電流變液應(yīng)用于液壓缸技術(shù)的發(fā)展前景

王建明, 張連永, 孫 彬, 白景元, 劉曉鳳

(沈陽大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

電流變液應(yīng)用于液壓缸技術(shù)的發(fā)展前景

王建明, 張連永, 孫 彬, 白景元, 劉曉鳳

(沈陽大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

介紹了一種智能材料電流變液的研究及其應(yīng)用進展.提出電流變液應(yīng)用于液壓缸的可行性,對電流變液相關(guān)參數(shù)的影響進行了分析.闡述了液壓缸工作的相關(guān)機理及液壓缸中流體所需要的基本參數(shù)要求,說明了電流變液液壓缸技術(shù)的優(yōu)勢,自行配制出電流變液并應(yīng)用于小型液壓缸中,從理論和實際上證明了電流變液應(yīng)用于液壓缸技術(shù)的可行性.

智能材料; 電流變液; 應(yīng)用前景; 液壓缸

1 電流變液的研究與應(yīng)用進展

電流變液又稱ER流體,是一種前景可觀的新型智能材料,在未加電時呈液態(tài),組成部分包括絕緣母液和均布在母液中的電介質(zhì)微粒.當外加電場發(fā)生變化時,其黏度會發(fā)生無級變化,外加電場持續(xù)增強到某一臨界值時,瞬間固化,此具備可逆性的固化過程只需要1 ms.在外加電場減小至低于臨界值時,ER流體不再是純固態(tài),同時其黏度隨外加電場的減弱而降低[1].最早由Willis M.Winslow(美國)研究并刊登了有關(guān)電流變液的研究成果[2],隨后文獻[3]的雙電層理論認為流變特性產(chǎn)生的主要原因是電場與微粒周圍雙電層的變形間的相互作用.Stangroom在研究聚電解制電流變液的同時提出了電流變液效應(yīng)的“水橋”機理,提出微粒間相互作用力的增強是由電流變液中水在懸浮微粒間所產(chǎn)生的水橋?qū)е?并起到了粒子間黏接作用[4].電流變液從電流變液體系物相的方面考慮可以分為均相型電流變液和懸浮型電流變液兩種[5].通常懸浮型電流變液是一種由介電常數(shù)較高的絕緣性固體顆粒按照一定的比例分散在低介電常數(shù)以及低黏度的絕緣溶劑中,最終混合而成的懸浮液[6].而液晶高分子及相應(yīng)溶劑混合而成的均相溶液則叫做均相型電流變液.具有大分子鏈結(jié)構(gòu)的高分子聚合物材料通常不會形成對稱性的粒子, 經(jīng)過電場極化后能夠形成連續(xù)錯落有致,且較大的網(wǎng)格結(jié)構(gòu), 較難破壞的鍵鏈在粒子之間形成, 材料的表觀黏度大大增加, 提高了電流變液的性能[7].因此,文中提出應(yīng)用于新型液壓缸的電流變液主要指均相型電流變液.

ER流體在外加電場的作用下響應(yīng)速度極快,可由液態(tài)瞬間變?yōu)楣虘B(tài),在外加電場的改變下其黏度無級可調(diào),因此在工業(yè)應(yīng)用上的良好前景毋庸置疑.因為一直以來電流變液的沉降穩(wěn)定性低,且固化后僅能達到8 kPa左右的抗剪強度,電流變液在工程應(yīng)用的發(fā)展受到限制[8-10].因此,國內(nèi)外針對電流變液固化后所能承受剪切力的研究發(fā)展迅速.

K.Q.Lu,R.Shen等[11-12]已經(jīng)研制出極性分子型電流變液(PM-ER),與傳統(tǒng)電流變液中顆粒極化產(chǎn)生的相互作用有很大不同,是一類新型電流變液;PM-ER由(10～102) nm介電顆粒與絕緣液體混合而成,介電顆粒用濕化學法合成,在介電顆粒上保留了吸附的極性分子或極性基團,這種相互作用比顆粒極化產(chǎn)生的作用力約大100倍.因此,PM-ER的屈服強度比傳統(tǒng)電流變液高得多,目前PM-ER屈服強度已可達大約400 kPa,并有進一步提高的空間.近些年來,趙艷等[13]制備出了抗剪切強度高達152 kPa的電流變液,采用醇鹽水解法合成了電流變效應(yīng)極好的鉻離子改性氧化鈦/丙烯酰胺納米電流變液.吳茂艷等[14]利用硅烷偶聯(lián)劑KH-570修飾稀土摻雜納米TiO2,制備出了沉降穩(wěn)定性提高顯著的新型電流變液.R.Shen[15]等提出了用于測量流體的屈服應(yīng)力PM-ER技術(shù).可以很方便地測到內(nèi)在的屈服應(yīng)力和剪切模量,并且在兩極可以消除邊界效應(yīng).趙曉鵬[16]等摻雜稀土改性后的二氧化鈦電流變液的活性明顯提高,適當?shù)南⊥翐诫s改善了材料的載流子在電場下的遷移,導致顆粒介電和電導性質(zhì)的優(yōu)化和極化能力的提高.魏旭民[17]在電流變液的電流變效應(yīng)基礎(chǔ)上,改進了剪切模式下的深孔電流變液減振器,對減振器阻尼力公式及影響因素進行了分析,推導出了切削系統(tǒng)動力學模型.由MATLAB軟件仿真結(jié)果表明,切削系統(tǒng)的阻尼率變化可以通過對電流變液電場強度的改變而快速實現(xiàn),從而達到抑制切削顫振的目的.

電流變液及其器件已經(jīng)在各類工業(yè)產(chǎn)品中大量應(yīng)用,因為電流變液具有可逆的流變特性,并且對電信號的反應(yīng)時間為ms級等優(yōu)點,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機電液轉(zhuǎn)換元器件,在航空航天工業(yè)以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛.在汽車工業(yè)中,已經(jīng)投入使用的有離合器、制動器、發(fā)動機懸置、懸架、隔振器、座椅以及減震器等主動控制和半自動控制的阻尼裝置[18-26].同時,潤滑油公司也密切關(guān)注電流變液技術(shù)的發(fā)展, 積極尋求電流變液技術(shù)與傳統(tǒng)潤滑油品的結(jié)合, 推動潤滑油技術(shù)不斷創(chuàng)新和發(fā)展[27].在應(yīng)用具有電流變液特性的潤滑油時,潤滑油的黏度隨著電場強度的變化而發(fā)生改變,從而影響了機械設(shè)備中潤滑油的流態(tài)及潤滑效果,并且合理的運用機電一體化系統(tǒng)中各類元件的配合,從而可以實現(xiàn)摩擦系統(tǒng)的智能潤滑[28].因此,電流變液在傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)革新中發(fā)展前景極其可觀.

2 電流變液黏度的影響因素

電流變液在通常條件下是一種懸浮液,它在電場的作用下可發(fā)生液體到固體的轉(zhuǎn)變.當外加電場強度大大低于某個臨界值時,電流變液呈液態(tài),此時黏度為液體本身黏度,并且其黏度隨電場強度的升高而增大;當電場強度大大高于這個臨界值時,它就變成固態(tài),撤去外加電場之后電流變液立即從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),此時其黏度回到零電場狀態(tài),整個過程是可控可逆的.流變特性即是電流變液的特性,可以解釋為電流變液的流變學特性,通常包括表觀黏度和剪切應(yīng)力等,由外加電場強度等外界條件決定其變化規(guī)律的性質(zhì).因此,電流變液黏度的影響因素由電流變液流變特性的影響因素決定.

從電流變液被研發(fā)時起,就有很多學者深入地研究了電流變液的流變特性及其影響因素,并且使此智能材料得到了廣泛的應(yīng)用,主要研究發(fā)現(xiàn)是電流變液在有無外加電場時,其流變特性完全不同.不存在外加電場的情況下,電流變液為液體本身黏度,黏度很低且表現(xiàn)為牛頓流體;而在外加電場存在的情況下, 其流變學特征相對復雜[29].由于不通電狀態(tài)的液體黏度為本身黏度,與液壓油粘流特性相似,所以本文只研究存在外加電場以及外部條件下的流變特性.

2.1電學參數(shù)影響電流變液流變特性

通常情況下可以根據(jù)電場性質(zhì)及電場強度這兩方面研究電學參數(shù)的影響.

作用于電流變液體上的電場方式?jīng)Q定了電場性質(zhì),包括直流電場和交流電場.當選擇交流電場時必須要對電場的頻率進行遴選.鄭華文等[30]研究了在電流變液外部作用交流電場時的流變特性,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),電流變液顆粒的極化率決定了交流電場頻率的上限.粒子的極化率若低于當前外加交流電場的頻率,則電流變效應(yīng)存在;當粒子的極化率高于當前外交流電場的頻率時,則電流變效應(yīng)消失.

然而就目前而言,學者對其研究最多的方面是外加電場強度對電流變液的流變學性能所產(chǎn)生的影響.W.Eckart[31]在非同等強度電場情況下研究了同種電流變液的流變性能變化情況,結(jié)果表明,在外加電場強度為零時,其剪切應(yīng)力小于1 Pa,此時為最小剪切應(yīng)力即液體黏度最低;當存在外加電場時,其剪切應(yīng)力隨外加電場的強度增強而升高,此時液體黏度隨之升高.在外加電場強度值為30 kV/mm時,其剪切應(yīng)力值將升至1 kPa.

張正勇等[7]分析并研究了高分子電流變液在非同等強度電場作用下的流變特性及電場強度關(guān)系,結(jié)論與前文相同,即流體剪切應(yīng)力及表觀黏度與電場強度成正比,即電場強度越大,剪切應(yīng)力就越大,即表現(xiàn)黏度越大.田煜等[32]以及姚國治等[33]針對上述問題做出了一系列的研究,其結(jié)果表明,電流變液的剪切應(yīng)力隨電場強度增大而增大的觀點正確無誤.因此所謂電流變液效應(yīng)描述的就是電流變液的表觀黏度和剪切應(yīng)力隨著電場強度的增加而急劇增加的現(xiàn)象.目前針對電流變液效應(yīng)機理最廣泛接受的解釋是靜電極化機理[34],即電流變液重的顆粒會在高壓的作用下因為極化而產(chǎn)生電荷分離,從而造成正負電荷聚集在顆粒兩端,同時在靜電吸引的作用下相鄰顆粒會互相連接成鏈狀結(jié)構(gòu),最終體系的剪切力由于顆粒粗化成顆粒柱而大幅度增加.

2.2溶液溫度影響電流變液流變性能

通常情況下,任意液壓油的黏度都會隨溫度的變化而變化.一般液壓油的黏度會在一定的范圍內(nèi)隨著溫度的升高而降低,電流變液的黏度跟其流變特性相關(guān),并且隨著溫度的升高而降低.

電流變液的流變特性在很大程度上受到溫度的影響.主要是因為溫度影響著電流變液本身的黏度,此外還影響了電流變液懸浮相的電導率以及介電常數(shù).Y.F.Deinega[35]等研究發(fā)現(xiàn),含水電流變液的剪切應(yīng)力會隨溫度上升而增加,然而超過某一個臨界溫度時,其剪切應(yīng)力則隨溫度上升而迅速下降,此峰值表明了在某一最佳溫度時,電流變液的剪切應(yīng)力存在一個最大值.所以在液壓缸工作過程中,溫度的變化對電流變液變化的影響在所難免.可以通過對電流變液整體溫度進行恒溫控制,以此來消除溫度的變化對電流變液流變特性的影響,從而避免其影響液壓缸工作狀態(tài).

3 電流變液應(yīng)用于液壓缸技術(shù)

本文基于電流變液的一系列特性將其應(yīng)用到液壓缸中,并實現(xiàn)新型液壓缸的無極調(diào)速以及其實時定位與夾緊.

節(jié)流閥流量和液壓缸的有效作用面積決定了液壓缸的運動速度,通過改變節(jié)流閥的流量實現(xiàn)對其速度的調(diào)節(jié).液壓缸在傳動中的調(diào)速,以及傳動過程中的定位問題實現(xiàn)較為復雜,通常是使用節(jié)流閥調(diào)速.節(jié)流閥具有細長孔,流量的變化由細長孔的直徑和液壓油的黏度決定.因此,無論是改變液壓油黏度還是改變細長孔的直徑都較為復雜.以往液壓缸行進過程中的定位,通常需要在自動控制技術(shù)的配合下,由上位機的時間設(shè)定值或磁性傳感器傳遞給上位機的開關(guān)量進行控制.時間控制并不精準,且上位機程序冗長低效,而磁性傳感器不能做到行進中的瞬態(tài)實時任意位置定位.

文中提到改變細長孔直徑或改變液壓油黏度可以進行流量調(diào)節(jié),圍繞這兩個因素可知,目前電流變液擁有不同于液壓油的可變黏度特性,同時電流變液在外加電場達到其臨界值時會瞬間固化形成固態(tài).因此,若正確利用此特性,在液壓缸中使用電流變液,則可制成相對簡潔的實時調(diào)速及定位液壓缸.本文通過對電流變液黏度的變化以及固化臨界值的相關(guān)參數(shù)進行分析,總結(jié)出變化規(guī)律,并通過理論來驗證電流變液黏度的改變,可以控制液壓缸的傳動速度和行進中的定位問題.

3.1普通液壓缸調(diào)速

通常情況下是由減壓閥和節(jié)流閥等組成速度控制回路,并且通過此回路來控制液壓缸傳動速度.在把液壓油看做剛性的,且不考慮泄漏的理想狀態(tài)下,可以改變輸入的流量,從而進行控制.

式中:v為活塞運動速速;q為流量;A為液壓缸的有效工作面積.

對于細長孔,即l/d>4的小孔流量公式為[30]

式中:d為孔直徑;l為孔的長度;η為油液的黏度.

流量可以由小孔直徑以及液壓油黏度的變化來改變,最終控制液壓缸活塞的運動速度.

3.2普通液壓缸定位

在以往的液壓設(shè)備中,自動化設(shè)備上液壓缸的定位通常由PLC內(nèi)部時間控制磁性開關(guān)或行程開關(guān)等傳遞給PLC信號,PLC信號控制電磁閥完成,整體過程稍顯復雜,且周期較長.當選擇時間控制時,上位機需要編入對應(yīng)的時間值,并且需要對時間和行進相關(guān)的換算.若當前系統(tǒng)需要實時可調(diào),則需要把上位機的時間值傳遞到人機交互界面進行人機對話,整體過程以及組件略顯復雜,且成本控制較難.磁性開關(guān)和行程開關(guān)的定位方式基本相似,當選用磁性開關(guān)時需要把其放置在磁性液壓缸的支撐桿上,并且通過調(diào)節(jié)其所在位置,從而把開關(guān)量信號傳遞給上位機,最終上位機控制電磁閥,從而定位液壓缸行程.相對于磁性開關(guān),行程開關(guān)反應(yīng)速度較慢,且精度最低(受行程開關(guān)的觸發(fā)機械行程影響),只有當行程開關(guān)被按下時才能把開關(guān)量信號傳遞給上位機,并通過上位機控制電磁閥來定位液壓缸行程.

3.3電流變液液壓缸的調(diào)速及定位

由于電流變液黏度由流變特性決定,而其流變特性會在恒定溫度內(nèi)隨外加電場強度的變化而變化,當超過臨界值時會瞬間固化,同時電流變液的黏度變化迅速且可逆.因此,把電流變液流變特性的實時可變性、可逆性及其瞬間固化性應(yīng)用到液壓缸的實時傳動調(diào)速以及定位中,能夠合理地解決液壓缸在運動過程中速度的變化問題.

普通液壓缸是通過流量的變化來控制非勻速的液壓缸運動,流量的大小由節(jié)流閥的小孔直徑?jīng)Q定,然而改變相對較小的小孔直徑是比較困難的,同時在非勻速傳動過程中對其控制很難實現(xiàn).因此針對細長孔的節(jié)流閥,其流量大小可以用電流變液流變特性的變化來控制.

圖1 可調(diào)速及定位式電流變液液壓缸工作示意圖

根據(jù)圖1可知,當電線未通電時,電流變液的黏度是基液的黏度,在傳動過程中,流量是恒值不會改變.在電線通電之后產(chǎn)生外加電場,電流變液在外加電場的作用下流變特性會發(fā)生變化,因此會導致其黏度發(fā)生變化,變化特性為在溫度恒定時其黏度隨外加電場強度升高而升高,黏度變化后通過節(jié)流孔的流量發(fā)生相應(yīng)的變化.流量變化會導致液壓缸活塞的傳動速度發(fā)生變化.根據(jù)在傳動過程中速度的需求量的不同,在整個傳動過程中通過改變外加電場的強度來實現(xiàn)對速度的調(diào)控.當需要定位時,只需把外加電場強度增大到超過電流變液固化極限值,便可實現(xiàn)液壓缸運動過程中的瞬間定位.

4 結(jié) 語

通過改變電流變液的流變特性從而使其流量大小產(chǎn)生變化甚至固化,不但可以調(diào)節(jié)液壓缸傳動速度,同時還可以控制液壓缸實時定位.控制好工作腔的溫度能夠減少溫度對電流變液流變特性產(chǎn)生的影響,從而通過改變電流變液的流變特性來改變流體的黏度,最終達到調(diào)整液壓缸速度及定位的最佳效果.以上理論依據(jù)證實了可調(diào)速及定位式電流變液液壓缸的可行性.

電流變液液壓缸技術(shù)的應(yīng)用前景廣泛,可在機床夾緊機構(gòu)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓缸,在非高要求夾緊時取消背壓.在機械手的傳動系統(tǒng)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓缸進行實時定位以及夾緊功能,相對于傳統(tǒng)的信號反饋后電控關(guān)閉閥門式液壓缸定位,其能夠瞬間停止行進并固化一體,具有回縮量小、誤差小等優(yōu)點.甚至在汽車、航空航天、制造業(yè)等都可以合理地采用電流變液液壓缸技術(shù),在降低成本的同時可以極大地提高效率.

自主配制出由高黏度SN級機油以及金屬切削碎屑等組成的電流變液,可以快速固化并提供大剪切力,同時研制出基于電流變液的萬向定位裝置,應(yīng)用此電流變液作為萬象定位裝置的填充液,通過調(diào)整三支撐伸縮桿的伸縮行程,從而無極調(diào)節(jié)萬向定位裝置的角度,在通電的瞬間電流變液固化并完成定位動作.在此項研究中發(fā)現(xiàn),高黏度機油可提供更大的剪切力,但大大降低了電流變液的流動性,在工作環(huán)境溫度較低時工作效率較低,由于溫度對電流變液的影響較大,所以應(yīng)繼續(xù)研究電流變液萬向定位裝置的溫度補償裝置.

(1)電流變液具有極強的不穩(wěn)定性, 對環(huán)境的要求過于苛刻,因此若想電流變液應(yīng)用于液壓缸,則必須控制好環(huán)境溫度等可能導致電流變液不穩(wěn)定的因素;

(2)由于電流變液對液壓系統(tǒng)器件的摩擦較大,因此電流變液在應(yīng)用于液壓缸時需要考慮其本身對液壓系統(tǒng)器件的摩擦因素;

(3)就目前而言,還缺少能夠滿足穩(wěn)定支持電流變器件的設(shè)備,在外加電場的情況下,能夠增加黏度甚至瞬間固化,但在無外加電場時黏度過高.

因此,若電流變液應(yīng)用于液壓缸技術(shù)能夠更加穩(wěn)定的在各類工業(yè)中使用,還需要進行大量的更加深入的研究.電流變液應(yīng)用于液壓缸技術(shù)是一種極具前景和經(jīng)濟價值的高新技術(shù),結(jié)合了材料、機械、自動化等多門學科的創(chuàng)新型產(chǎn)品,是一種值得大力發(fā)展的新型技術(shù).

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DevelopmentProspectofApplicationofERFluidsinHydraulicCylinderTechnology

WangJianming,ZhangLianyong,SunBin,BaiJingyuan,LiuXiaofeng

(School of Mechanical & Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

The research and application progress of an intelligent material electro rheological (ER) fluid is introduced. The feasibility of the application of ER fluids in a new hydraulic cylinder is presented; the influence of the parameter for ER fluids is analyzed. This paper expounds the relevant mechanism of the hydraulic cylinder and the basic parameter required for the ER fluids in the hydraulic cylinder, and explained the advantages of the application of the hydraulic cylinder in the new hydraulic cylinder. The electro rheological fluid has been prepared and applied to a small hydraulic cylinder. The feasibility of the application for ER fluids to the new type hydraulic cylinder is proved theoretically and practically.

intelligent material; ER fluids; application prospect; hydraulic cylinder.

TB 381

: A

【責任編輯:趙炬】

2017-03-30

國家自然科學基金青年基金資助項目(51301111); 遼寧省自然科學基金資助項目(201602523).

王建明(1963-),男,江西寧都人,沈陽大學教授,博士.

2095-5456(2017)04-0259-06