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新型流体传动装置 |
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| 新型流体传动装置 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2009-6-16 8:35:56  |
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自从我们把油压、水压和气动技术归纳为“流体能量”技术之后，就从多方面去探索其他形式的流体能量。近几年来发现了许多新型流体，并开发了这类流体的传动装置。下面作一简单介绍。
磁性流体技术
众所周知，在电磁场中能作出反应的流体是电磁流体。在很早以前就对具有传导性能的等离子体和液体金属在磁场中与流动电流的相互作用及应用这些作用进行了研究。现在已经可以用人工制造磁性、液晶和电气粘性等多功能流体，并可以利用这种非导电性液体内部粒子的磁和电的体积力作用和物性来控制电磁场，从而开拓了智能流体的应用。
电磁流体的分类
通常所说的流体分为牛顿流体和非牛顿流体。油、水和空气等常规流体都属于牛顿流体。高分子溶液、油漆和石膏溶液等，因结构方程式是非线性的，所以属于非牛顿流体。当然，磁性流体也是一种非牛顿流体。
电磁流体的主要特点是，在电场和磁场中它的视在粘度会上升及自由表面呈现大的变形。而一般流体在电场和磁场中则测有这种特性。电磁流体的分类如图1所示。
图1 电磁流体的分类
等离子体
这是一种具有压缩性的电磁流体。它的应用领域是核聚变、热等离子和焊接等。现在的研究范围向宇宙航空物理学等领域扩展。
磁液动力
这是一种具有非压缩传导性能的电磁流体。它的主要原理是由电磁场控制水银、钠和熔融金属的流动。它的应用领域是超导船和冷坩埚等。
铁液动力
这是一种磁性流体，在液体中分散着密度约为10²³个/m³，直径的10µm的磁铁等强磁性微粒子，成为一种稳定的悬浊液。现在可以由人工制成这类多功能流体供各领域使用。
电液动力
这是一种电气粘性流体，也称为电流变体。像磁性流体一样，现在可由人工制成多功能流体。它被用于汽车中的吊架和离合器等处。
新型磁性流体
以水或油为基体的磁性流体经过了长时间的研究和开发，其中有的已达到实用化的水平。但随着磁性流体应用范围的不断扩展，要求开发具备以下各种条件的磁性流体：
* 饱和磁化区很大，即金属性磁性流体。
* 高温下很稳定，即感温性磁性流体。
* 能导电，即导电性磁性流体。
* 能着色，即有色彩的磁性流体。
金属性磁性流体
普遍磁性流体由于饱和磁束密度小而限制了使用范围。现在开发的金属性磁性流体的饱和磁束密度可从原来的0.04T提高到0.23T(1Gs ≈T)。
感温性磁性流体
这是一种对磁化温度依赖性很大的磁性流体。这样只要温度稍有变化即可获得较大的驱动力，也易控制磁性的对流。这种磁性流体已用于小型高性能热交换器和磁性流体热管中。
导电性磁性流体
用油和水作母液磁性流体的导电率很小，通常看作是一种非导电流体。现在用水银和钠等作为母液，从而形成一种以导电率很大的液体金属为基础的导电性磁性流体。
彩色磁性流体
常规磁性流体是黑褐色废油状态。现在对强磁性体微粒子用颜色进行涂覆，再对母液进行染色，即可作为液晶的替代物，制成彩色显示装置。
离子性磁性流体
这是一种使用界面活性剂和强磁体微粒子稳定分散的新型磁性流体。
磁性气体
这是一种用固气混合相流的固体粒子作为磁性粉的磁性气体，也是一种在气体中强磁性粒子的浮游技术。它可以在空气的极低温度状态下发挥作用。
磁性流体的应用
磁性流体轴密封
这是在磁性回转轴所形成磁路的间隙部份注入磁体流体，利用轴内外的压差进行密封。磁性流体密封的特点在于它是一种非接触密封，即使在停止状态也不会泄漏气体，还可承受很高的密封压力。
磁性浮动研磨
在磁性流体中混入非磁性磨粒，下面由永久磁铁形成磁场，磨粒则悬浮在磁性流体上面的被磨削工件四周。这时只要对工件施加压力和使其回转，工作表面即被研磨。这种方法适用于对具有复杂形状工件的表面进行研磨。
磁性流体传感器
这是利用测量磁性流体表面变形的原理制成各种传感器。这种传感器可作为感应开关，能感知液面形状变化和微小的变形。还可以制成微小压力测量计和液面振动计等。
传动装置
利用磁性流体的传动原理可以制造人工肌肉。这是在柔性橡胶袋中封入磁性流体和线圈。当线圈中通过电流时产生磁场，磁性流体即可产生磁性力。由磁性力的作用使橡胶袋变形和杠杆角度发生变化，就像肌肉一样伸缩。这种磁性流体传动装置的动作有界面变形运动、管内塞子的往复运动和磁性流体中的非磁性物体运动等。用磁性流体作往复直线运动的传动装置具有很大的驱动力。
能量变换装置
利用磁性流体的热传导性可制作能量变换装置。它的基本原理是密闭的磁性流体通过自然对流和磁场作用在能量变换装置中循环。低温磁性流体在吸热装置处吸收太阳的热量成为高温磁性流体，待循环到放热装置处向外散发热量又成为低温磁性流体。
在医学中的应用
首先是用于对限定部位用药。例如在癌细胞附近埋设磁铁，然后注入具有磁性的治疗癌症的药剂，药剂在人体内循环时被磁铁的磁场吸引，即可对该处长时间地高浓度用药，减少药剂对其他部位的副作用。
其次是在硅橡胶环中封入磁性流体，然后植入人体直肠处制作成人工肛门。它的伸缩性能比用塑料制作的人工肛门好。
此外还可以用磁分离法分离癌细胞。这是使癌细胞和磁性流体相结合之后，在磁场中捕捉癌细胞。最后只要遮隔住磁场，即可分离出癌细胞。
摆动式气动机
医学上用管道进入人体进行治疗或检查时，要使其端部的抓手和目视检查小型摄像机能自由地转动。为此必须设置一种形状小、重量轻、可靠性高和柔性极佳的动力源。气动机具有结构简单、重量轻和非常好的柔性，并且非常可靠，但必须解决将气体压力转化为轴回转的问题。
现在开发了一种摆动式气动机解决了上述问题。
图2所示是摆动式气动机的结构。它由具有6个气压式用橡胶制造的摆动器，带内齿轮的摆动环和带外齿轮的转子构成。转子的外齿轮与摆动环的内齿轮相互啮合转动，但外齿轮的齿数比内齿轮少一齿。这样，当内齿轮作公转时，各齿依次与外齿轮啮合带动转子作自转。
图2 摆动式气动机的结构概要
由于环状摆动器的内壁与摆与环外周紧密贴合，所以摆动环无法作自转。当依次对6只压力室施加气体压力时，可使摆动环向各方向摆动作公转，并由齿啮合带动转子作自转。这样就把气压转化为轴的回转。
实验证明，这种摆动式气动机结构简单、体积小、重量轻、扭矩大、可作高分辨率的步进动作，还具有防水和防尘能力。
用于实验的摆动式气动机中摆动环的齿数为36，转子的齿数为35。供气管的内径为0.2mm,外径为0.5mm,长度为500mm。6只压力室分别与6只电磁阀连接。这种装置已成功地用于适合在内径为24mm管子中移动对管壁进行检查的机器人中，由它带动的抓手或摄像机可自由地转动。
利用流体动力的大输出微型机器
无论是对发电设备中细小管子内部的检查和修补，或是对人体内部进行诊断和治疗所使用的微型维修或医疗系统，都需要安装小型化和具有足够输出功率的微型传动装置。由于以往用静电等方式的微型传动装置的输出功率尚不能满足使用要求，为此现在开发了一种利用流体动力的大输出微型传动装置。
波纹管式微型传动装置
各种传动装置的微型化特性都用相对于它具有代表性长度L的最大输出能量密度Emax来表示。容积型流体传动装置在长度L=10μm--10mm的范围内，形状记忆合金具有最大的输出能量密度Emax。波纹管式容积型流体微型传动装置是容积型流体装置中的一个品种。由于波纹管具有不需要高精度的滑动部份和防止泄漏的密封结构，以及可由弹性提供复原力等特点，所以可将其外径缩小到1.5mm。
现在用磷青铜制成的外径为8.3mm，自由长度为13mm的波纹管，以自来水作为动作流体进行驱动时，输出功率可达到1W。
波纹管的管内行走微型机器实例
伸缩式管内行走微型机器
图3(a)所示是这种子微型机器的结构。它是由一只作为推进机构的波纹管和两只作为保持机构的C形环构成。另两只波纹管与微型机器前进方向垂直地设置在C形环中，负责将C形环扩大和缩小。一只与前进方向平行设置的波纹管用于将C形环向前推进。各波纹管与压力源用管子速接。
图3 伸缩式管内行走微型机器
该装置的行走方式如图3(b)所示。首先，前面的C形环由波纹管将其缩小，后面的C形环由波纹管将其扩大贴紧在管壁上，由与前进方向平行的波纹管伸展将前面的C形环推向前。然后前面的C形环被固定，后面的C形环可移动。这时与前进方向平行的波纹管理体制收缩，将后面的C形环向前拉动。其后则按上式方式循环实施，即可前进。
现在用外径为23mm，长度为70mm的微型机器在管子内行走速度达到1.0mm/s时的负载为10N。
单一压力供给式管内行走微型机器
前一种装置在行走时需要有三个压力源，所以需设置三根供给压力的管子。现在介绍一种只要设置一根供给压力管子的装置。
这种装置的结构如图4所示。它与前一种装置中前后保持机构的结构不同，由共用压力进行保持和放松，动作刚相反。在推进机构和压力源之间还增设了顺序阀和单向阀。
图4 单一压力管的装置
当压力源向各波纹管提供压力时，前面波纹管向前伸长而使其外部球体缩小，处于放松状态，可在中间波纹管伸长的推动下向前移动。而后面波纹管伸长将外部球体胀大固定在管子壁上，从而可保证其前部顺利地前进。相反，在降低压力时，前面波纹管收缩而使球体胀大被固定，后面波纹管收缩则使球体缩小而放松。这时刚好中间波纹管理体制收缩将后部向前拉动。
由实验证明，当这种装置的行走速度达到1.5mm/s时的负载为5.9N。
除了上述两种微型行走机器之外，还有可在分枝管中行走，可适应不同直径管子的微型机器。
利用电气粘性流体的回转缓冲器
所谓电气粘性流体是一种施加电压之后粘度立即发生变化的流体，且粘度的变化是可逆的。它分为分散和均匀两大类。分散性电气粘性流体是一种电介质微粒子分散在绝缘油中的流体，均匀性电气粘性流体是一种像液晶那样，在电场中分子取向显示异向性物质的流体。
回转缓冲器由回转体和本体基座构成。本来在两者之间的间隙中充填高粘度硅油，由粘性阻抗制动回转力来进行缓冲。
它的基本原理是在两块薄板之间夹入粘性流体。一块薄板固定，另一块移动，由粘性流体的阻抗产生制动力。制动力的大小由被夹入粘性流体的粘度和间隙尺寸决定。当基座是圆筒形和圆片在其中回转时，就成为回转缓冲器。
电气粘性流体缓冲器
这种缓冲器是在回转缓冲器原理的基础上发展的新型式。把原来所用的硅油换成电气粘性流体作为粘性流体，再用两块电极板替代原来夹持粘性流体的薄板。这样就解决了以往被夹入硅油的粘度不能变化的缺点。
前面已经讲过，电气粘性流体按照所施加的电压在瞬间即可使粘度发生变化，且具有可逆变的特性。这样，只要对所施加的电压进行控制，即可控制电气粘性流体回转缓冲器的缓冲性能，即动作的延迟时间。
结构和特性
一般的回转缓冲器采用直接通电方式形成电场，并利用碳刷磨损粉末分散在电气粘性流体中的条件，直接进行放电即可。现在采用固定电极的方式，即在固定的正、负电极之间设置回转体，只要使两只电极带电即起作用。
这种方式具有以下各种特点：
* 只要改变电压即可对缓冲性能进行调整。
* 所用电压直流、交流均可。
* 缓冲性能可调整的范围广。
* 反应灵敏，在10ms以内即发生高明和电流很小的干电池或太阳能电源即可。
* 可实施高速回转，最大转速可达300rpm。
使用实例
用作自动门的安全机构
将自动门下部的滑轮用链条与电气粘性流体缓冲器的回转轴相连接。自动门开始移动时，缓冲器回转轴也开始回转，由设置在门下部的条型码装置自动计算门的移动速度。一旦达到危险速度时即会对电气粘性流体施加高电压，使其发挥制动器作用。缓冲器的电源用蓄电池或太阳能电源均可。
用于游戏机的模拟操作
在游戏机中心中有许多操作方向盘模拟汽车行驶状态的游戏机。以往在回转方向盘时所感受的阻力都相同。应用这种缓冲器之后，因可以自由地变更方向盘的阻力，所以增加了实体感。
用作抑制振动的装置
例如小型船舶的摆动和倾斜装置中所使用的缓冲器常会出现振动。用电气粘性流体缓冲器则只要改变所施加的电压，即可改变缓冲器中所产生的扭矩，从而抑制了振动。
其他用途
由于这种缓冲器可实施远距离操作，且可以借助控制电压的方式自由地设定缓冲器的特性，所以可用于紧急遮隔装置和离合器中。
今后的课题
虽然经过长时间试验和初步使用取得了许多成果，但今后还有以下各种问题要解决：
* 经过耐用性试验发现，所产生的扭矩大小尚不稳定。所施加电压与产生的扭
矩尚不是线性关系。
* 从温度试验结果发现，扭矩大小不稳定现象将受环境温度的影响。
* 将电气粘性流体放在大气中，会将液体蒸发只剩下电气粘性粒子的干燥物。
* 改变液体种类会使其分解。
此外，在解决缓冲器本身问题的同时，还要解决电气粘性流体的一些问题，所以还需一定的时间才能实现商品化。
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