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

1、    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        楊進(jìn)民 黃宜堅(jiān) 時(shí)間:2008年09月27日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘? 要: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

2、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)控制的懸掛系統(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

3、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?可以看出，中間盤的軸的左端輸入微小的機(jī)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(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:其中，為

4、流體流動(dòng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，y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，pl是流體的塑性粘度，是剪切速率。屈服應(yīng)力與外加電場的關(guān)系為: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y、pl、左盤和右盤的轉(zhuǎn)速差、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，0、1、2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

5、用多功能數(shù)據(jù)采集板PCI-MIO-16E-1、SCXI信號調(diào)理系統(tǒng)、溫度及電壓測量儀和動(dòng)態(tài)信號分析儀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，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，在高壓電源輸出高壓的同時(shí)，采集電流變傳動(dòng)

6、裝置的輸入、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的信號。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)裝置的輸入轉(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)速信號的變化而變化，而輸出轉(zhuǎn)矩信號與負(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

7、度為18.6、外加3kV的直流電壓、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，從而控制電流變傳動(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0為0.0611，1為-0.02732，2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)矩是跟隨步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號，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)，使剪切速率對傳動(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。?參考文獻(xiàn)2 Daniel R. Gamota. Fourier Transfo