基于电流变效应的阀控系统研究

　　0　引言

　　阀作为液压系统的一个重要的控制元件已经被广泛运用。为了提高液压控制系统的动态响应速度和准确性,相继研制出电液比例、伺服和数字阀控系统,但是由于制造精度的高要求使得传统的液压阀控系统非常昂贵。因此,探索电流变技术在液压控制工程中应用的可能性就成为电流变技术应用研究的一个重要领域。国内外专家学者在该领域做了大量的理论研究与试验工作[1~3]。本文以液压控制理论为基础,以电场作用下表现为Bingham模型特征的电流变液体作为工作介质对基于电流变效应的阀建立控制方程,首次建立以蠕动泵为动力源的基于电流变效应的单元件阀回路系统试验装置,对该系统回路进行试验研究,并对研究结果进行分析。

　　1　电流变阀的静态性能

　　1.1　电流变阀的基本原理与结构

　　电流变阀通常可采用平板缝隙式(图1a)或同心圆筒缝隙式(图1b)结构。

　　由于电流变效应是基于电场强度的,由电学基本知识可知,电压U、电场强度E和电极间距h的关系为E = U/h,因此,调节电场强度的大小有两种方式:调节电压U和调节电极间距h。考虑到绝缘和安全问题,一般所施加的电场强度在4kV/mm之内[4],如电压U控制在2~6kV范围,则电极间距h一般控制在0.5~1.5mm之间。

　　1.2　电流变阀静态控制方程

　　与传统的液压控制阀一样,要控制液体压力和流量,需要确定控制方程,对于电流变阀,就是要确立外加电场强度与控制量(压力和流量)之间的关系。

　　以流体力学中压差与流量关系[5],以及Bingham模型为基础,对固定平板缝隙流动场(如图1所示)建立电流变静态控制方程

　　^{对式(1),令R=有}

　　△_p = R_q+ R_EYS_EY(E) 　　(2)

　　或

　　△_p = R_q+ R_EYαE^β　　(3)

　　式中,l、b、h分别为极板长度、极板宽度和极板间隙;R、REY分别为固定缝隙和电流变效应产生的流动阻力,分别取决于电流变阀电极的结构尺寸和电流变液体零电场下的粘度;Δp为阀的进出口压差,Δp= p₁-p₂;q为体积流量;α、β分别为取决于电流变材料性质的参数;μ0为电流变液体在零电场下的粘度。

　　对于同心圆筒式缝隙,只要令电极宽度b =2πr,式(1) ~式(3)同样成立。式(1) ~式(3)就是电流变阀的压力流量方程,表征了电流变阀的压差、流量与所施加外电场的关系。从方程可以看出,电流变阀产生的压差由两部分组成:①由固定节流缝隙产生的压差(Rq),取决于电流变阀电极结构尺寸和电流变材料流过电极的 流量;②由电流变效应产生的电致压差(REYαEβ),取决于电极结构尺寸、电流变材料性能和电场强度的大小。