的內(nèi)外圓半徑r1和r2的關(guān)系如下式所示[3]:

由式(2)知,剪切力矩和外加電壓間呈非線性關(guān)系。 這里假設(shè)它們的關(guān)系為冪次關(guān)系,如下式所示:

其中,α0、α1、α2由實驗獲得,U=1kV。


這是為了使系數(shù)量綱一致,且都為力矩量綱。 3 傳動機構(gòu)測控系統(tǒng)的構(gòu)建 實驗裝置如圖2所示,控制、分析和檢測采用NI虛擬儀器系統(tǒng)由計算機自動進行。在實驗中,采用多功能數(shù)據(jù)采集板PCI-MIO-16E-1、SCXI信號調(diào)理系統(tǒng)、溫度及電壓測量儀和動態(tài)信號分析儀NI-4552等對數(shù)據(jù)進行采集和分析,采用任意波形發(fā)生器PCI-5411、接線端子UMI和電機控制板 Flexmotion-6C等對步進電機進行控制,整個系統(tǒng)由軟件平臺LabView編寫的程序進行管理。由步進電機輸入不同的運動信號,由異步電機產(chǎn)生剪切場。圖3是采用LabView編寫的NI虛擬儀器控制程序。通過實驗得到的結(jié)果分析圓盤式電流變傳動裝置的動態(tài)性能。 在進行電流變傳動性能的實驗研究中,利用步進電機實現(xiàn)變信號輸入,通過控制異步電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)剪切速率,在高壓電流輸出高壓的同時,采集電流變傳動裝置的輸入、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的信號。裝置的輸出端利用木頭輪和簧片磨擦來模擬負載。


4 實驗結(jié)果 在交流電場作用下,對于本實驗所采用的ERF,其產(chǎn)生的電流變效應(yīng)比在直流電場作用下要強,屈服應(yīng)力也相應(yīng)要大。隨著外部施加電壓的增大,電流變傳動裝置的輸出轉(zhuǎn)矩也有一定的增大,如圖4、5所示。 當(dāng)環(huán)境溫度為18.9℃、外加電壓為交流3kV、主動盤的轉(zhuǎn)速為60r/m時,步進電機的輸出按圖6所示的任意波形變化,得到的電流變傳動的輸入轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩如圖7所示。裝置的輸入轉(zhuǎn)矩隨步進電機的輸出轉(zhuǎn)速信號的變化而變化,而輸入轉(zhuǎn)矩信號與負載相關(guān),隨負載的變化而產(chǎn)生波動。


主動盤的旋轉(zhuǎn)是給電流變流體產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)剪切場。當(dāng)環(huán)境溫度為18.6℃、外加3kV的直漢電壓、并撤去步進電機的輸入時,調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速,從而挖掘電流變傳動裝置的主動盤的轉(zhuǎn)速,得到圖8所示的結(jié)果。 從圖8可以看出,隨著電流變傳動裝置的主動圓盤轉(zhuǎn)速的增大,其輸出轉(zhuǎn)矩也隨之增大。在主動盤轉(zhuǎn)速較低時,其變化對輸出轉(zhuǎn)矩的影響較小;而當(dāng)主動盤轉(zhuǎn)速較高時,其變化對輸出轉(zhuǎn)矩的影響就比較明顯。 根據(jù)(4)式及實驗所得數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)矩Me擬合的曲線如圖9所示,其中α0為0.0611,α1為-0.02732,α2為0.00577。 通過以上分析,可得出如下結(jié)論: (1)對本實驗所設(shè)計的圓盤式電流變傳動裝置,選用一種電流變流體后,其傳動特性只與外加電場有關(guān)。 (2)HITL2型電流變流體在交流電場作用下,其電流變效應(yīng)比在直流電場作用下要強。并且,隨著外加電場的增大,電流變效應(yīng)所產(chǎn)生的屈服應(yīng)力也隨之增大。


(3)電流變傳動裝置的輸出轉(zhuǎn)矩的曲線是波動的。因為負載是變化的,輸出轉(zhuǎn)矩要與負載相匹配,因此輸出轉(zhuǎn)矩也應(yīng)隨著負載的變化而變化,即呈波形狀態(tài)。 (4)電流變傳動裝置的輸入轉(zhuǎn)矩是跟退步進電機的轉(zhuǎn)速信號,但有一定的滯后,因為在機構(gòu)中使用了彈性聯(lián)軸器。


(5)對電流變的控制,采用雙主動圓盤的機械結(jié)構(gòu),使剪切速變對傳動力矩的影響可以忽略不計。只要控制電場就能控制電流變傳動裝置。

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