电流变流体隔振器及其隔振性能研究

　　引言

　　电流变流体(Electrorheological Fluid,ERF)是一种极具发展前景和工程应用价值的新型智能材料。它是一种具有电流变效应或电流变现象的一种液体。电流变效应是指液体在电场作用或控制下,表征液体流动属性的粘度,在一定的剪切速率下,可发生明显变化的现象,而且这种变化是可逆的、连续无级的和可控制的。电流变效应的这种特性使ERF具有广阔的工程应用前景。

　　振动主动控制是当前一个重要而具有挑战性的前沿性研究课题,属于交叉学科的范畴,涉及振动、控制及材料等领域。近年来发展较快的智能材料与结构使实现振动智能控制成为可能。ERF的阻尼可控性使其在振动主动控制领域具有得天独厚的优势。ERF隔振器可以用一电极阀使得隔振器在一定范围内阻尼无级可调,且由于此电极阀只需加载一高电压,既无任何运动部件,所耗能量也很低,所以电流变流体也比传统流体隔振器易于实现自动控制。

　　目前,ERF在振动领域的研究主要集中在对ERF阻尼器的研究,且大多处在实验室样品阶级,国外也仅有文献报道在高级轿车及高级军事指挥车上得到应用。而对ERF隔振器的研究目前还未见成功实例,要实现ERF隔振器工程实用的问题,主要是其性能、寿命、可靠性及成本还难以满足要求。这里有材料、结构、控制技术等多方面的原因。本研究就是充分利用ERF阻尼的可控性设计了一种ERF隔振器,并对其进行隔振性能研究,以此讨论ERF隔振器的隔振机理及隔振性能。本研究结果将进一步促进ERF隔振器的工程实用。

　　1 ERF材料机理

　　ERF具有电流变效应的物理解释有三种理论:双层理论、水胶理论和颗粒极化理论。目前,多数研究人员倾向于颗粒极化理论。该理论认为,在电场作用下,高压电极获得正电荷,接地电极获得负电荷。粒子在电场作用下,正负粒子分化,正电荷移向最靠近负电极的粒子一侧,这样粒子与粒子形成链状排列。

　　基于颗粒极化理论,目前大多数ERF材料都是两相混合液,即在基础液中混合易极化的固体颗粒,本研究首先购买的两种国内研制的ERF材料以及自制的ERF材料都属于此类两相混合液。自制ERF材料是以机油为基础液,以固体无机化合物分子为分散相,添加适量抗沉淀剂及活性剂。三种材料的静动态特性如图1所示。

　　2 ERF的工作模式

　　根据ERF材料特性及其能量转换的工作原理,可得到其三种工作方式。

　　(1)剪切模式。两平行电极板相对运动,极板间的ERF受到剪切作用,可产生剪切阻力。电极板的形式有两种:平面平行极板和同心环型极板,两极板分别为正电极和负电极。