基于电流变液换向阀的设计与仿真.pdf

2 0 1 0年第 1 期 工业仪表与自动化装置 2 5 基 于电流变液换 向阀的设计与仿真 李丹丹 池州学院 物理与机电工程系， 安徽 池州 2 4 7 0 0 0 摘要 该文阐述 了电流变液作为工作介质应用 于电流变液换 向阀的工作原理 ， 设计 了一种 E R 桥式的电流 变液换 向阀数学模型 ， 对电流变阀控制 系统进行 了理论分析 ， 并进行 了仿真。 关键词 电流变液； 换向阀； 设计； 仿真 中图分类号 T H1 3 8 ． 5 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 0 0 1 0 0 2 5 0 3 Th e d e s i g n a nd e mu l a t i o n o f ERF v a l v e L I D a n d a n P h y s i c s a n d Me c h a n ic a l a n d E l e c t r o n ic E n g i n e e r i n g De p a r t m e n t ， C h i z h o u C o l le g e ， A n h u i C h h o u 2 4 7 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t T h e a p p l i c a t i o n s o f ERF a s me d i u m u s e d i n v a l v e i s p r o p o s e d ．I t i n t r o d u c e s wo r k p r i n c i p l e o f E R v a l v e，d e s i g n s a t y p e o f ER F v a l v e mo d e l c o n s i s t i n g o f E R v a l v e s b r i d g e ．I t a n a l y z e s t h e c o n t r o l s s y s t e m o f ERF v a l v e a n d ma k e s t he e mu l a t i o n． Ke y wo r d s ERF； E R v a l v e ； d e s i g n； e mu l a t i o n 0 引言 电流变液 E l e c t r o r h e o l o g i c a l F l u i d ，E R F 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 E R F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 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 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 收稿 日期 2 0 0 9 0 51 2 基金项目 校级科研项目 X Y K 2 0 0 6 0 8 作者简介 李丹丹 1 9 8 2 ， 女 ， 湖北人 ， 教师 ， 武汉理 工大学 2 0 0 6 届硕士 ， 研究领域为液压控制 ， 机 电工程等 。 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。 D I I l 一 一 ，一 h ’ I f ／ l 图 1 电流变 阀主体结构 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 J ， 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 Z 。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 油口流人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 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 0年第 1 期 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 E R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 E R桥中的 4个阀的电场来控 制。图 3为 E R的控制单元。 山 图2 电流变液换向阀系统设计图 图3 E R的控制单元 根据电学基本知识可知 ， 电压 、 电场强度 和 电极间距 d 这里是指 的关系为 EU ／ 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 的基本知识可知 ， 压差与流量 的关系为 g “ r r d h a p ／ 1 2 r ／ ／ 一,r r d h ／ 1 2 7 ／ 1 令 R1 2 T l ／ , r r d h ， R 1 2 ,q ／ w d h ， 则上 式 为 q A p ／ R E ／ R 。即 A p R q E R ／ R 2 其中， R为液阻， 尺 为电液阻， g 为流体的体积流量， △ p为电流变阀进油 口与出油 口的压差 ， P 为油源压 力， 叼为零电场下电流变液体的动力黏度， 为电流 变液体的电敏参数。从上式可知 ， E R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， a p劢 ， 电流变液 即保持一般液 阻特 性。 对于 E R桥， 提供给电流变阀E R 和 E R 的电 场强度为 E E 。一A E， 给 E R 和 E R 的电场强度 为 E E 。 A E 。其中 A E为给定控制信号电压， 为输出零位 电压。当 A E0时， 两桥臂输 出等 量、 等压的电流变液体到滑阀左右控制腔， 滑阀保持 中立 ； 当 A E0时， 电流变液进入滑阀的左腔使滑 阀右移 ； 当 △ E0时， 电流变液进入滑阀的右腔使 滑阀左移。 设流经电流变阀 E R ， E R ， E R 。 ， E R 的流量分 别为 g ， q ， q ， ， g ， 则 由式 2 可知 g 1 9 4 △ p l ／ R一 o A E ／ R 3 g 2 q 3 a p 2 ／ R一 E o A E ／ R 4 则沿程流量损失为 q L g 1 一 q 2 △ p 1 一△ p 2 ／ 尺一 [ E o A E 一 E 0 △ E ／ R 5 因 △ p p 一△ p ， P L p 一2 △ p ， P 为沿程压力 损失 ， 则有 P △ p 2 一△ lp 6 把式 6 代人式 5 可得 g L 4 E o A E ／ R 一 P ￡ ／ R 7 根据传统液压动力元件的基本理论可求得桥路 E R换向阀动力元件的流量连续方程和作用力平衡 方程分别为 g L A p p c P L 8 A p p L M ,x B fi F ￡ 9 对式 7 ～式 9 进行拉氏变换得 f Q L 4 E o A E ／ R 一 P ￡ ／ R l { Q P I ． Ap PLM t s Xp Bp S x pF L 考虑 B p l ，则 1 0 ， 、 ， 赤 √ 8 ． l v , 为液压缸活塞位移 m ； 为阀控液压缸 的总有 效体积 m ； C 为液压缸的总泄露系数 m ／ N S ； A 为活塞有效面积 m ； 为活塞和负载的总 折算质量 k g ； B 为活塞 和负载的黏性阻尼系数 N s ／ m ； ／ 3 为电流变液体积弹性模量 P a ； F 为作用在活塞上的任意外负载力 N 。 系统传递函数方框图如图 4所示 。 蠢 ． 一 一 一 一 2 0 1 0年第 1 期 工业仪表与自动化装置 2 7 图4 E R阀控制系统的传递函数框图 3 电流变液阀仿真与性能分析 不考 虑负 载对 液压缸 活塞 位移 的影 响 ， 由式 1 O 可知， 该动力元件的传递函数为 4Eo ∞ h 它是由比例环节、 积分环节和振荡环节所组成； 液压缸活塞的位移对外加电场强度的响应特性由速 度增益 。 、 液压谐振频率 和液压 阻尼系数 三个动态参数所决定 。利用比例和单位负反馈来控 制校正和反馈部分。则传递函数框 图可转 化成 图 5 所示 。 图 5 转 化后的 传递函数框图 仿真需要在系统 的数学模型 中给定各 参数的数值。各参数 值如表 1 所示。 表 1 系统数学模型中各参数值 则 ， 系统的开环传递函数为 ，、，、 0． 0 08 3 9 5 K 叩 J 百 面 其根轨迹分析 图如图 6所示。 由图 6可知， 该系统 的稳定性 调节范 围较 广。 由于系统包含有振荡环节 ， 考虑系统 的综合性能 ， 取 系统 的阻尼 比为 0 ． 7 0 7时为最佳 ， 这里取 阻尼 比为 0 ． 7 0 1 ， 此时 K1 ． 6 6 X 1 0 ， 通过 MA T L A B仿 真， 系 统的单位阶跃响应如图 7所示。 4 结论 与传统的换向阀及电液换向阀对比， 电流变液 一l 5 0 o 一2 O 0 0 2 5 0 0 Ro o t L O C U S ． Sy s t e m G ‘ 一 Ge i n 1 ．6 6 e 0 0 4 P o l e 一 l 5 4 l 5 71 一 Da mp i n g 0 ． 7 01 一 O v e r s h o o t ％ 4 ． 5 7／ F r e q u e n c y r e d ／ s e c 2 2 0 } _ 一 _ ＼ - - 一3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 - 1 0 0 0 5 0 0 0 5 0 0 1 0 0 0 Re a l Ax i s 图6 系统根轨迹图 1 4 o 广一 一一 里 竺 ． 0 0 ． O1 0 ． 0 2 0 ． 0 3 0 ． 0 4 0．0 0 ．O 6 0 ． 0 7 0．0 8 t s e c 图7 系统的单位阶跃响应 换向阀具有响应速度快、 精度高； 功率重量比和体积 比小； 传动平稳、 抗干扰能力强； 功率增益高、 消耗电 能少等优点。但其也有一些缺点如 抗污染能力差 ， 成本高等。 参考文献 [ 1 ] S t a n g r o o m J E ． E l e c t r o r h e o l o g i c a l F l u i d s [ J ] ． P h y s ．T e c h n o 1 ． ， 1 9 8 3 ， 1 4 2 9 0 2 9 6 ． [ 2 ] 苏小萍． 电流变液及其工程应用[ J ] ． 中国建材科技， 2 0 0 5 ， 6 1 71 9 ． [ 3 ] 煤炭工业部主编． 液压传动设计手册[ M] ． 上海 上海 科技出版社， 1 9 8 0 ． [ 4 ] 戴俊群． 电流变技术在液压控制中的应用研究[ D] ． 福 建 福州大学， 2 0 0 3 ． [ 5 ] 魏克湘， 孟 光 ， 朱石沙． 电流变液在流体控制中的应用 [ J ] ． 功能材料与器件学报， 2 0 0 5， 1 1 1 9 71 0 2 ． [ 6 ] 陈 礼 ， 吴勇华． 流体力学与热工基础[ M] ． 北京， 清华 大学出版社， 1 9 8 8 ． ∞ ∞∞ ∞ ∞ 0∞ ∞ 咖姗 咖 姗 。 2 2 1 1 l ∞ _【x 、 言口 _} 臀 u I 等 皇 I1口 g