基于虛擬儀器的圓盤(pán)式電流變傳動(dòng)機構的動(dòng)態(tài)分析

摘要：電流變流體（ERF）是一種新型智能物質(zhì)，在高壓電場(chǎng)作用下，能快速實(shí)現液一固的轉變，且響應速度快。研究了圓盤(pán)式電流變傳動(dòng)機構的動(dòng)態(tài)特性，并采用NI虛擬儀器對機構進(jìn)行分析、檢測和控制，通過(guò)實(shí)驗得出數據，進(jìn)而分析了輸入轉矩、輸出轉矩、轉速與所加高壓電場(chǎng)的關(guān)系。 關(guān)鍵詞：電流變流體 動(dòng)態(tài)特性 NI虛擬儀器 電流變流體（ERF）是一種新型的智能材料，它的粘性和屈服應力可用外加電場(chǎng)加以控制。隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機電一體化（Mechatronics）越來(lái)越受到重視，把機、電、液融合為一體，用微機進(jìn)行控制的流體元件及系統不斷問(wèn)世。將電流變流體技術(shù)應用于機械系統和液壓控制系統，可實(shí)現無(wú)移動(dòng)件或少移動(dòng)件的機構，極大地改善了系統的動(dòng)態(tài)品質(zhì)[1]。 電流變流體的應用領(lǐng)域很廣泛，在工程應用方面包括液壓工程、汽車(chē)制造工業(yè)、機器人系統、流體密封領(lǐng)域等。其在汽車(chē)制造工業(yè)中，可用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機冷卻風(fēng)扇的調速離合器、傳動(dòng)離合器、阻尼可控的減振器或計算機控制是懸掛系統等。采用ER技術(shù)設計制造的汽車(chē)零部件，具有性能優(yōu)良、無(wú)磨損、壽命長(cháng)、制造工藝性好、成本低的特點(diǎn)，而且可直接用計算機控制，無(wú)需接口。采用ER技術(shù)的汽車(chē)在未來(lái)市場(chǎng)競爭中具有明顯的優(yōu)勢。電流變傳動(dòng)的自動(dòng)控制系統由三部分組成，即機械傳動(dòng)機構、計算機檢測與控制裝置和電流變流體。 1 機構工作原理 圖1所示為圓盤(pán)式電流變傳動(dòng)機構工作原理圖。中間盤(pán)和芯軸連在一起，芯軸左端有步地電機，芯軸右端接負載，左右端各套一個(gè)圓盤(pán)，左右圓盤(pán)和中間盤(pán)間充滿(mǎn)ERF。本實(shí)驗中ERF選用哈爾濱工業(yè)大學(xué)復合材料研究所研制的HITL2型ERF，外加電場(chǎng)由電子開(kāi)關(guān)控制。輸入信號由芯軸左端進(jìn)電機提供。由于輸入信號很小，而芯軸右端接有負載，所以芯軸轉動(dòng)不起來(lái)。這時(shí)由導步電機帶動(dòng)左右圓盤(pán)以大小相等、方向相反的轉速ΩL、ΩR旋轉，將需要加高壓電源的一側的電子開(kāi)關(guān)合上（如要增加力矩，則合上左側的電子開(kāi)關(guān)），此時(shí)圓盤(pán)和中間盤(pán)間的ERF會(huì )產(chǎn)生中流變效應，通過(guò)圓盤(pán)將產(chǎn)生的附加力矩傳遞給中間盤(pán)輸出。 圖2 實(shí)驗原理圖 可以看出，中間盤(pán)的軸的左端輸入微小的機械控制信號，右端可以輸出大的力矩，電場(chǎng)使左盤(pán)或右盤(pán)與中間盤(pán)之間的ERF粘度變稠，產(chǎn)生大的剪切應力，從而使中間盤(pán)克服負載力矩，按輸入信號轉動(dòng)。這就是雙圓盤(pán)式電流變傳動(dòng)機構的工作原理。 2 系統理論模型 ERF在無(wú)外加電場(chǎng)作用時(shí)表現為牛頓流體。在有外加電場(chǎng)作用下表現為接近Bingham流體，在低應變率下，具有粘彈性能[2]。在高電場(chǎng)下，是具有高屈服應力的粘塑性體。 其本構方程為： τ=τy+ηplγ （1） 其中，τ為流體流動(dòng)產(chǎn)生的剪切應力，τy是在電場(chǎng)作用下，電流變流體逐漸固化或稠化所產(chǎn)生的屈服應力，γ是剪切速率。屈服應力與外加電場(chǎng)的關(guān)系為： τy=AE2=A(U/h)2 (2) 電流變效應產(chǎn)生的剪切應力使從動(dòng)盤(pán)獲得力矩Me。這個(gè)電流變力矩Me與τy、ηpl、左盤(pán)和右盤(pán)的轉速差ΔΩ、圓盤(pán)間的間距h、圓盤(pán)有效面積的內外圓半徑r1和r2的關(guān)系如下式所示[3]： 由式（2）知，剪切力矩和外加電壓間呈非線(xiàn)性關(guān)系。 這里假設它們的關(guān)系為冪次關(guān)系，如下式所示： 其中，α0、α1、α2由實(shí)驗獲得，U=1kV。這是為了使系數量綱一致，且都為力矩量綱。 3 傳動(dòng)機構測控系統的構建 實(shí)驗裝置如圖2所示，控制、分析和檢測采用NI虛擬儀器系統由計算機自動(dòng)進(jìn)行。在實(shí)驗中，采用多功能數據采集板PCI-MIO-16E-1、SCXI信號調理系統、溫度及電壓測量?jì)x和動(dòng)態(tài)信號分析儀NI-4552等對數據進(jìn)行采集和分析，采用任意波形發(fā)生器PCI-5411、接線(xiàn)端子UMI和電機控制板Flexmotion-6C等對步進(jìn)電機進(jìn)行控制，整個(gè)系統由軟件平臺LabView編寫(xiě)的程序進(jìn)行管理。由步進(jìn)電機輸入不同的運動(dòng)信號，由異步電機產(chǎn)生剪切場(chǎng)。圖3是采用LabView編寫(xiě)的NI虛擬儀器控制程序。通過(guò)實(shí)驗得到的結果分析圓盤(pán)式電流變傳動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)性能。 在進(jìn)行電流變傳動(dòng)性能的實(shí)驗研究中，利用步進(jìn)電機實(shí)現變信號輸入，通過(guò)控制異步電機的轉速來(lái)調節剪切速率，在高壓電流輸出高壓的同時(shí)，采集電流變傳動(dòng)裝置的輸入、輸出轉矩和轉速的信號。裝置的輸出端利用木頭輪和簧片磨擦來(lái)模擬負載。4 實(shí)驗結果 在交流電場(chǎng)作用下，對于本實(shí)驗所采用的ERF，其產(chǎn)生的電流變效應比在直流電場(chǎng)作用下要強，屈服應力也相應要大。隨著(zhù)外部施加電壓的增大，電流變傳動(dòng)裝置的輸出轉矩也有一定的增大，如圖4、5所示。 當環(huán)境溫度為18.9℃、外加電壓為交流3kV、主動(dòng)盤(pán)的轉速為60r/m時(shí)，步進(jìn)電機的輸出按圖6所示的任意波形變化，得到的電流變傳動(dòng)的輸入轉矩和輸出轉矩如圖7所示。裝置的輸入轉矩隨步進(jìn)電機的輸出轉速信號的變化而變化，而輸入轉矩信號與負載相關(guān)，隨負載的變化而產(chǎn)生波動(dòng)。主動(dòng)盤(pán)的旋轉是給電流變流體產(chǎn)生一個(gè)旋轉剪切場(chǎng)。當環(huán)境溫度為18.6℃、外加3kV的直漢電壓、并撤去步進(jìn)電機的輸入時(shí)，調節異步電機的轉速，從而挖掘電流變傳動(dòng)裝置的主動(dòng)盤(pán)的轉速，得到圖8所示的結果。 從圖8可以看出，隨著(zhù)電流變傳動(dòng)裝置的主動(dòng)圓盤(pán)轉速的增大，其輸出轉矩也隨之增大。在主動(dòng)盤(pán)轉速較低時(shí)，其變化對輸出轉矩的影響較??；而當主動(dòng)盤(pán)轉速較高時(shí)，其變化對輸出轉矩的影響就比較明顯。 根據（4）式及實(shí)驗所得數據，轉矩Me擬合的曲線(xiàn)如圖9所示，其中α0為0.0611，α1為-0.02732，α2為0.00577。通過(guò)以上分析，可得出如下結論： （1）對本實(shí)驗所設計的圓盤(pán)式電流變傳動(dòng)裝置，選用一種電流變流體后，其傳動(dòng)特性只與外加電場(chǎng)有關(guān)。 （2）HITL2型電流變流體在交流電場(chǎng)作用下，其電流變效應比在直流電場(chǎng)作用下要強。并且，隨著(zhù)外加電場(chǎng)的增大，電流變效應所產(chǎn)生的屈服應力也隨之增大。（3）電流變傳動(dòng)裝置的輸出轉矩的曲線(xiàn)是波動(dòng)的。因為負載是變化的，輸出轉矩要與負載相匹配，因此輸出轉矩也應隨著(zhù)負載的變化而變化，即呈波形狀態(tài)。 （4）電流變傳動(dòng)裝置的輸入轉矩是跟退步進(jìn)電機的轉速信號，但有一定的滯后，因為在機構中使用了彈性聯(lián)軸器。（5）對電流變的控制，采用雙主動(dòng)圓盤(pán)的機械結構，使剪切速變對傳動(dòng)力矩的影響可以忽略不計。只要控制電場(chǎng)就能控制電流變傳動(dòng)裝置。