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    技術解析:基于虛擬儀器的圓盤式電流變傳動機構的動態分析

    發布時間:2014-09-23 責任編輯:echolady

    【導讀】電流變流體是一種新型智能物質,在高壓電場作用下,能快速實現液一固的轉變,響應速度快。研究了圓盤式電流變傳動機構的動態特性,并采用NI虛擬儀器對機構進行分析、檢測和控制,通過實驗得出數據,進而分析了輸入轉矩、輸出轉矩、轉速與所加高壓電場的關系。隨著現代科學技術的發展,機電一體化越來越受到重視,把機、電、液融合為一體,用微機進行控制的流體元件及系統不斷問世。將電流變流體技術應用于機械系統和液壓控制系統,可實現無移動件或少移動件的機構,改善系統的動態品質。

    電流變流體粘性和屈服應力可用外加電場加以控制。電流變流體的應用領域很廣泛,在工程應用方面包括液壓工程、汽車制造工業、機器人系統、流體密封領域等。其在汽車制造工業中,可用于汽車發動機冷卻風扇的調速離合器、傳動離合器、阻尼可控的減振器或計算機控制是懸掛系統等。采用ER技術設計制造的汽車零部件,具有性能優良、無磨損、壽命長、制造工藝性好、成本低的特點,而且可直接用計算機控制,無需接口。采用ER技術的汽車在未來市場競爭中具有明顯的優勢。電流變傳動的自動控制系統由三部分組成,即機械傳動機構、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所示為圓盤式電流變傳動機構工作原理圖。中間盤和芯軸連在一起,芯軸左端有步地電機,芯軸右端接負載,左右端各套一個圓盤,左右圓盤和中間盤間充滿 ERF。本實驗中ERF選用哈爾濱工業大學復合材料研究所研制的HITL2型ERF,外加電場由電子開關控制。輸入信號由芯軸左端進電機提供。由于輸入信號很小,而芯軸右端接有負載,所以芯軸轉動不起來。這時由導步電機帶動左右圓盤以大小相等、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關合上(如要增加力矩,則合上左側的電子開關),此時圓盤和中間盤間的ERF會產生中流變效應,通過圓盤將產生的附加力矩傳遞給中間盤輸出。中間盤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,電場使左盤或右盤與中間盤之間的ERF粘度變稠,產生大的剪切應力,從而使中間盤克服負載力矩,按輸入信號轉動。這就是雙圓盤式電流變傳動機構的工作原理。
     

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    圖1:電流變傳動機構工作原理圖

    2、系統理論模型

    ERF在無外加電場作用時表現為牛頓流體。在有外加電場作用下表現為接近Bingham流體,在低應變率下,具有粘彈性能。在高電場下,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為流體流動產生的剪切應力,τy是在電場作用下,電流變流體逐漸固化或稠化所產生的屈服應力,γ是剪切速率。

    屈服應力與外加電場的關系為: τy=AE2=A(U/h)2 (2) 電流變效應產生的剪切應力使從動盤獲得力矩Me。這個電流變力矩Me與τy、ηpl、左盤和右盤的轉速差ΔΩ、圓盤間的間距h、圓盤有效面積的內外圓半徑r1和r2的關系如下式所示:

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    由式(2)知,剪切力矩和外加電壓間呈非線性關系。 這里假設它們的關系為冪次關系,如下式所示:

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    其中,α0、α1、α2由實驗獲得,U=1kV。這是為了使系數量綱一致,且都為力矩量綱。

    3、傳動機構測控系統的構建

    控制、分析和檢測采用NI虛擬儀器系統由計算機自動進行。在實驗中,采用多功能數據采集板PCI-MIO-16E-1、SCXI信號調理系統、溫度及電壓測量儀和動態信號分析儀NI-4552等對數據進行采集和分析,采用任意波形發生器PCI-5411、接線端子UMI和電機控制板 Flexmotion-6C等對步進電機進行控制,整個系統由軟件平臺LabView編寫的程序進行管理。由步進電機輸入不同的運動信號,由異步電機產生剪切場。圖3是采用LabView編寫的NI虛擬儀器控制程序。通過實驗得到的結果分析圓盤式電流變傳動裝置的動態性能。 在進行電流變傳動性能的實驗研究中,利用步進電機實現變信號輸入,通過控制異步電機的轉速來調節剪切速率,在高壓電流輸出高壓的同時,采集電流變傳動裝置的輸入、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模擬負載。

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    4、實驗結果

    在交流電場作用下,對于本實驗所采用的ERF,其產生的電流變效應比在直流電場作用下要強,屈服應力也相應要大。隨著外部施加電壓的增大,電流變傳動裝置的輸出轉矩也有一定的增大,如圖4、5所示。 當環境溫度為18.9℃、外加電壓為交流3kV、主動盤的轉速為60r/m時,步進電機的輸出按圖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,隨負載的變化而產生波動。

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    圖4:兩種性質電壓對輸出轉矩的影響
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    圖5:交流電場的變化對輸出轉矩的影響

    主動盤的旋轉是給電流變流體產生一個旋轉剪切場。當環境溫度為18.6℃、外加3kV的直漢電壓、并撤去步進電機的輸入時,調節異步電機的轉速,從而挖掘電流變傳動裝置的主動盤的轉速,得到圖6所示的結果。

    技術解析:基于虛擬儀器的圓盤式電流變傳動機構的動態分析

    從圖8可以看出,隨著電流變傳動裝置的主動圓盤轉速的增大,其輸出轉矩也隨之增大。在主動盤轉速較低時,其變化對輸出轉矩的影響較小;而當主動盤轉速較高時,其變化對輸出轉矩的影響就比較明顯。 根據(4)式及實驗所得數據,轉矩Me擬合的曲線如圖7所示,其中α0為0.0611,α1為-0.02732,α2為0.00577。

     技術解析:基于虛擬儀器的圓盤式電流變傳動機構的動態分析
    圖7:主動盤轉速的變化對電流變傳動裝置的影響

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    圖8:輸出轉矩與外加電壓的關系
     

    通過以上分析,可得出如下結論:

    (1)對本實驗所設計的圓盤式電流變傳動裝置,選用一種電流變流體后,其傳動特性只與外加電場有關。
    (2)HITL2型電流變流體在交流電場作用下,其電流變效應比在直流電場作用下要強。并且,隨著外加電場的增大,電流變效應所產生的屈服應力也隨之增大。
    (3)電流變傳動裝置的輸出轉矩的曲線是波動的。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負載的變化而變化,即呈波形狀態。
    (4)電流變傳動裝置的輸入轉矩是跟退步進電機的轉速信號,但有一定的滯后,因為在機構中使用了彈性聯軸器。
    (5)對電流變的控制,采用雙主動圓盤的機械結構,使剪切速變對傳動力矩的影響可以忽略不計。只要控制電場就能控制電流變傳動裝置。

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