基于虛擬儀器的圓盤式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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)，在高壓電場作用下，能快速實(shí)現(xiàn)液一固的轉(zhuǎn)變，且響應(yīng)速度快。研究了圓盤式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，并采用NI虛擬儀器對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析、檢測和控制，通過實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析了輸入轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與所加高壓電場的關(guān)系。

電流變流體（ERF）是一種新型的智能材料，它的粘性和屈服應(yīng)力可用外加電場加以控制。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化（Mechatronics）越來越受到重視，把機(jī)、電、液融合為一體，用微機(jī)進(jìn)行控制的流體元件及系統(tǒng)不斷問世。將電流變流體技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無移動(dòng)件或少移動(dòng)件的機(jī)構(gòu)，極大地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)[1]。

電流變流體的應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，在工程應(yīng)用方面包括液壓工程、汽車制造工業(yè)、機(jī)器人系統(tǒng)、流體密封領(lǐng)域等。其在汽車制造工業(yè)中，可用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的調(diào)速離合器、傳動(dòng)離合器、阻尼可控的減振器或計(jì)算機(jī)控制是懸掛系統(tǒng)等。采用ER技術(shù)設(shè)計(jì)制造的汽車零部件，具有性能優(yōu)良、無磨損、壽命長、制造工藝性好、成本低的特點(diǎn)，而且可直接用計(jì)算機(jī)控制，無需接口。采用ER技術(shù)的汽車在未來市場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(tǒng)由三部分組成，即機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)檢測與控制裝置和電流變流體。

1 機(jī)構(gòu)工作原理

圖1所示為圓盤式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理圖。中間盤和芯軸連在一起，芯軸左端有步地電機(jī)，芯軸右端接負(fù)載，左右端各套一個(gè)圓盤，左右圓盤和中間盤間充滿ERF。本實(shí)驗(yàn)中ERF選用哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所研制的HITL2型ERF，外加電場由電子開關(guān)控制。輸入信號(hào)由芯軸左端進(jìn)電機(jī)提供。由于輸入信號(hào)很小，而芯軸右端接有負(fù)載，所以芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)不起來。這時(shí)由導(dǎo)步電機(jī)帶動(dòng)左右圓盤以大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)速ΩL、ΩR旋轉(zhuǎn)，將需要加高壓電源的一側(cè)的電子開關(guān)合上（如要增加力矩，則合上左側(cè)的電子開關(guān)），此時(shí)圓盤和中間盤間的ERF會(huì)產(chǎn)生中流變效應(yīng)，通過圓盤將產(chǎn)生的附加力矩傳遞給中間盤輸出。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖

可以看出，中間盤的軸的左端輸入微小的機(jī)械控制信號(hào)，右端可以輸出大的力矩，電場使左盤或右盤與中間盤之間的ERF粘度變稠，產(chǎn)生大的剪切應(yīng)力，從而使中間盤克服負(fù)載力矩，按輸入信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是雙圓盤式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理。

2 系統(tǒng)理論模型

ERF在無外加電場作用時(shí)表現(xiàn)為牛頓流體。在有外加電場作用下表現(xiàn)為接近Bingham流體，在低應(yīng)變率下，具有粘彈性能[2]。在高電場下，是具有高屈服應(yīng)力的粘塑性體。

其本構(gòu)方程為：

τ=τy+ηplγ   （1）

其中，τ為流體流動(dòng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，τy是在電場作用下，電流變流體逐漸固化或稠化所產(chǎn)生的屈服應(yīng)力，γ是剪切速率。

    屈服應(yīng)力與外加電場的關(guān)系為：

τy=AE2=A(U/h)2    (2)

電流變效應(yīng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力使從動(dòng)盤獲得力矩Me。這個(gè)電流變力矩Me與τy、ηpl、左盤和右盤的轉(zhuǎn)速差ΔΩ、圓盤間的間距h、圓盤有效面積的內(nèi)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性關(guān)系。

這里假設(shè)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(yàn)獲得，U=1kV。這是為了使系數(shù)量綱一致，且都為力矩量綱。

3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)測控系統(tǒng)的構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，控制、分析和檢測采用NI虛擬儀器系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)中，采用多功能數(shù)據(jù)采集板PCI-MIO-16E-1、SCXI信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、溫度及電壓測量儀和動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀NI-4552等對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，采用任意波形發(fā)生器PCI-5411、接線端子UMI和電機(jī)控制板Flexmotion-6C等對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，整個(gè)系統(tǒng)由軟件平臺(tái)LabView編寫的程序進(jìn)行管理。由步進(jìn)電機(jī)輸入不同的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，由異步電機(jī)產(chǎn)生剪切場。圖3是采用LabView編寫的NI虛擬儀器控制程序。通過實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果分析圓盤式電流變傳動(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(yàn)研究中，利用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)變信號(hào)輸入，通過控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)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(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的信號(hào)。裝置的輸出端利用木頭輪和簧片磨擦來模擬負(fù)載。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在交流電場作用下，對于本實(shí)驗(yàn)所采用的ERF，其產(chǎn)生的電流變效應(yīng)比在直流電場作用下要強(qiáng)，屈服應(yīng)力也相應(yīng)要大。隨著外部施加電壓的增大，電流變傳動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩也有一定的增大，如圖4、5所示。

當(dāng)環(huán)境溫度為18.9℃、外加電壓為交流3kV、主動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速為60r/m時(shí)，步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩如圖7所示。裝置的輸入轉(zhuǎn)矩隨步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)的變化而變化，而輸入轉(zhuǎn)矩信號(hào)與負(fù)載相關(guān)，隨負(fù)載的變化而產(chǎn)生波動(dòng)。

    主動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)是給電流變流體產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)剪切場。當(dāng)環(huán)境溫度為18.6℃、外加3kV的直漢電壓、并撤去步進(jìn)電機(jī)的輸入時(shí)，調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而挖掘電流變傳動(dòng)裝置的主動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速，得到圖8所示的結(jié)果。

從圖8可以看出，隨著電流變傳動(dòng)裝置的主動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)速的增大，其輸出轉(zhuǎn)矩也隨之增大。在主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速較低時(shí)，其變化對輸出轉(zhuǎn)矩的影響較小；而當(dāng)主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速較高時(shí)，其變化對輸出轉(zhuǎn)矩的影響就比較明顯。

根據(jù)（4）式及實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)矩Me擬合的曲線如圖9所示，其中α0為0.0611，α1為-0.02732，α2為0.00577。

    通過以上分析，可得出如下結(jié)論：

（1）對本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的圓盤式電流變傳動(dòng)裝置，選用一種電流變流體后，其傳動(dòng)特性只與外加電場有關(guān)。

（2）HITL2型電流變流體在交流電場作用下，其電流變效應(yīng)比在直流電場作用下要強(qiáng)。并且，隨著外加電場的增大，電流變效應(yīng)所產(chǎn)生的屈服應(yīng)力也隨之增大。

    （3）電流變傳動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩的曲線是波動(dòng)的。因?yàn)樨?fù)載是變化的，輸出轉(zhuǎn)矩要與負(fù)載相匹配，因此輸出轉(zhuǎn)矩也應(yīng)隨著負(fù)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(zhuǎn)矩是跟退步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，但有一定的滯后，因?yàn)樵跈C(jī)構(gòu)中使用了彈性聯(lián)軸器。

    （5）對電流變的控制，采用雙主動(dòng)圓盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使剪切速變對傳動(dòng)力矩的影響可以忽略不計(jì)。只要控制電場就能控制電流變傳動(dòng)裝置。