电流变液体阻尼器数学模型研究

　　1　引言

　　电流变液体(简称ERF)是由绝缘的母液(常为硅油或矿物油)、均匀分布在其中的固体电介质(无机的金属氧化物或非金属氧化物,有机高分子材料,有机半导体材料以及镀膜的复合粒子)以及表面活性剂制成的悬浮液。它在外加电场作用下表现黏度增加,从流动性良好的具有一定黏滞度的牛顿流体转变为具有一定屈服剪应力的黏塑性体,即所谓的“固化”。这种特性就称之为电流变效应。

　　电流变液体阻尼器是利用电流变效应,通过改变其两电极上的电压而调解其阻尼大小的电流变器件,是一种主动式可控阻尼器。利用电流变液的可控性,可用来设计各种电流变液体阻尼器,其阻尼参数可实时调节,具有被动式和一般主动式阻尼器所没有的优点。按照电流变阀类型的不同,可将电流变液体阻尼器分为两类,即固定电流变阀阻尼器和运动电流变阀阻尼器。

　　在此主要研究最常用的同心环形间隙的电流变阀阻尼器(属固定电流变阀阻尼器),其结构如图1所示。

　　其工作原理:在活塞与缸体的环形间隙两侧加上电场后,间隙中的电流变液体“固化”,发生黏塑性流动,使得活塞与缸体相对运动的阻尼力增加。液体必须克服“固化”电流变液的屈服剪切应力才可能产生黏塑性流动。电流变阀产生粘塑性流动的这部分电流变液体的剪切力和剪切速率的关系可用Bingham模型来描述:

　　式中τER———剪切应力

　　τEY———由电流变效应产生的电致剪切应力

　　η0———零电场时的黏度

　　r———液体的剪切速率

　　2　电流变液体阻尼器的压差分析

　　当缸体和活塞的环形间隙h远远小于活塞直径D时,可以忽略环形间隙的曲率,将其进一步简化为两平行平板间隙(平板宽度b为活塞底面周长πD),如图2所示。

　　两平行平板固定不动,电流变液体流过平板间隙,通过改变施加于平板的电场强度,改变流过间隙的电流变液体的黏度,利用电流变液体阻尼介质流过间隙时的流体黏性阻尼效应及屈服效应,阻尼力是由通过控制平板间液体产生的压力差而产生的。当间隙一定时,阻尼力的大小与液体的黏度和屈服应力及通过间隙的速度有关,从而可以通过控制电流变液体的黏度来控制阻尼的大小。

　　根据流体力学的知识可知:对于平板间隙的液压阀,其进出口处的液体压差Δp为

　　式中Δp———进出口处液体的压差

　　Q———流量

　　η———黏度