電流變閥及閥控系統的研究與分析

王佃武

（中國煤炭科工集團 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

電流變學[1～3]是研究在電場作用下，物質形變與流動，也包括物質的粘彈性及塑性的一門科學。它主要研究電場強度、剪切應力、切變速率、流量、壓差及時間等物理量之間的關系。外加電場對分散體系的結構和流變性質的影響通常稱為電流變效應。具有電流變效應的分散體系稱為電流變液。電流變液通常是由具有高介電常數，粒徑為級的可極化粒子，分散于低介電常數的絕緣油中，而形成的懸浮液。電流變液和電流變效應可被利用的主要特性是：①在電場作用下，液體的表觀粘度或剪切應力能在瞬間（0.1ms）產生相當于從液態屬性到固態屬性間的突變；②這種變化是可逆的，即一旦去掉電場，可回復到原來的液態；③這種變化是連續、無級的，即在液——固、固——液的變化過程中，表觀粘度或剪切應力是無級連續變化的；④這種變化是可控的，并且控制變化的方法簡單只需加一個電場，雖然電壓較高但電流很小，因此其控制屬于信號控制，且容易實現與計算機的結合進行自動控制。

但是已有的電流變材料均存在一些問題，如屈服應力低、漏電流大、溫度效應差和沉降穩定性差等，嚴重地制約了這種材料的實際應用。本文將對電流變液閥及閥控系統進行研究分析。

1 電流變液閥設計

1.1 電流變液閥的基本原理

電流變閥是利用流動模式下的電流變效應，即利用通過縫隙流道中的電流變液體，電致屈服應力可在電場的控制下在一定的條件和范圍內實現無級調節，也即流動阻力可實現無級調節，因而在恒流量時，可實現通過閥時進出口的壓力差的調節，或在定壓差下，實現流量的調節。 在結構上，主要是閥的電極布置和形狀，通常可采用平板縫隙式或同心圓筒縫隙式，如圖1 和圖2所示，另外還有錐型、針型、孔板型和之型等結構[7]。同心圓筒元件不僅能充分展現ER 效應，而且無邊緣效應，在這點上要優于平行平板型的ER元件。但是平行平板電流變閥中的電場時均勻的，而同心圓筒電流變閥內的電場隨r1的增大而逐漸減小[8]。其中，電極板主要結構參數是：極板間隙h，極板長度l 和極板寬度b。

對于同心圓筒，由于間隙通常很小，極板寬度b 可用內徑周長）近似代替。

圖1 平行平板型Fig.1 Parallel plate

圖2 同心圓筒型Fig.2 Concentric annular

電極的間隙也即是間隙形流道，之所以采用間隙式的流道，是因為電流變效應是基于上千伏的高電壓，由電學基本知識可知，電壓U，電場強度E 和電極間距d（在這里就是指h）的關系為：E=U/d，對于依靠調節電場強度來控制的電流變效應，調節方式不外乎兩種:調節電壓和調節電極間距。因為電流變效應一般需要在kV/mm 數量級的電場強度下才能產生，需要施加的電壓已經相當高，絕緣和安全的問題相當重要，因此，應盡量不采用太高的電壓，所以電流變閥中主要是考慮電極間距的設計。施加相同的電壓時，間隙越小，產生的電場強度越大，因此為了降低所施加的電壓，電極間距應盡可能小，一般取在毫米級（0.5～1.5mm）。當然，間隙太小，也會有其它方面的問題，如電場容易擊穿和加工上的精度要求等。

1.2 電流變閥的控制方程

和傳統的液壓控制閥一樣，要控制液體壓力和流量，需要確定控制方程，對于電流變閥，就是要確立外加電場強度與控制量（壓力和流量）的關系。這里我們認為該電場為靜電場，且為均勻電場[6]。對于固定平板縫隙流動場，壓差與流量的關系：

（1）當 E=0， μ=μ0， 則基本壓差為：

式中：μ0—零場粘度；μ—電流變液的動力粘度；b—有效電極板寬度；h—電極板間隙；l—有效電極板長度。

（2）當E 達到一定值，電流變液為理想Bingham 模型，則：

其中： μB=μ0+τEγ（E）/；τ—流體與板接觸產生的剪切應力；μB—表現粘度；—剪應變速率，在這里為比例常數，因此電致壓差為：

由于其間液體的流動狀態可近似為一維層流，因此：

其中： 電致屈服應力 τEγ（E）=AEn； n—與材料參數及電場強度有關。一般電場為n=2；強電場n＜2；弱電場n＞2。

1.3 電流變閥的靜態特性分析

（1）仿真實驗參數選定。一般間隙取在0.5～1.5mm 之間是合適的選擇，縫隙形的流道中流動的流體可近似認為是一維層流，這樣可以降低其流動狀態分析的復雜性。由流體力學和液壓技術的知識可知道，平板式或同心圓筒固定間隙的流道，屬于節流式流道，存在一定的壓力損失，因此間隙的長度和寬度都應該適度，太長的流道容易產生熱量，帶來更大的能量損失。綜合考慮各方面的因素，最后選擇了閥的結構參數如下：①平行平板型電流變閥結構參數：極板間隙 h=1mm，閥寬 b=60mm，有效極板長度l=100mm；②同心圓筒型電流變閥結構參數：閥芯半徑 r1=10mm，電極半徑r2=11mm，極板間隙 h=1mm，閥寬 b=66mm，有效極板長度 l=100mm；③電流變液性能參數：μ0=0.6Pa·s。

（2）所得仿真實驗曲線和數據：圖3為對應得兩種電流變閥的不同流量下電場與壓差的關系曲線。實線代表平行平板型電流變閥，虛線為對應的同心圓筒電流變閥。

圖3 不同流量下電場與壓差的關系Fig.3 The relation between volume flow rate and voltage

表1 平行平板型電流變閥Tab.1 The Parallel Plate of ER Valve

表2 同心圓筒電流變閥Tab.2 The Concentric Annular of ER Valve

（3）仿真實驗分析：①從圖3 中可以看出，在定流量下，隨著電場強度的增加，閥的壓差增大；②閥的壓差的增量不因流量的改變而改變，流量改變的只是基礎壓差；③從表1 和表2 中可以看出，電壓從2kV 增加到7kV時，平行平板型電流變閥的電致壓力差增加了3.376bar，同心圓筒電流變閥電致壓力差增加了3.229bar 左右。

2 電流變技術在液壓控制的應用

2.1 電流變閥控制系統的設計

設計電流變閥控系統，可以考慮根據電流變技術的特點針對傳統液壓閥控系統[5]的傳動介質和控制部分作一些改變。在傳統液壓控制系統的基礎上，做了如下改變：應用電流變液而不是傳統的液壓油作為傳動介質；控制部分用高壓電源控制元件和電流變閥控制元件代替傳統的伺服放大器和液壓控制元件（如電液伺服閥和電液比例閥），如圖4所示。

圖4 電流變閥控制系統方框圖Fig.4 Block diagram of the ER valve-control system

2.2 電流變液閥控系統的特點

（1）以電流變液作為回路的工作介質，外加電場控制通過電流變元件的電流變液的流動狀態，從而控制回路的壓差、流量。

表3 電流變閥控系統與傳統液壓閥控系統比較Tab.3 The comparison of ER valve-control system and the traditional hydraulic system

（2）結合現代控制方法——數字計算機控制技術，應用數字計算機與數據采集技術，傳感器技術進行檢測與控制，能夠提高控制速度和精度[7]。

3 結論

（1）電流變控制閥結構簡單，無相對運動，制造成本低，無機械磨損，壽命長，流量和壓力可以直接用電信號控制，即信號的傳遞是由電信號直接到液壓信號，響應快，精確性高。

（2）電流變閥控系統應用電流變流體的流變行為對電信號的快速響應，不依靠移動件能精確且可重復地控制流動阻尼。它不僅能進—步提高響應速度（通常為1kH），還有可能使理論分析簡單化。如果能實現，則可能產生液壓技術領域的革命。

[1]魏宸官.電流變技術[M].北京：北京理工大學出版社，2000.

[2]周祖康，等.膠體化學基礎[M].北京：北京大學出版社，1987.

[3]黃宜堅，等.電流變基礎[M].長沙：湖南師范大學出版社，1995.

[4]Brooks D.A..et al..Design and development of folw based ER devices[M].Proc.Int.Conf.,U.S:Word Scientific Press,1992.

[5]王春行，等.液壓伺服控制系統[M].蘭州：機械工業出版社，1981.

[6]朱石沙.電流變流體在液壓技術中的應用[D].北京理工大學博士論文，2001.

[7]戴俊群.電流變技術在液壓控制中的應用研究[D].福州大學碩士論文，2003.

[8]李衛華.有關電流變液、磁流變液若干應用基礎問題的研究[D].中國科學技術大學博士論文，1999.