电流变阀及阀控系统的研究与分析

王佃武

（中国煤炭科工集团 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

电流变学[1～3]是研究在电场作用下，物质形变与流动，也包括物质的粘弹性及塑性的一门科学。它主要研究电场强度、剪切应力、切变速率、流量、压差及时间等物理量之间的关系。外加电场对分散体系的结构和流变性质的影响通常称为电流变效应。具有电流变效应的分散体系称为电流变液。电流变液通常是由具有高介电常数，粒径为级的可极化粒子，分散于低介电常数的绝缘油中，而形成的悬浮液。电流变液和电流变效应可被利用的主要特性是：①在电场作用下，液体的表观粘度或剪切应力能在瞬间（0.1ms）产生相当于从液态属性到固态属性间的突变；②这种变化是可逆的，即一旦去掉电场，可回复到原来的液态；③这种变化是连续、无级的，即在液——固、固——液的变化过程中，表观粘度或剪切应力是无级连续变化的；④这种变化是可控的，并且控制变化的方法简单只需加一个电场，虽然电压较高但电流很小，因此其控制属于信号控制，且容易实现与计算机的结合进行自动控制。

但是已有的电流变材料均存在一些问题，如屈服应力低、漏电流大、温度效应差和沉降稳定性差等，严重地制约了这种材料的实际应用。本文将对电流变液阀及阀控系统进行研究分析。

1 电流变液阀设计

1.1 电流变液阀的基本原理

电流变阀是利用流动模式下的电流变效应，即利用通过缝隙流道中的电流变液体，电致屈服应力可在电场的控制下在一定的条件和范围内实现无级调节，也即流动阻力可实现无级调节，因而在恒流量时，可实现通过阀时进出口的压力差的调节，或在定压差下，实现流量的调节。 在结构上，主要是阀的电极布置和形状，通常可采用平板缝隙式或同心圆筒缝隙式，如图1 和图2所示，另外还有锥型、针型、孔板型和之型等结构[7]。同心圆筒元件不仅能充分展现ER 效应，而且无边缘效应，在这点上要优于平行平板型的ER元件。但是平行平板电流变阀中的电场时均匀的，而同心圆筒电流变阀内的电场随r1的增大而逐渐减小[8]。其中，电极板主要结构参数是：极板间隙h，极板长度l 和极板宽度b。

对于同心圆筒，由于间隙通常很小，极板宽度b 可用内径周长）近似代替。

图1 平行平板型Fig.1 Parallel plate

图2 同心圆筒型Fig.2 Concentric annular

电极的间隙也即是间隙形流道，之所以采用间隙式的流道，是因为电流变效应是基于上千伏的高电压，由电学基本知识可知，电压U，电场强度E 和电极间距d（在这里就是指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，调节方式不外乎两种:调节电压和调节电极间距。因为电流变效应一般需要在kV/mm 数量级的电场强度下才能产生，需要施加的电压已经相当高，绝缘和安全的问题相当重要，因此，应尽量不采用太高的电压，所以电流变阀中主要是考虑电极间距的设计。施加相同的电压时，间隙越小，产生的电场强度越大，因此为了降低所施加的电压，电极间距应尽可能小，一般取在毫米级（0.5～1.5mm）。当然，间隙太小，也会有其它方面的问题，如电场容易击穿和加工上的精度要求等。

1.2 电流变阀的控制方程

和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）的关系。这里我们认为该电场为静电场，且为均匀电场[6]。对于固定平板缝隙流动场，压差与流量的关系：

（1）当 E=0， μ=μ0， 则基本压差为：

式中：μ0—零场粘度；μ—电流变液的动力粘度；b—有效电极板宽度；h—电极板间隙；l—有效电极板长度。

（2）当E 达到一定值，电流变液为理想Bingham 模型，则：

其中： μB=μ0+τEγ（E）/；τ—流体与板接触产生的剪切应力；μB—表现粘度；—剪应变速率，在这里为比例常数，因此电致压差为：

由于其间液体的流动状态可近似为一维层流，因此：

其中： 电致屈服应力 τEγ（E）=AEn； n—与材料参数及电场强度有关。一般电场为n=2；强电场n＜2；弱电场n＞2。

1.3 电流变阀的静态特性分析

（1）仿真实验参数选定。一般间隙取在0.5～1.5mm 之间是合适的选择，缝隙形的流道中流动的流体可近似认为是一维层流，这样可以降低其流动状态分析的复杂性。由流体力学和液压技术的知识可知道，平板式或同心圆筒固定间隙的流道，属于节流式流道，存在一定的压力损失，因此间隙的长度和宽度都应该适度，太长的流道容易产生热量，带来更大的能量损失。综合考虑各方面的因素，最后选择了阀的结构参数如下：①平行平板型电流变阀结构参数：极板间隙 h=1mm，阀宽 b=60mm，有效极板长度l=100mm；②同心圆筒型电流变阀结构参数：阀芯半径 r1=10mm，电极半径r2=11mm，极板间隙 h=1mm，阀宽 b=66mm，有效极板长度 l=100mm；③电流变液性能参数：μ0=0.6Pa·s。

（2）所得仿真实验曲线和数据：图3为对应得两种电流变阀的不同流量下电场与压差的关系曲线。实线代表平行平板型电流变阀，虚线为对应的同心圆筒电流变阀。

图3 不同流量下电场与压差的关系Fig.3 The relation between volume flow rate and voltage

表1 平行平板型电流变阀Tab.1 The Parallel Plate of ER Valve

表2 同心圆筒电流变阀Tab.2 The Concentric Annular of ER Valve

（3）仿真实验分析：①从图3 中可以看出，在定流量下，随着电场强度的增加，阀的压差增大；②阀的压差的增量不因流量的改变而改变，流量改变的只是基础压差；③从表1 和表2 中可以看出，电压从2kV 增加到7kV时，平行平板型电流变阀的电致压力差增加了3.376bar，同心圆筒电流变阀电致压力差增加了3.229bar 左右。

2 电流变技术在液压控制的应用

2.1 电流变阀控制系统的设计

设计电流变阀控系统，可以考虑根据电流变技术的特点针对传统液压阀控系统[5]的传动介质和控制部分作一些改变。在传统液压控制系统的基础上，做了如下改变：应用电流变液而不是传统的液压油作为传动介质；控制部分用高压电源控制元件和电流变阀控制元件代替传统的伺服放大器和液压控制元件（如电液伺服阀和电液比例阀），如图4所示。

图4 电流变阀控制系统方框图Fig.4 Block diagram of the ER valve-control system

2.2 电流变液阀控系统的特点

（1）以电流变液作为回路的工作介质，外加电场控制通过电流变元件的电流变液的流动状态，从而控制回路的压差、流量。

表3 电流变阀控系统与传统液压阀控系统比较Tab.3 The comparison of ER valve-control system and the traditional hydraulic system

（2）结合现代控制方法——数字计算机控制技术，应用数字计算机与数据采集技术，传感器技术进行检测与控制，能够提高控制速度和精度[7]。

3 结论

（1）电流变控制阀结构简单，无相对运动，制造成本低，无机械磨损，寿命长，流量和压力可以直接用电信号控制，即信号的传递是由电信号直接到液压信号，响应快，精确性高。

（2）电流变阀控系统应用电流变流体的流变行为对电信号的快速响应，不依靠移动件能精确且可重复地控制流动阻尼。它不仅能进—步提高响应速度（通常为1kH），还有可能使理论分析简单化。如果能实现，则可能产生液压技术领域的革命。

[1]魏宸官.电流变技术[M].北京：北京理工大学出版社，2000.

[2]周祖康，等.胶体化学基础[M].北京：北京大学出版社，1987.

[3]黄宜坚，等.电流变基础[M].长沙：湖南师范大学出版社，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.液压伺服控制系统[M].兰州：机械工业出版社，1981.

[6]朱石沙.电流变流体在液压技术中的应用[D].北京理工大学博士论文，2001.

[7]戴俊群.电流变技术在液压控制中的应用研究[D].福州大学硕士论文，2003.

[8]李卫华.有关电流变液、磁流变液若干应用基础问题的研究[D].中国科学技术大学博士论文，1999.