电流变液换向阀的研究与设计

　　1 前言

　　电流变液[1-2](Electrorheological Fluid, ERF)是一种在外加电场作用下，其流变性能可以发生快速、可逆液固相属性转换的流体，且这种变换具有频响时间短、能耗小等特点。利用 ERF 的这些特性可以设计出汽车离合器、液体阀门等，因而在工业和民用产品领域具有良好的应用前景。

　　本文主要设计了一种电流变液换向阀，研究其结构型式和动力学特性等。与传统的电液换向阀相比，电流变液换向阀具有响应速度快，能耗小，且少移动元件等特点。

　　2 电流变液阀的工作原理

　　电流变液是一种外加电场作用下，其流变性能发生快速、可逆和明显改变的流体。在零电场作用下为 Newton 流体，在电场作用下近似于 Bingham流体。

　　电流变液阀的基本原理[4]是利用电流变液阀中的电流变液体，其表观粘度可在电场的控制下在一定的条件和范围内实现无级调节;在恒流量时，可实现通过阀时进出口间压力差的无级调节;在定压差时，实现流量的无级调节。

　　电流变液阀主体是由接地电极、中心高电极、隔热网、进出油口所组成，结构如图 1 所示。电流变液阀的传动介质是电流变液。 电流变液阀为同心圆筒形[5]，外圆筒为接地电极，其外径为 D，内圆柱为中心高电极，其直径为 d,外圆筒与内圆柱之间的间隙为 h,电流变液阀总长度为 l.这种电流变液阀的工作原理是：当高电极与接地电极之间形成电场，使得从出油口流入且流经高电极与接地电极之间间隙的电流变液在瞬间由液态向类固态转变，从而实现出油口流量的控制;而当去除电场时，电流变液又由类固态向液态转变。

　　3 电流变液换向阀的结构型式和动力学特性分析

　　图 2 为电流变液换向阀的系统设计，图中的液控阀和 ER 桥代替了传统的换向阀和节流阀。回路的方向和流量可通过 ER 桥中的四个阀的电场来控制。图 3 为 ER 的控制单元。

　　对于单个同心圆筒形电流变液阀，压差与流量的关系为:

　　其中，q 为流体的体积流量，Δp 为电流变液阀进油口与出油口的压差，η 为零电场下电流变液体的动力粘度，φ 为电流变液体的电敏参数。从上式可知：

　　ER 阀产生的压差由两部分组成：第一项为基本压差，只随流量的变化而变化，第二项是由于电流变效应产生电致屈服应力而产生的压差，它随电场强度的变化而变化。在一定的液流量时，电场强度越大，压差越大;当电场强度为零时，Δp=Rq，电流变液即保持一般液阻特性.