基于电流变液换向阀的设计与仿真

　　0　引言

　　电流变液[1, 2](ElectrorheologicalFluid, ERF)是一种在外加电场作用下,其流变性能可以发生快速、可逆液固相属性转换的流体,且这种变换具有频响时间短、能耗小等特点。利用ERF的这些特性可以设计出汽车离合器、液体阀门等,因而在工业和民用产品领域具有良好的应用前景。

　　换向阀[3]是控制液压系统中油液的流动方向或油流通断的元件。电流变液在液体阀门装置中的应用有电流变液换向阀、电流变阀减振器等。该文主要设计了一种电流变液换向阀,研究其数学模型和性能等。与传统的电液换向阀相比,电流变液换向阀具有响应速度快、能耗小、移动元件少等特点。

　　1　电流变阀的工作原理

　　电流变液阀的基本原理[4]是利用电流变液阀中的电流变液体的表观黏度可在电场的控制下在一定的条件和范围内实现无级调节;在恒流量时,可实现通过阀时进出口间压力差的无级调节;在定压差时,实现流量的无级调节。

　　电流变阀主体是由接地电极、中心高电极、隔热网、进出油口所组成,如图1所示。电流变阀的传动介质是电流变液。常用的电流变阀为同心圆筒形[5],外圆筒为接地电极,其外径为D,内圆柱为中心高电极,其直径为d,外圆筒与内圆柱之间的间隙为h,电流变阀总长度为l。这种电流变阀的工作原理是:当高电极与接地电极之间形成电场,使得从出油口流入且流经高电极与接地电极之间间隙的电流变液在瞬间由液态向类固态转变,从而实现出油口流量的控制。而当去除电场时,电流变液又由类固态向液态转变。

　　2　电流变液换向阀的数学模型

　　图2为电流变液换向阀的系统设计,图中的液控阀和ER桥代替了传统的换向阀和节流阀。回路的方向和流量可通过ER桥中的4个阀的电场来控制。图3为ER的控制单元。

　　根据电学基本知识可知,电压U、电场强度E和电极间距d(这里是指h)的关系为:E=U/d,对于依靠调节电场强度来控制的电流变效应,调节方式有两种:调节电压和调节电极。通常基于绝缘和安全的问题考虑,应尽量不提升太高的电压,主要是考虑减小电极间距,一般取毫米级。

　　对于单个同心圆筒形电流变阀,根据流体力学[6]的基本知识可知,压差与流量的关系为:

　　q=πdh³Δp/(12ηl)-πdh³φE²/12η 　　(1)

　　令R=12ηl/πdh3,Re=12η/(πdh3φ),则上式为q=Δp/R-E2/Re。即

　　Δp=Rq+E²R /Re 　　(2)

　　其中,R为液阻,Re为电液阻,q为流体的体积流量,Δp为电流变阀进油口与出油口的压差,ps为油源压力,η为零电场下电流变液体的动力黏度,φ为电流变液体的电敏参数。从上式可知,ER阀产生的压差由两部分组成:第一项为基本压差,只随流量的变化而变化,第二项是由于电流变效应产生电致屈服应力而产生的压差,它随电场强度的变化而变化。在一定的液流量时,电场强度越大,压差越大;当电场强度为零时,Δp=Rq,电流变液即保持一般液阻特性。