机械工程论文
引言
电流变液/磁流变液作为重要的功能材料，其特点是表观黏度和抗剪强度可以通过电压/磁场连续、快速、可逆地进行控制。近年来，这两种功能材料被广泛应用于抛光加工、减振器、喷墨打印、人工关节以及机器人等领域。电流变阀/磁流变阀是流变技术在机械传动与流体液压领域内的典型应用。与传统结构的流体控制阀相比较，电流变阀/磁流变阀不仅能以电/磁信号直接控制流体压力与流量，而且阀体内无金属阀芯，因而无摩擦、惯性小，具有结构简单、体积小、工作频率高、噪声小等优点。
本文针对电流变液的特殊流体属性，设计制作了一种由多个平行电极板组合而成的多腔体串联电流变阀。相邻极板间隙形成的腔体为电流变阀部分，多个腔体之间通过电极板上的集散式轴向流道相通，组成串联结构。电极板通过密封圈隔开，用螺钉紧固在一起，结构紧凑，拆装方便。由于电极板间距可通过密封圈的弹性变形在一定范围内微调，同时所配置的电极板数量亦可任意增减，因此在不改变主体结构条件下，单个电流变阀的压差和串联阀的数量都可以根据需要预先调整好，应用灵活。
1 电流变液在板状缝隙内的流动
电流变液在泵的作用下通过平行板状间隙，无电场作用时电流变液体主要体现其基础液的性能( 为牛顿流体) ，黏度为 η0; 当有电场作用时，电流变液体变为 Bingham 流体，这时的表观黏度为【1】
在通过阀的流量 Q 为定值时，进出口处流体的压差公式为【2】
式中，b 为平板状电流变阀时极板的有效宽度; h 为极板间距; l 为极板的长度; η 为电流变液的黏度。【3-5】
式( 5) 表明，电流变阀产生的压差由两部分组成: 一部分是由电流变阀的结构参数产生的基本压差，只随流量变化; 另一部分是由电流变效应产生的电致压差，它与电流变阀腔高度和电致抗剪屈服应力有关。在流量不变的情况下，改变电场强度 E，即可实现阀两端的压差无级调节。
由式( 5) 亦可得流量方程:【6-7】
由式( 7) 可知，电流变阀的流量也可以在压差不变的情况下通过调整电场强度来实现流量的无级调节。
2 多腔体串联电流变阀结构设计
多腔体串联电流变阀的结构如图 1 所示。该阀主要由上盖、下盖、中间隔板、密封圈和螺栓等部分组成。其中，在 1#隔板和 3#隔板的圆周方向上均布 4 个分散式小轴流孔，在 2#隔板中心设置一个大轴流孔。密封圈除密封液体作用外，亦起到设置流道间隙的作用。下盖和上盖分别设置液体的出入口。在上下盖处设置 4 个螺栓压紧阀体。
工作时，将上盖、2 号隔板、下盖接高压直流电源的正级，将 1 号隔板、3 号隔板接高压直流电源的负极。未施加外电场时，各通道以及极板间隙中的电流变液在压力的作用下正常流动，阀导通; 施加一定场强时，电流变液黏度改变，实现流体的压力流量调节; 施加高电压时，电流变液在电场的作用下迅速相变为固态或准固态，阀关闭。
根据使用场合，通过适当增减电极板，可分解组合成多种结构，以满足对压差、流量、截止性等的不同要求。样机照片见图 2。
在 5 片电极板间设置了 4 组密封圈，其作用一是密封和调节阀的腔体高度，二是极板间的绝缘。阀体主要结构参数为: 极板直径 80 mm，大轴流孔直径 8 mm，小轴流孔直径 4 mm。
采用大小孔流道的集散式设计，使电流变液在有限空间内尽量多地流经平板间隙，充分发挥电流变阀的控制能力，减少电场作用的盲区，提高电流变阀的整体性能。
3 电流变液的配制与流场分析
本文所用电流变液的材料成分及其配制方法为: 在烧杯中加入淀粉 20 g、无水乙醇 150 mL，在30 ℃ 下充分搅拌 1 ～ 2 h。加入 25 g 的氢氧化钠对淀粉进行碱化处理。反应 1 h 后，加入 25 g 氢氧化钠和70 g 氯乙酸混合物并升温至50 ℃，反应5 h 进行羧甲基化处理，如图 3 所示。反应完毕后，抽滤，并将滤饼用无水乙醇洗涤多次。干燥粉碎后，研磨使其粒度达到 300 目( 粒径 50 μm) ，保证分散相粒子尺寸达到要求。把羧甲基淀粉分批加入1 mL甲基硅油中充分研磨，得到体积分数为30% 的羧甲基淀粉电流变液。
对于设计的样机结构，利用 Fluent 软件对阀内电流变液的压力分布、流动轨迹进行仿真分析。
用 Gambit( 前处理工具) 画出模型，然后划分流道网格，指定入口边界和出口边界，最后存为Mesh 文件。将 Mesh 文件导入到 Fluent( 后处理工具) 求解器中，根据电流变液的具体性质设置参数得到相应的 Case 文件，最后利用 Fluent 求解器进行求解。
图 4 为四腔电流变阀在腔体高度为 0. 8 mm，电场强度为 0 时的压力分布图。可见，阀的压力分布从入口到出口整体上呈现出一种逐渐减小的趋势，总压差为 126 kPa。若将电流变阀 4 个腔体从上到下依次标记为腔体 1 ～4，则各腔均为轴流孔出口区域压力高，然后在腔体内逐渐降低。在 x =0 和 z = 12． 1 mm 位置各创建一个平面，分别观察 yz 平面和腔体 3 的流线分布情况。
图 5a 为四腔体电流变阀轴向剖面流线图，图 5b为腔体 3 流线的俯视图。
从流线分布可知，大部分流道与极板间的流体速度分布均是中央区域最大，两侧依次减小。
对小孔流道，由于截面积较小，从极板到小孔流动时截面积变化剧烈，所以导致在小孔流道中央区域速度达到了最大值。在流道入口到腔体的区域，可以明显地观察到速度变化十分剧烈。对大孔流道，由于液体自四周向大孔聚集，且孔的直径也足够大，流体向大孔的流动呈现出了两侧带动中央的特殊现象。在小孔流道出口，存在涡流现象。涡流的出现能促进固体颗粒和基础液的迅速混合，提高电流变液性能的稳定性，但涡流的动量传递也会加大流动阻力，造成额外能量损耗。因此，对于串联电流变阀，可以根据工况适当地应用涡流。
4 多腔体串联电流变阀的试验分析
4． 1 搭建试验系统
多腔体串联电流变阀的试验装置如图 6 所示。测试时，高压电源对电流变阀施加强电场，泵把电流变液从供液烧杯中抽出，流经电流变阀后，被输出到收集烧杯中。因出口与大气相通，故只需测得入口压力在压力表上的示值，这也是该阀两端的压差。用秒表测量 1 min 内电流变液体流入收集烧杯的体积，记为通过电流变阀的流量，取多次测量均值。
4． 2 四腔体电流变阀的性能实验
利用上述试验装置来验证压差、场强、流量三者的理论分析结果。选择阀腔高度为参变量进行仿真，包括定流量条件下压差随场强变化情况，定场强条件下压差随流量变化情况。试验对象均为四腔体电流变阀。
首先考察给定流量条件下场强与压差的关系。试验条件: Q =100 mL/min，腔体数为 4，高度h 分别为 0. 8 mm、1. 0 mm、1. 2 mm; 电流变液参数α = 8. 428，n = 1. 108，基础液黏度 η0= 0. 5 Pa·s。
场强与压差的试验结果如图 7 所示。【图7】
可见，在腔体高度一定的情况下，压差随场强的增大而增大，证明电流变效应是存在的，场强越大，压差变化越剧烈。压差 － 场强曲线大致符合幂函数关系，这与式( 5) 的描述是一致的，曲线形状取决于所配制电流变液参数 α 和 n。
另外，腔体高度 h 增大，压差 Δp 减小。这是因为小缝隙时流体与极板间的摩擦剧烈，随着缝隙的增大这种摩擦作用明显减弱。试验结果显示，腔体高度取 1. 0 mm 和 1. 2 mm 时，二者压差几乎相同，说明轴流孔式电流变阀腔体临界高度在 1. 0 mm 左右。然后给定电场强度 E，考察流量与压差关系。
理论上，当场强和腔体高度一定时，由式( 6) 可知，流量与压差应满足线性关系。试验条件如下:E = 0. 5 MV / m，腔 体 数 为 4，高 度 h 分 别 为0. 8 mm、1. 0 mm、1. 2 mm。流量与压差的试验结果如图 8 所示。
可见，场强一定时，随着流量的增大，电流变阀流道进出口的压差增大，压差-流量关系近似为线性关系。改变泵的输出流量，可以无级调节电流变阀两端的压差。在流量一定的情况下，随腔体高度的增加压差显着降低，且变化幅度由剧烈趋于平和。对本文结构，腔体高度超过 1. 0 mm后，其对压差-流量的影响已不明显。【图8】
由图 7 和图 8 可知，压差-场强、压差-流量两项试验结果与压差方程( 式( 5) ) 和流量方程( 式( 6) ) 描述的趋势基本一致，表明理论分析及其参数是合理的。由于腔体高度 h 分别为 1. 0 mm 和1. 2 mm时，压差非常接近，所以对于本文的平板式电流变阀，腔体高度 h 不大于 1 mm 方可充分发挥电场作用。同时，因样机利用密封圈弹性微调腔体高度，h 调节范围过大也易造成泄漏。
4． 3 腔体串联对电流变阀性能的影响
调整图 6 所示试验装置中平行极板的数目，则可以得到具有 2N 个腔体( N = 1，2，…) 的串联结构阀。下面通过对比试验，考察腔体串联对电流变阀性能的影响。
首先对比两腔电流变阀和四腔电流变阀的压差随场强的变化情况。试验条件如下: 腔体高度为 0. 8 mm，调 整 阀 的 输 出 流 量 并 保 持 为100 mL / min，改变极板电压，保证电场强度 E 分别为 0、0. 5 MV/m、1 MV/m、1. 5 MV/m、2 MV/m、2. 5 MV / m、3 MV / m。测量两种阀的压差，结果如图 9 所示。【图9】
从图 9 可以看出，随着电场强度的增强，两种电流变阀的压差均增大，近似于幂函数关系。在各场强条件下，四腔阀压差基本维持在两倍于两腔阀左右，表明电流变阀的串联可以显着提高压差，串联流道越多，阀的截止性能越好。当然，腔体增加必然造成沿程阻力加大，因此串联阀数量不宜过多，以免造成泵的输出能力不足。
然后考察压差随流量的变化情况。试验条件如下: 腔体高度为0. 8 mm，电场强度为 1 MV/m，改变液压泵输出流量，调整范围50 ～300 mL/min。测量两种电流变阀的压差，结果如图10 所示。【图10】
可见，在各种流量条件下，四腔阀压差基本稳定为两腔阀压差的 2 倍，证明了电流变阀的串联结构能有效提高对压力、流量调节的控制能力。
5 结论
( 1) 以电流变液做流控系统介质，改变电流变阀电压和结构参数，可实现压差和流量的连续调节。
( 2) 电场强度增大，压差增大; 流量增大，压差增大; 电流变阀腔体高度增加，压差减小; 为充分发挥电场对电流变液的控制作用，圆板式电流变阀的腔体高度不宜大于 1 mm。
( 3) 多腔体电流变阀的串联使用，能有效提高电流变阀对流体压力、流量的调节作用，如四腔阀在电场强度为3 MV/m、流量为100 mL 时，压差可达约 200 kPa。
( 4) 带有电流变阀的流控系统，为使经过电极板的流体行程尽可能长，电流变液不可避免地要经过突扩、缝隙流动、突缩等，能量损失较大。故其不适于控制大功率的情况，适于流量、压力较小的控制场合。【其他图 略】
参考文献:
［1］ 张雷，赵云伟，杨卓，等． 电流变抛光液剪切屈服特性［J］． 吉林大学学报( 工学版) ，2012，42( 5) : 1145-1150．Zhang Lei，Zhao Yunwei，Yang Zhuo，et al． Shear YieldProperty of Electrorheological Polishing Fluid ［J］．Journal of Jilin University( Engineering and TechnologyEdition) ，2012，42( 5) : 1145-1150．
［2］ 邵鹄，陈大跃． 基于电流变液的智能隔振系统实验研究［J］． 电子测量技术，2008，31( 6) : 1-4．