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压电执行器及其在高响应液压调节阀上的应用

压电执行器及其在高响应液压调节阀上的应用
液压伺服系统的响应性能主要取决于调节阀的响应速度。提高调节阀的响应一直是人们努力追求的目标。近年来,国外利用某些晶体材料的压电效应来研制高响应电液阀,并取得一些进展。本文就这方面情况做些介绍。
1 压电执行器
  (1) 压电材料的特性
  压电材料是一种晶体材料。其特点是当其受外力而产生变形时,会由于内部极化而在表面上产生电荷,日常的煤气灶点火装置就是利用了这个原理。反过来,如果在压电材料的极化方向上施加一定强度的电场,则会引起材料的机械变形。去掉电场后又能恢复到原状态。压电驱动式电液阀就是利用了压电材料的这个特性(称为电致伸缩效应或逆压电效应)。
  用于制造电液调节阀的压电材料可分为两大类:一类为压电陶瓷,其中以PZT(Pb(Zr,Ti)Q3)系列最为常见,特点是导电率低,允许工作温度条件好(<120~200℃),常被用于数字阀的高速开、关驱动;另一类是电压变材料,较常见的如PMN(Pb(Mg,Nb)O3),其特点是材料变形与所受电压的二次方成比例,且滞环较小,用于滑阀的比例、伺服驱动。
  (2) 压电执行器的结构
  一般压电材料的应变为10-3左右。因此,如果直接利用一个高为20mm的压电晶体的应变,其变形仅为20μm,相对于实际液压阀所要求的阀芯位移来说太小。因此,需要将其应变放大,目前常采用如下几种措施。
  ①多层晶片型。如果采用单层较厚的晶片来产生所需的应变(变形),将要求在晶片两极施加很高的电压(如1000V以上)。而多层晶片型是将单个晶片做得很薄,然后各片分别加电压,最后叠加起来。如图1所示,这样便可以利用较小的电压(一般在150V以下)获得较大的叠加变形。

结构图
图1 多层晶片型压电执行器

  ②双晶片型。双晶片型的基本结构是将两块长度方向伸缩变形的压电晶片粘贴在一块弹性板上,通电压后,两块晶片一块伸长,另一块缩短,从而造成整体的弯曲(见图2)。这种型式制作比较容易,变位扩大率也较高(变位可达数百μm),是一种较常用的型式。缺点是因为利用的是弯曲变形,响应速度较慢,产生的力也不大。

结构图
图2 双晶片型压电执行器

  ③杠杆放大型。这是一种最简单原始的方案。如图3所示,其原理是通过一个杠杆将一压电晶体的变形予以放大。当然,由于杠杆支点变形的影响,杠杆端点的位移不会象看上去的那么大。另一方面,利用压电晶体制造液控阀的一个目的是体积小型化,而杠杆放大型显然会导致结构尺寸大,是一个不利因素。其它还有一些变形放大方法,由于应用较少,本文未予一一列举。

结构图
图3 杠杆放大型压电执行器

2 几则利用压电材料开发高响应液控阀的研究实例
  (1)利用双晶片型压电材料的高响应伺服阀
  图4为一种利用PMN双晶片型压电材料驱动的伺服阀。在该阀中,喷嘴挡板本身是双晶片型压电材料,通过给其施加不同的电压而产生相应的变形,被控制的滑阀是普通的伺服阀阀芯。此外,该阀中的档板不再与滑阀相连结而起反馈弹簧作用,而是在阀上另设位移传感器进行反馈。据报道[1],对一个4mm直径的滑阀进行控制,阀的频响可达1kHz以上。
1、双晶片型压电材料档板  2、喷嘴口 3、滑阀? 4、固定节流口  5、滑阀位置传感器

结构图
图4 利用双晶片型压电材料的高响应伺服阀

  (2) 利用双晶片型压电材料的高速开关阀   日本名古屋大学利用PZT双晶片型压电材料,研制了一种响应频率较高流量较大的高速开关阀,图5为其工作原理图[2]。如图所示,该阀通过控制一块双晶片型压电材料档板来关闭或打开不同的喷嘴以驱动一个锥阀运动。实际结果表明,该阀响应频率可达200Hz,在20MPa系统油压时输出流量达9.24L/min。其最大响应频率为同规格普通高速开关电磁阀最大响应频率的2倍。

结构图
图5 利用双晶片型压电材料的高速开关阀

  (3)多层晶片+杠杆式放大机构的高速响应伺服阀
  图6所示的伺服阀芯两端分别与PMN多层晶片+杠杆式放大的驱动装置相联,两组驱动装置一推一拉驱动一个直径5mm的阀芯运动。阀中设有位置传感器检测阀芯运动速度,并将这信号反馈到控制系统中,对阀芯运动进行控制,阀的频响可达1.3kHz。

结构图
图6 多层晶片+杠杆放大机构的高速响应伺服阀

  (4) 直接利用多层晶片的超高速开关阀
  图7中,利用两组多层晶片压电材料推动一个锥阀阀芯,构成一个二位三通数字(开关阀)[3]。对于单组多层晶片,施加100V电压时,在无负载情况下,可产生15μm位移,推动力850N。此例中,锥阀的阀芯直径为20.2mm,受压面积2.5×10-4m2,质量0.012kg。实例表明,在0~100V电压驱动下,阀的开关切换时间总计不超过70μs。可跟踪2kHz的方波信号(普通高速开关阀的开关切换时间为50ms左右,可跟踪100Hz左右的方波信号)。文献[3]中,还将两个这样的超高速开关阀去控制一滑阀构成一个数字式伺服阀,滑阀质量0.009kg,受压面积5×10-5 m2,在系统压力170MPa时可追踪890Hz的方波(滑阀行程在0.5~1mm),并可获得较大的流量。

结构图
图7 利用多层晶片驱动的超高速开关阀

3 结束语
  人们对于压电效应的了解和应用已有了相当长的历史。压电晶体元素具有响应速度快的特点。特别是近年来随着制造技术的提高而带来的晶片积层化(多层晶片型)的成功,使得压电执行器具有了可低电压驱动、体积小、推动力大的优点。对液压技术领域中的调节阀的小型化、高响应化等将有着一定的作用。

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