（机械电子工程专业论文）新型压电式高速开关阀的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 高速开关阀是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种具有响应速度快、抗污染能力强、与 电子电路配合好等特点的一个良好的动力放大元件。但是现有的高速开关阀基本上采用 电磁铁为电一机转换元件，高性能的电磁铁又基本为进口，难以满足高性能高速开关阀 国产化的要求，即使是高性能的电磁铁式高速开关阀，仍存在着响应速度不够大、开口 过小、体积较大的缺点。本文在现有两种高速开关阀的基础上，设计了种新颖的高速 开关阀，在提高其动态性能的同时，增大了阀的开口，减小了阀的体积。为此，本文主 要进行了以下几项工作： 1 对各种类型高速开关阀进行对比分析，对新型高速开关阀驱动器进行理论分析， 对压电驱动器的基本性能做较详细的讨论。 2 设计新型高速开关阀：对驱动器位移采用了液压式放大，并采用阀套与阀体之 间有相对运动，阀芯相对阀体不动的结构。分析了新型高速开关阀静动态特性以及影响 其性能的主要因素。 3 应用i n t e i8 0 ct 9 6 m c 中的通用p w m 调制输出，产生驱动高速开关阀的p w m 信号，选择和设计了适合驱动器动态应用的电压、功率放大电路。 4 最后将设计的高速开关阀应用到阀控缸系统，并给出其控制电路。 本文的工作为压电式高速开关阀的研究与应用打下了一定的基础，为压电式高速开 关阀应用到其它液压系统做了前期准备。 关键词：高速开关阀，压电陶瓷驱动器，液压式位移放大，p w m 信号 h i g hs p e e do n o f fv a l v ei s a ne x c e l l e n td r i v e m a g n i f y i n ge l e m e n tw h i c hh a sb e e n d e v e l o p e ds i n c e19 8 0 s ，i th a sm a n ym e r i t ss u c ha sh i g hr e s p o n s es p e e d 、g o o da b i l i t yo f r e s i s t i n gc o n t a m i n a t e do i la n dc a p a b i l i t yo fa s s o r t i n gw e l lw i t l le l e c t r o c i r c u i t 。y e t ，m o s t e x i s t i n gh i g hs p e e do n o f fv a l v e su s ee l e c t r o m a g n e ta st h e i re l e c t i e i t y m e c h a n i s mc o n v e r s i o n e l e m e n t ，a n dg o o dp e r f o r m a n te l e c t r o m a g n e t sh a v et ob ei m p o r t e df r o mo t h e rc o u n t r i e s ，i n s u c hs i t u a t i o n ，i ti sd i f f i c i t yt om a k ee x c e l e n th i g hs p e e de l e c t r o m a g n e tv a l v em a d ei no u r c o u n t r y ，e v e ni fw ec a nm a k eg o o dp e r f o r m a n th i g hs p e e de l e c t r o m a g n e tv a l v ei no u r c o u n t r y ，i ts t i l lh a st h es h o r t c o m i n go f n o th i g he n o u g hr e s p o n ds p e e d 、t o os m a l lp l a c k e ta n d b i gv o l u m e 。i nt h i st h e s i s ，an e wh i g hs p e e do n o f f v a l v ei sd e v e l o p e db a s e do nt w ot y p e so f e x i s t i n gv a l v e s ，t h i sn e wv a l v eh a sh i g h e rr e s p o n ds p e e d 、al i t t l eb i gp l a c k e ta n dl i t t l e v o l u m e 。f o rt h en e wv a l v e ，s e v e r a lm a i nt a s kw a sm a d eo u ta sb e l o w ： a ) s e v e r a lt y p e so f h i g hs p e e do n o f f w e r ef i r s ta n a l y z e d ，t h e nt h eb a s i cp e r f o r m a n c eo f t h ea c t u a t o ro f t h en e wv a l v ew a sa n a l y z e d 。 b ) t h ed e s i g no f t h en e wv a l v e f o rt h ed i s p l a c e m e n to f t h ea c t u a t o r ，h y d r a u l i cm a g n i f y i su s e d ，a n dt h es t r a c t u r et h a th a sc o m p a r a t i v e l ym o t i o nb e t e e nh a m e s sa n db o d ya n d c o m p a r a t i v e l ys t i l l n e s sb e t w e e nh a m e s sa n db o d yi sa d o p t e d 。t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i co ft h e n e wv a l v ea n da l s oi t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c 、t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ev a l v e sc h a r a c t e r i s t i c a r ea n a l y z e d 。 c ) t oc r e a t et h ep w ms i g n a lt h a td r i v e st h en e wh i g hs p e e do n o f f v a l v e ，t h ec u r r e n c y p w m 。c o n f e c t i o no f i n t e l8 0 c1 9 6 m ci su s e d ，a n dt h ev o l t a g e 、p o w e rm a g n i f ye l e c t r o c i r c u i t t h a tu s e df o r t h ea c t u a t e r sd y n a m i ca p p l i c a t i o ni sc h o s e da n d d e s i g n e d 。 d ) i nt h ee n d ，t h en e wh i g hs p e e do n o f f v a l v ei sa p p l i e dt ot h ev a v l e c o n t r o l v a t s y s t e r m ，a n dt h ec o n t r o l l i n gc i r c u i ti sg i v e n 。 t h ed e v e l o p m e n t so fp i e z o e l c t r o n i ch i g hs p e e do n o f fv a l v ea n di t sa p p l i c a t i o nt oo t h e r h y d r a u l i c ss y s t e r mcanb eb a s e do nt h i sl i t t l et h e s i s 。 k e yw o r d s ：h i g hs p e e do n o f f v a l v e ，p i e z o e l e c t r o n i ca c t u a t o r ，h y d r a u l i cm 雄皿i f y p w m s i g n a l i i 学位论文版权使用授权书 y 5 8 0 0 7 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以 将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于 ，在年我解密后适用本授权书。 不保密留 学位论文作者签名： 金困狄 一年6 月，苫曰 7。 指导教师签名为易彦卜 纠年占月，孑日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：爹周灰 日期：纠年月，多日 江苏大学硕士学位论文 本文常用符号表 1 1 ：压电片片数 p ：油液密度 p ：压电材料密度 熙：倒介电常数 h 3 3 ：压电常数 础：弹性常数 c o ：压电单片电容量 u ：外加电压幅值 t o n ：阀的开启时间 t 。口：阀的关闭时间 t ：脉冲占空比 ts ：信号周期 m 。：位移放大器质量 聊2 ：阀套质量 m ：阀套与位移放大器质量之和 k l ：预压弹簧刚度 k 2 ：回复弹簧刚度 x l ：压电陶瓷驱动器位移 x 2 ：阀套位移 x 1 0 ：预压弹簧预压缩量 x 2 0 ：回复弹簧预压缩量 x 2 。：阀套最大位移 f l ：预压弹簧力 f 2 ：回复弹簧力 f q ：预压弹簧腔油液对位移放大器驱 动力 i i i f p ：预压弹簧腔油液对驱动器套筒的 作用力 f i ：压电陶瓷驱动器的输出力 f l l ：油液对驱动器套筒的液压力 f 2 ：中间油路油液对阀套的液压力 f w ：稳态液动力 f s ：瞬态液动力 f m ：摩擦力 c ：流量系数 l o ：阻尼长度 l ：压电陶瓷驱动器长度 l l ：预压弹簧腔长度 l 2 ：闽套长度 d o ：驱动器套筒内径 d ：阀套中孔直径 d i ：阀套外径 k ：油液弹性模量 a ：压电片横截面积 a ，：驱动器套筒大端端面面积 a 3 ：阀套与阀体、阀套与阀芯接触面积 之和 a l ：位移放大器小端端面面积 a p ：阀开口面积 6 p ：阀口两端压差 p s ：进油口油压力 p a ：负载压力 ：油液粘度 江苏垄兰塑主堂堡垒墨一 一一。 第一章绪 论 随着现代工业自动化程度的发展，液压技术与计算机技术、电子技术的结合已成毒 液压技术发展的必由之路，数字化液压元件的开发应用是现今也是今后液压技术发壁的 一个方向。对于液压元件中的各种阀，虽然在数字控制方面都有些进展，但高速开关阀 作为一种新型的数字式电液转换控制元件，与其它液压元件相比还有着非常明显的优 1 1 各种液压阀的比较分析 在各种各样的液压系统中，控制阀起着非常重要的作用。由于各种阀的性能差别很大， 在使用之前就必须对阀的性能有所了解，再根据系统要求进行合理的选择。随着计算机技 术在控制工程中的广泛应用，以及材料科学的发展，液压阀出现了百家争鸣的现象。 下面就电液伺服阀、电液比例阀、插装阀、高速开关阀的现状及其性能特点进行分析。 1 1 1 电液伺服阀 电液伺服阀给人们的主要印象是可以获得较高的工作精度，但抗污染能力差，而且价 格昂贵。这与电液伺服阀加工要求很高有关。目前国内应用的电液伺服阀，很大一部分是 进口，因为国内的工艺水平较低，生产的阀性能不稳定。值得关注的是，我国还未有科学 的棱边几何精度质量标准，而棱边几何精度的好坏对阀的工作性能有决定性影响 1 】：另 一方面，随着技术的进步，电液伺服阀出现了一些可喜的变化，在某些方面可以弥补我国 加工水平低的不足。下面就传统电液伺服阀与新型阀进行对比，着重分析新阀的特点。 传统电液伺服阀一般采用伺服阀或比例阀加d a 接口电路，这种方法主要存在以下 问题b 1 ：1 模拟电路容易产生零飘和温飘：2 需要d a 接口电路；3 比例电磁铁存在固有 的磁滞环现象。现在直动式电液数字伺服阀在阀的结构和控制两方面都有所突破，其一， 在结构上较传统的阀更加简单、可靠( 新型的电液伺服阀中，直动式电液数字伺服阀主 要是由步进电机、传动机构和阀体部分构成，步进电机作为电一机械转换元件输出角位 移；传动机构将电机输出的角位移转变成阀芯的水平位移。) ；其二，在控制方法上采用 连续跟踪控制方法，使步进电机的转子转角可以光滑地复现正弦波的信号，满足实时性 要求，消除了传统的步迸式数字阀所固有的量化误差与响应速度之间的矛盾。 在抗污染能力方面，新型电液伺服阀中有采用无刷直流伺服电机作为驱动元件的结 构，直接驱动伺服阀的滑阀，从而控制系统的方向和流量，不但结构简单，可靠性高， 其动态特性和控制精度也明显优于传统的喷嘴挡板型的二级伺服阀 引。在此类闽中，控 制器和驱动放大器外置，并通过电缆与阀体上的伺服电机相连，由此构成该伺服阀系统。 在设计制造上去掉了传统的“先导级”( 即由喷嘴挡板，过滤装置组成) 和复杂的装配过 兰茎垄兰塑主堂堡笙查 一。一一 程，采用内置阀芯定位的位置反馈传感器和直流无刷伺服电机直接驱动阀芯的结构形 式。这种电液伺服阀虽采用单级结构，但它不同于早期的那种由比例电磁元件直接驱动 的伺服阀，而是采用微型无刷直流伺服电机与偏心机构和球铰形式连接来驱动阀芯作轴 向直线运动，配以内置角位移反馈传感器和先进的d s p 控制装置，优化了系统的控制 性能，使整个伺服阀系统实现了带宽优良的电流伺服和近乎比例环节的控制特性。 在新型电液伺服阀中，还出现了采用永磁式力马达为驱动装置的电液伺服阀【4 j 。该 阀用集成电路实现阀芯位置的闭环控制，对中弹簧使阀芯保持中位，直线力马达克服弹 簧对中力使阀芯在两个方向均能偏离中位，平衡在一个新的位置，解决了比例电磁线圈 只能在一个方向产生力的不足之处。阀芯位置闭环控制电子线路固化，并集成为块，用 特殊的连接技术固定在电液伺服阀内。该类阀同传统的电液伺服阀相比，有以下几个特 点；1 取消传统电液伺服阀中的喷嘴挡板组，降低了制造难度，丽且提离了电液伺服阀 的抗污染能力，可达i s 0 4 4 0 6 1 8 1 5 。2 用大功率的直线力马达替代小功率的力矩马达。 在直线力马达的驱动衔铁上采用滚珠支承，减小了机械摩擦力。通过特殊加工，减小阀 芯、阀套的配合间隙，提高了圆度和圆柱度。3 用微型位移传感器替代工艺复杂的机械 反馈装置，将阀芯位移信号反馈到伺服放大器，与直线力马达形成一个闭环位置系统， 通过采用原边短路补偿方法，解决了零点剩余电压问题，使位移传感器的分辨率达到l um ，大大提高了力马达的动、静态特性，4 微型伺服放大器与阀体采用整体式，用差 动变压器控制阀芯位置，将位置信息反馈到比较环节。与马达形成一个闭环位置控制系 统。电路上采用小电感大电流电磁线圈，在驱动级的功率放大级中，用反馈卸载式功率 驱动电路代替传统的功率驱动电路，减小了驱动电流上升和下降的时延。5 在停电、电 缆损坏或紧急停车情况下，电液伺服阀均能自行回到中位。6 一旦工作油液被污染，传 统的喷嘴挡板式电液伺服阀的喷嘴或节流孔极易堵塞，万一堵塞，将使阎芯推向边， 造成执行机构“飞车”等严重后果，而直动式电液伺服阀克服了这种对伺服控制系统构 成的潜在危险。 在大流量，高响应电液伺服阀方面，主要有2 种结构形式【“，一种是以力马达为电 一机转换元件，带动滑阀形式的可控元件作为第一级阀，再由第一级阔控制另一个滑阀 式的二级阀。第一级和第二级的滑阀位移都被传感器检测出，通过电控制器形成两级位 移反馈闭环控制系统。这种形式的伺服阀具有频带宽、输出流量大、抗污染能力强的优 点，但是系统结构复杂、体积大、价格昂贵的缺点也限制了它的应用范围。另一种是用 一个普通的喷嘴挡板一滑阀式力反馈两级电液伺服阀为先导级，控制第三级滑阈。第三 级滑阀的位移由传感器检测出，通过电控制器形成位移反馈闭环控制系统。这种形式的 伺服阀也具有较宽频带和大的输出流量，虽然其抗污染的能力明显低于前一种，但其价 格较前一种便宜，结构也相对简单，使用范围比前一种广， 1 , 1 r 2 比例阀 与伺服阀相比，比例阀对油液不敏感，仅需要1 0 u 过滤，耐用性、可靠性好，在高 2 江苏大学硕士学位论文 热、有尘土及不洁的机加工厂里有较大的优势。而且较低的温度敏感性使人们更乐意选 用比例阀，尤其是用树脂封装的电子控制部分更是如此，因为无封装的阔易于受到振动 的影响。但比例阀存在抗干扰能力较低的缺点，尤其在高磁场区里显得更为突出，在这 样的地方用比例阀需要采用屏蔽及其它绝缘技术。2 0 世纪9 0 年代微电子工业的发展， 使电液比例阀也产生了新的发展方向，首先是机电一体化，各种内藏的集成电路与传感 器使整体更加小型化，功能复合化，接口标准化。有的只要输入标准的电压信号或电流 信号即能驱动阀件，并且接口电插座为国际通用标准件 j 。 例如在某类新型比例阀中，有一个独特的伺服模块，它包含一个高性能的并且放在 一个新型的单件智能阀中心的电磁铁，模块里还有一个功耗为l o w ，频宽为1 5 0 h z 的 高动态特性的减压阀，卜感应式传感器( 用来测量主阀芯的响应) 。所有的电控部分 均用线连接在起，并已预先设置在一个闭环里。伺服模块可做为先导级控制任一规格 的第二级阀芯，换句话说，该伺服模块可作为小型执行器使用，其行程为8 1 6 m m 。 在这种新一代高性能比例阀里，电子输入信号和主阀芯的输出反馈信号就决定了主阀芯 的位置。优化的电子控制技术确保了高功能的伺服性能，同时保留了普通比例阀的优点， 如耐用、过滤要求不太高、易加工及可靠性高的特点。由于电子控肇4 部分是整体式且预 先设置好的，因此阀互换性好，并且电气连接及系统起动也简化了。电子控制部分用树 脂封装在金属盒里可抗气候变化、震动及冲击。 1 1 3 插装阔 插装阀是上世纪7 0 年代发展起来的一种液压元件，具有通流能力大、密封性好、 响应快和集成度高等优点，在流体传动设备中得到了广泛的应用。但插装阀的压力失调、 压力值漂移在液压系统中具有一定的普遍性，还有待于解决【”。 1 1 4 高速开关周 高速开关阀是一种数字式电液转换控制元件，采用脉冲流量控制方式，直接根据 系列脉冲电信号进行开关动作，响应速度极高，可小于i m s t s l 。脉冲流的形成和调节方 法有多种，其中脉宽调$ 1 j ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 简称p w m ) 是用得最多的一种方法。与 伺服阎、比例阀相比高速开关阀具有结构简单，价格低廉，阀口对污染不敏感等特点， 能将o n o f f 数字信号直接转换成流体脉冲信号，使计算机控制技术无需d a 转换接口 便可实现与液压技术的有机结合。 综合以上对各种阀的介绍分析可知电液伺服阀在保留高精度的同时，结构上也发 生了很大变化，大多采用各种电机或马达直接驱动，充分利用计算机技术进行控制，对 污染敏感度有所降低，加工制造要求降低，响应时间加快；比例阀对油液不敏感，内置 电路和传感器，结构尺寸小型化，可靠性高，响应时间有的已经小于1 0 m s ：插装阀集 成度高，通流能力大，但存在压力失调，压力值漂移等缺点：高速开关阀响应速度高， 3 一 江茎查兰塑主兰堡垒查 _ 一一 节能性好，无需d a 转换接口。可见，这些阀在保留原有性能的同时，其他方面的指标 也都有所提高。在针对不同液压系统选用液压阀的时候，就要参照它们的突出特点。 随着各个国家对车用柴油机排放法规的日益严格，柴油机燃油喷射系统如何实现高 压喷射曰益成为人们研究的热点。实现高压喷射，须要有高性能的开关阀，特别是在响 应速度方面，要求等于或小于l m s ，开口至少要达到0 7 r n m ，要达到此要求，非高速开 关阀莫属；在某些传统伺服阀的应用领域( 如实验室中的振动试验台) ，由于对油液清 洁度要求较高，维护越来越困难，也需要采用符合要求的液压阀以进行替代。因此，考 虑到汽车工业对高速开关阀的极大需求和高性能高速开关阀国产化要求，以及各类实验 室中对电液伺服阀的替换需求，在经过对多个使用高速开关阀的企业进行调研后，根据 实际情况，选择了高速开关阀( 具体应用到振动试验台) 作为研究对象。 1 2 高速开关阀的应用、分类和国内外发展情况 高速开关阀除了在电控燃油喷射领域应用外，在车身悬架控制、车轮防抱制动制动 装置、以及离合器自动操纵等在内的众多新技术领域也都广为应用，在传统的冶金行业， 工程机械( 起重机、挖掘机) 和农业机械等领域中f 9 】，高速开关阀也有一定的应用。高 速开关阀具有的高频响、抗污染能力强、成本低廉的特点，特别是作为电子计算机与被 控对象间的联系桥梁，使得人们能够直接利用电子计算机来完成对被控对象的控制任 务。因此，近二十多年来对高速开关阀的理论与应用研究越来越得到人们的重视，并首 先在少数工业发达国家得到了优先发展。 高速开关阀之所以有很高的响应速度，是因为驱动阀芯运动的驱动器响应速度极高。 根据所用驱动器的不同，高速开关阀可分为高速电磁阀、磁致伸缩式高速开关阀、电流 变液式高速开关阀、压电式高速开关阀。下面就它们的发展情况及现存问题作些介绍。 1 2 1 商速电磁阀 高速电磁阀发展较早，应用领域相对其它高速阀也比较广，在比较典型的柴油机燃 油电控系统里面，使用的高速阀多为高速电磁阀。电磁阀开关所需的吸力主要用以克服 阀门弹簧、油压差以及惯性力等产生的阻力，而电磁吸力的大小主要取决于安匝数。产 生较大的力需要较大的安匝数，这势必导致电磁阀发热，而且这种阀结构复杂、体积较 大、响应相对其它类型的高速阀还比较慢【1 0 】。另方面，高速电磁阀对电磁铁的性能要 求很高，国内生产的电磁铁难以满足使用要求。在些柴油机厂家( 如一汽锡柴) ，其 所用的电磁铁均为进口。 1 2 2 磁致伸缩式高速开关阀 磁致伸缩式高速开关阀是利用了磁致伸缩材料的特性( 磁致伸缩效应) 而工作的。 超磁致伸缩材料机械响应速度为微秒级，并且可控；又具有较高的居里温度，可适用于 4 江苏大学硕士学位论文 高温环境：频率特性好，频带宽，可在低频的几十赫兹下工作，也可胜任于几万赫兹以 上的高频应用领域。超磁致伸缩材料应用于微位移致动装置，具有较大的推动力及位移 幅度，微秒量级响应速度，低电压控制和工作，频带宽，温度范围宽，工作极其稳定。 由于磁致伸缩驱动器是建立在材料分子运动的基础之上，其机械响应为微秒级；另外， 磁致伸缩驱动器的激励为外部磁场，可以实现无电缆驱动。目前巨磁致伸缩材料的动态 应变可达3 5 0 x1 0 。美国e t r e m a 生产了一系列准静态应用的线性驱动器：其中5 0 6 m p 系列的磁致伸缩棒长5 0 r a m ，直径6 m m ，线性驱动器的偏置磁场约4 0 k a m ，预应力小 于2 0 m p a ，最大静态应变为5 0 0 1 0 ，最大动态应变为1 0 0 0 x1 0 ，最大位移2 5 “m 。 瑞典一家公司已将用超磁致伸缩材料制做的大磁致伸缩棒用于燃料注入阀，通过控制驱 动线圈的电流，来驱动具有磁致伸缩的棒，使得针阀提起或放下，可实现注入过程快速， 高度准确的流动无级控制。在我国的浙江大学，也已经有将稀土超磁致伸缩材料用于柴 油机高速强力电磁阀的研究，研究表明，由磁致伸缩材料t e r f e r n 0 1 d 作为主要执行元件 开发的电磁阀，可以稳定地实现电磁能与机械能之间的转换，完全满足高压共轨用柴油 机电喷系统对电磁阀的要求( 开关频响1 5 0 0 h z ，顶杆推力1 0 0 0 n 以上，位移0 1 5 h l m ) ， 可以成功地应用于柴油机电喷系统中”。 但目前有关磁致伸缩的应用尚未大规模展开，制约磁致伸缩应用的主要因素是1 造价高，主要受到稀土材料价格的影响；2 。与压电陶瓷的应用研究发展相比，有关磁致 伸缩材料及器件的生产工艺、磁机械设计技术等方面的研究相对滞后。在2 0 世纪8 0 年 代末期，高成本限制了磁致伸缩材料潜在的应用，但在近3 、4 年中其成本已经下降了 8 0 ，且由于近十年来关于磁致伸缩材料及其应用研究的日益开展，磁致伸缩器件生产 规模的扩大、生产过程自动化及稀土材料供应情况的改善，有希望在近几年内进一步降 低磁致伸缩器件的价格。国内在稀土超磁致伸缩材料的研究与发达国家仍有一定差距。 1 2 3 电流变液高速开关阀 电流变液高速开关阀是以电流变液体为驱动元件。电场致流变流体( 即 e l e c t r o r h e o l o g i c a l f i u i d ，又叫电流变体，电流变液，简称e r 流体) ，指的是具有较高介 电常数的分散颗粒分散于具有较低介电常数的绝缘液体中形成的一类均匀悬浮液。将这 类悬浮液置于直流或交流电场中，其流变性能会发生显著交化，表观粘度可以比未加电 场时增加几个数量级，甚至可成为固态，而当撤去电场后，其粘度又很快恢复原值，体 系可重新转交为液态。由于电流变液具有这种独特的电场晌应特性，且响应速度很快( 一 般为毫秒级) ，因而被人们称作“机敏材料”。电流变技术被公认为具有巨大的工程应用 前景，一旦被突破，将在汽车、机电、液压技术和机器人等工业中引起技术革命f 1 2 1 。 将e r f 应用于液压控制系统，直接用电能来改变e r f 的粘度，可实现无移动件或 少移动件的机构。e r f 控制系统与传统的电液控制系统相比较的一个明显优点是消耗的 电能极少，而且在机械装置与电子控制之间无需专门的接口。 符合应用要求的电流变材料应具备下述性能：较低电场下具有较大的应变力；零场 5 江苏大学硕士学位论文 时切变应力尽可能小：使用温度范围宽；电流密度低；抗沉降性好；无污染。但目前尚 未获得理想的电流变液材料，人们仍还致力于电流变液材料的研究。早期的电流变液主 要是含水的悬浮液体系，稳定性较差，近年来，由于复合分散相有助于提高电流变液的 综合性能而日益受到重视，液晶高分子溶液电流变液也因其优异的稳定性等特点而受到 了人们的关注。但是这两类材料也存在一些问题，例如，液晶高分子电流变液的响应速 度慢，复合型分散相的制备工艺复杂等i l ”。虽然电流变液材料应用于驱动器前景广阔， 但距离实际应用还有一大段距离。 1 2 4 压电式高速开关阀 压电晶体式开关阀具有响应速度极快，功耗少，体积小等特点而被广泛研究，在国 外已经大量用于柴油机电控燃油喷射系统。多层压电驱动器因驱动电压低，能量密度高， 响应速度快，使用寿命长，而在实际应用中应用广泛。多层压电致动器技术己在汽车的 大量应用上得到了验证，例如燃料注入系统和悬架系统f 1 4 i 。但是其商品化受到在能接受 的生产成本下而难以满足性能和可靠性这些困难的限制。但是随着人们对压电材料的不 断研究，以及生产上的改进，多层压电驱动器的生产成本能够得到大幅度的控制。国内 在这方面的研究也有很多，比如四川压电2 6 所，上海硅酸盐研究所，在生产工艺上也 都有很大提高。 在分析了各种类型的高速开关阀后，考虑到国内研究情况，以及生产实际，选择压 电式高速开关阀作为研究对象。 1 3 现有的主要问题 1 3 1 压电驱动器的性能 虽然压电材料在微机电、滤波器等领域获得了大量应用。但考虑到其脆性、耗能大 的缺点，人们对压电陶瓷在高速阀驱动器上的应用一直持怀疑看法。必须看到，各种压 电材料的性能由于配料的不同，制造工艺的不同而差别很大，在使用时必须区别对待， 不可一概而论，况且随着技术工艺的不断进步，压电陶瓷材料的各种性能( 包括环保性 能) 已经有了很大的提高。基于驱动器在高速开关阀中的重要地位，本文在第二章对压 电陶瓷驱动器进行了进一步的理论探讨，对诸如其位移与输出力的关系进行了推导。 1 3 2 高速开关阀结构上的设计 以往的高速开关阀由于结构上的原因。导致公称流量和压力都很小，限制了其应用 范围，要获得大的流量和压力，必须在阀结构上有所突破。对于压电式高速开关阀，以 往研究常常忽略温度对压电驱动器的影响，实际上，温度对压电陶瓷性能影响很大。温 度不稳或过高，都会使其性能大打折扣。 6 江苏大学硕士学位论文 1 3 3 压电驱动电源 以往的压电驱动电源主要注重静态方面的性能，但压电式高速开关阀的电源主要应 表现在动态性能方面，也就是要求，驱动电源既要满足压电陶瓷周期性动态伸缩的要求， 在驱动信号上也要考虑到阎死区的影晌。 1 4 论文研究的意义和目的 从上述对各种液压阀的发展情况和比较分析以及对各种高速开关阀驱动器的特点 分析，可以看出： 1 高速开关阀在响应速度、节能、对油液敏感度，尤其是在响应速度方面，具有其 它液压阀不可比拟的优越性。在高速开关阀驱动器方面，由于压电陶瓷的迅速发展和其 卓越性能，将其应用到高速开关阀，和其他类型的高速开关阀相比，将具有优良的性能 价格比优势。但由于人们的传统偏见，压电式高速开关阀在国内的研究并不多，对压电 陶瓷的各个性能研究也不尽完善，因此，要提高高速开关阀的性能，有针对性的研究压 电陶瓷的性能就非常必要。 2 现有的压电式高速开关阀，特别是应用较多的杠杆式压电高速开关阀，没有考 虑温度对压电驱动器的影响，要提高高速开关阀的性能，就必须在阀结构上进行考虑。 现有的高速开关阀还多为两位两通式结构，在要求回油迅速的场合，如本课题中振动试 验台的阀控缸系统，或柴油机上的燃油喷射系统，两位两通式高速开关阀难以满足使用 要求。因此，研究开发适于快速回油场合的高速开关阀结构，也是本文研究目的之一。 3 围绕压电驱动器在高速开关阀上的动态应用，选择适合的驱动电源，对提高高 速开关阀的性能也非常重要。 1 5 论文研究的主要内容 针对压电式高速开关阀存在的主要问题，就本文提出的研究对象，主要进行以下几 方面的研究内容： 1 针对应用于高速开关阀的压电陶瓷，系统展述分析压电陶瓷的性能以及制各方法 对其性能的影响。 2 研究开发适于快速回油场合的高速开关阎结构，针对温度对压电陶瓷驱动器的影 响，在阀的结构上给予充分考虑。通过计算机仿真，分析影响压电式高速开关阀性能的 各个因素。 3 针对压电陶瓷驱动器的动态应用，选择适合的驱动电源( 包括驱动功率放大电路) 。 并考虑高速开关阀具体应用( 本实验室中振动台的阀控缸系统) 时需注意的事项，给出 解决办法。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章压电陶瓷、压电驱动器理论分析 本章首先对压电陶瓷的基本性能做了一些系统的理论分析，对压电陶瓷、电致伸缩 陶瓷性能进行了对比：在分析对比了几种制备压电驱动器的方法之后，给出了本文所用 压电驱动器的制备方法及其性能。 2 1 压电( 逆压电) 效应 压电效应是一八八零年由居里兄弟在a 石英晶体上首先发现的。它是反映压电晶体 的弹性和介电性相互耦合作用的。压电效应有正压电效应和逆压电效应之分，正压电效 应是指压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生异号电荷，即 没有电场作用，只是由于形变产生极化：逆压电效应是指当对压电晶体施加一定电场时， 不仅产生了极化，同时还产生了形变【1 ”。由于压电式高速开关阀是依据逆压电效应而工 作的，因此，本文只分析有关逆压电效应的方程或物理量。 逆压电效应的产生是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力，这应 力称为压电应力，通过它的作用产生压电应变。逆压电效应只存在于不对称中心的点群 晶体中，其形变随电场反向而反号，与电场强度的一次方成正比。 当对不对称中心的点群晶体施加电场e 。时，晶体六个独立的应力分量和应变分量， 都将产生与e 。成正比例的值。也就是，晶体六个独立的应力分量和应变分量中的每一 个都是与三个电场分量成正比。令比例常数为e 。i 或d n ，则有， s i = d n i e n t j 2 e j e n 其矩阵形式为， s 是 s 品 邑 2 2 压电陶瓷基本原理和基本特性 正 瓦 正 瓦 瓦 瓦 e i ie 2 1e 3 i e 1 2e 2 2e 3 2 e 1 3e 2 3e 3 3 巳4岛4岛4 e l5e 2 5e 3 , e 1 6e 2 6e 3 6 压电陶瓷与电致伸缩陶瓷都可以作为驱动材料，因此在具体分析压电陶瓷的同时 对两者进行了比较，并针对压电陶瓷性能上的一些缺陷，给出了些解决的办法。 8 如如如毛如氏屯如如屯屯屯九叱九九丸 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 压电陶瓷基本原理 压电陶瓷和电致伸缩陶瓷都是电介质，电介质在电场的作用下有两种效应，即逆压 电效应和电致伸缩效应。其中逆压电效应如2 1 节所示，而电致伸缩效应是指电介质在 电场的作用下由于感应极化作用引起应变，且应变与电场方向无关，应变的大小与电场 的平方成正比。上述效应可用公式统一表达如下： s = d e + m e 2 ( 2 1 ) 式中，d e ：逆压电效应； m e 2 ：电致伸缩效应d ：压电系数( m v ) ：m ：电致伸缩 系数( m 2 v 2 ) ：e ：电场强度( v m ) ： s ：应变。其中逆压电效应仅在无对称中心晶体中才 有，而电致伸缩效应则在所有的电介质晶体中都有，不过般来说都很微弱。从上式可 以看出，压电陶瓷的逆压电效应和电致伸缩效应本质上就是电介质在电场的作用下产生 极化，在电场力的作用下产生形变，在宏观上表现为机电耦合效应。 2 2 2 压电陶瓷基本特性 1 位移特性 电介质在电场作用下电极化的强弱可用电极化强度来表示，电极化 强度p 是单位体积内电偶极矩的矢量和，即p = e q l v 。它直接反映了电介质在电场中 电学与力学的联系。对于经过预极化的压电陶瓷，其外加电场和压电陶瓷内部极化电荷 之间的关系做如下分析： 如图2 1 所示，当在压电陶瓷片两极板上施加电场( 电场强度e ) 时，极板上电荷面 密度为o0 ，电介质表面的极化电荷面密度为o7 ，电介质的介电常数为e 。根据 物理学和图2 1 所示模型，可得到电介质表面上的极化电荷面密度o7 和电容器极板 上的电荷面密度oo 之间的数量关系： 。，_ 孚o o( 2 2 ) 占 此式表明了电介质表面的极化电荷总是比电容器表面的电荷少。 + 品 互舀互! 二蜀王工互暖卫 圆：c a i 匝旦王王塑王王旦玉互团 一西 圈 - q睁f 儿 铲蚪儿 砉+ q 砉l 图2 - 1 压电和电致伸缩元件的等效模型 经过极化处理的压电陶瓷，当外电场撤出后，往往有剩余极化存在，设剩余极化强 度为p r ，则电介质表面的剩余电荷面密度为。r = p r 。电介质在电容器极板电荷。产生的 9 f ili洲l 坪， 江苎垄堂堡主堂堡垒墨一一一 电场中可以等效为一个大电偶极子，它在外电场中的受力为： f=qeo(2-3) 其中q 为电介质表面的极化电荷q 和电介质表面剩余极化电荷q r 之和，设极板 面积为s ，则有： q = q ，+ q7 = ( or + 。) s ( 2 4 ) 其中： q ，：盯，s ；- e o 盯o s ：三二鱼e o 占o s ( 2 - 5 ) 同时压电陶瓷叠片可以等效为一弹性体，它满足虎克定律： f = y 1 3 l( 2 6 ) 其中y 为压电陶瓷叠片的弹性模量，l 为电介质在外电场的作用下的伸长量，则 由式2 2 、3 、4 、5 及6 可得： f - v l - ( q r + q ，) e 0 = ( q r + q ) q ( s - 上e o ) e o s ( 2 7 ) 由于压电电致伸缩陶瓷的介电常数e3 3 eo ，则上式可简化为： f - y i l = ( q r + q j ) e - ( q r + q 。丽or = 去( q 。，q + q , 2 ) ( 2 - 8 ) 因而有 卜南( q r q + q “) ( 2 9 ) | ) 由上式可见，压电陶瓷的位移不仅与电介质极化电荷有关，还与剩余极化电荷有关。 由式2 9 可以得到压电陶瓷位移与电场强度及电极化强度之间的关系： 虬；坐盟垡：_ q ，- c e + e 2 e 2 s ：d e + m e 2( 2 一l o ) e o s y 晶y 、 a l = 壁盟韭：q , p + p 2 s = g p + q p 2 ( 2 - 1 1 ) & s y 疆 其中：l 为压电陶瓷的伸长量；e 为压电陶瓷的内部电场强度；p 为压电陶瓷的 内部电极化强度：e 为压电介质的介电常数；e0 为真空中的介电常数；q r 为极化后的 剩余电荷；s 为压电陶瓷的横截面积：k 为压电陶瓷叠片的弹性模量；由式2 1 0 和式 2 1 1 ，可以得到以下结论： a 2 一1 0 式表明了压电陶瓷位移量与电场强度之间的关系，即压电陶瓷位移量与 所加电压间的关系( e = u d ) ；2 1 l 式表明了压电陶瓷位移量与电极化强度之间的关系。 式中的e 不是常量，而是和所加电压及加压史有关，由关系式可见压电陶瓷的位移量与 电场强度的关系式有项，因而压电陶瓷位移和电场强度( 电压) 的特性曲线存在迟滞， 而在式( 2 - “) 中不含e ，因而采用电极化强度的控制方法可以有效的减小迟滞。 b 当q ，= o 时表现为电致伸缩效应，此时式2 一1 0 和式2 1 1 可以表示为： 江苏大学硕士学位论文 l=盟。等2万p2s(2-1290sy y ) as 矗 c 当q ，o 时 ( i ) 若q ，q = ee ，表现为逆压电效应 此时式( 1 0 ) 和式( 1 1 ) 可简化为： l - q , q r q ，c e 丝 e o s y 6 0 ye o y ( i i ) 当q r q = ee s 不成立时，逆压电效应及电致伸缩效应均存在 电压曲线为蝶型曲线。 ( 2 1 3 ) 通常位移 由于压电陶瓷是具有有限刚度的弹性体，因而在受到外力后要被压缩，压电陶瓷被 压缩后的位移可以表示为： l2 l o + f y b r 2 1 4 ) 其中f 为压电陶瓷所受到的力，拉力为正，压力为负。受到拉力的场合，压电陶瓷 必须有预紧力，否则压电陶瓷将因不能承受拉力而损坏。 图2 - - 2 所示为某类型压电陶瓷的输出力和位移问的关系曲线，在空载的情况下， 压电陶瓷的输出位移为最大输出位移，在最大输出力的作用下，压电陶瓷的输出位移将 为零，据此可以推导出压电陶瓷输出位移与产生的应力( 输出力) 之间的关系( 为以后 分析方便，用x l 代替l ) ： yy j f = 】，二警- a 一半x i ( 2 - - 1 5 ) ll 其中，x n m 为空载情况下的最大位移，x t 为有负载情况下的位移。 位移( u i 【| ) 图2 - - 2 压电单元输出力与位移关系曲线 2 温度特性 压电陶瓷的温度特性主要表现在温度对压电电致伸缩效应的影 江苏大学硕士学位论文 响。压电电致伸缩陶瓷的输出位移随着温度的增加而减小，压电陶瓷的减小幅度较小， 在o 5 06 c 范围内仅减少5 8 ，电致伸缩陶瓷减小幅度较大，在0 * c 5 0 。c 范围 内减小量在6 5 。压电电致伸缩陶瓷的迟滞也随温度而变化，压电陶瓷的变化较小， 电致伸缩陶瓷的变化较大。 3 迟滞特性压电，电致伸缩陶瓷在光学、精密加工、汽车等领域得到广泛应用， 但是由于其存在迟滞、蠕变及非线性等缺点，给其控制带来了困难，而且在很多场合压 电元件都被当作线性元件使用。压电陶瓷的迟滞一般在1 4 左右，随温度变化迟滞变化 不大；而电致伸缩陶瓷的迟滞在不同温度范围内变化较大，在温度大于3 0 时，迟滞小 于5 ，而在温度小于l o 时，迟滞大于1 7 ，并成指数规律增加。目前提出的减小迟 滞的方法主要有：1 ) 采用电荷控制方法；2 ) 采用在压电陶瓷两端串联小电容的方法； 3 ) p r e i s a c h 数学模型；4 ) 通用化的m a x w e l l 模型；5 ) 多项式近似模型：6 ) 采用电阻和电容 组成桥路；7 ) 压电陶瓷元件位移闭环。 从理论分析还知压电陶瓷在电压降至0 v 对，其位移输出不会回复到初始的零电压 状态，其零电压位移输出值相差3 0 0 n m 左右，这是在实际应用时必须考虑的特性。 4 疲劳特性 在柴油机燃油喷射系统、主动悬架系统以及其它液压系统中，高速开关阀压电陶瓷 驱动器往往要求在大应变和循环交变电场下工作，而压电陶瓷易出现电疲劳，使其电性 能下降，影响驱动器正常工作。以往的研究证明，压电陶瓷的电疲劳是不可避免的，而 且成为压电陶瓷驱动器应用的主要障碍，也是驱动器可靠性和耐久性设计的首要考虑因 素。 ( 1 ) 压电陶瓷电疲劳现象 压电陶瓷的电疲劳是指在交变电场循环作用下，压电陶瓷电性能下降，表现在电滞 回线上则是剩余极化强度p 。和饱和极化强度p ；下降，通常伴随矫顽电场e 。的增大。 m c o u a r