基于磁控形状记忆合金的伺服阀驱动器

2 0 1 4年 2月 第 4 2卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS F e b 2 01 4 Vo 1 4 2 No 3 D O I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 0 3 0 3 2 基于磁控形状记忆合金的伺服阀驱动器 涂福泉 毛阳 胡良智 李贺 曾庆斌 刘小双 武汉科技大学冶金装备与控制教育部重点实验室 湖北武汉4 3 0 0 8 1 摘要 磁控形状记忆合金 MS M A 是一种新型的具有形状记忆功能的功能材料 用这种材料制成的驱动器具有响应 频响高 驱动力大 可控位移大等特点 特别适合于制造高精度大位移运动与位置控制驱动器 根据 MS MA以上优点 研 究基于 MS MA的先导式伺服阀驱动器 设计出一种新型的驱动器结构 用弹簧恢复 MS MA形变 直流绕组产生偏磁磁场 励磁绕组提供可控磁场 通过已有数据分析了材料静态特性 用 MA T L A B软件进行数据分析并且仿真 得到材料的驱动力 及位移与时间的关系 验证了结构设计的合理性 关键词 MS MA 伺服阀驱动器 结构设计 偏置磁场 中图分类号 T H一3 9 文献标识码 A 文章编号 S e r v o Va l v e Ac t u a t o r Ba s e d o n M S M A T U F u q u a n MA O Y a n g H U L i a n g z h i L I H e Z E N G Q i n g b i n L I U X i a o s h u a n g K e y L a b o r a t o r y o f Me t a l l u r g i c a l E q u i p m e n t a n d C o n t r o l T e c h n o l o g y Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 C h i n a Ab s t r a c t M a g n e t i c s h a p e me m o r y a l l o y s MS MA i s a n e w t y p e o f s h a p e m e m o r y a l l o y s T h e a c t u a t o r ma d e w i t h MS MA h a s t h e a d v a n t a g e s o f f a s t s p e e d h i g h e q u e n c y b i g c o n t r o l l e d d i s p l a c e me n t me mo ry f u n c t i o n e t c a n d i s p a r t i c u l a r l y s u i t a b l e f o r h i g h p r e c i s i o n mo t i o n a n d p o s i t i o n c o n t r o 1 T h e h i g h e q u e n c y s e r v o v a l v e a c t u a t o r b a s e d o n MS MA w a s r e s e a r c h e d a n d a n e w t y p e o f a c t u a t o r s t r u c t u r e wa s d e s i g n e d s p r i n g w a s u s e d t o r e c o v e r d e f o r ma t i o n DC c o i l s wa s u s e d t o p r o d u c e b i a s ma g n e t i c fi e l d t h e f i e l d c o i l s wa s u s e d t o p r o v i d e c o n t r o l l a b l e ma g n e t i c fi e l d T h e ma t e r i a l s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c wa s a n aly z e d t h r o u g h e x i s t i n g d a t a e l e c t r o ma g n e t i c s i mu l a t i o n wa s ma d e t h r o u g h ANS YS s o f t wa r e F i n a l l y t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n d r i v i n g f o r c e a n d d e f o r ma t i o n i s g o t t e n t h e r a t i o n a l i t y o f t h e s t r u c t u r e d e s i g n i s v a l i d a t e d Ke y wo r d s MS MA Ac t u a t o r S t ru c t u r e d e s i g n B i a s ma g n e t i c f i e l d 电液伺服系统朝着高频大流量方向发展 以适应 实际工程技术领域的需要 传统以电磁力马达或力矩 马达驱动的电液伺服阀频宽一般较低 难以满足快速 精密反应伺服系统的需求 为此 欧 美 E t 等发达 国家较早已开始进行基于新型功能材料伺服阀驱动器 研究工作 并 已开发出如 P Z T P M N G M M等新型 驱动器 我国利用新型功能材料开发高性能伺服阀驱 动器的研究工作起步较晚 目前只有浙江大学 武汉 科技大学 大连理工大学等少数科研院所在进行相关 的研究 并取得了一定的研究成果 磁控形状记忆合金 MS M A 是一种新 型功能材 料 其马氏体相在外部磁场作用下可产生较大的变 形 兼具压电陶瓷与磁致伸缩材料响应速度快及温控 形状记忆合金输出应变大 的特点 将其用于伺服 阀 电一机械转换器的驱动部分 有望解决 目前新型功能 材料伺服阀驱动器存在的输出位移量偏小的问题 具 有 良好 的应用前景 1 基于 MS MA材料的驱动器结构设计 MS M A具有在电磁场的激励下响应时间短 单位 长度上能产生较大的驱动位移 单位质量内能产生较 大的机械功率等其他材料所不可比拟的优点 MS M A 材料能够根据磁场方向的变化产生多方位的形变 如 图 1 所示 可以沿着轴向发生应变 沿着周向产生扭 转变形 沿着径向发生弯曲变形 根据 MS M A材 料的这些不同的变形过程 能够根据具体的工程需要 制造出各种各样 的驱动器 1 三 羊 毛 图 1 MS MA材料的形变形式 但是磁控形状记忆合金在电磁场中发生变形后撤 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 2 2 基金项目 国家 自然科学基金资助项目 5 1 1 7 5 3 8 8 5 1 1 7 5 3 8 6 作者简介 涂福泉 1 9 7 0 一 男 博士 副教授 从事复杂机电液系统研究 E m a i l t f q h b 1 6 3 c o m 1 1 6 机床与液压 第4 2卷 出电磁场不能自行恢复形变 根据材料的应变特性 在需要恢复变形的方向施加作用力 使材料恢复形 变 如图2 a 所示 文中通过在材料伸长的方向 用弹簧来施加反方向的作用力使材料恢复形变 如图 2 b 所示 位 移 方 向 位 移方 向 I 图2 MS MA材料恢复形变示意图 使用直流线圈产生偏置磁场和励磁线圈产生可控 磁场的 M S M A驱动器结构如图3 所示 图3左侧先导 阀结构如图4所示 先导阀质量0 0 0 2 k g 该驱动器 通过调节直流电的大小 来获得理想的偏置磁场 弹 簧在 MS M A材料没有发生位移的情况下 保持其 自 然长度 在 口 字形铁芯一侧开有 6 m m的间隙 放置用于驱动 的材料 MS M A 间隙内放置 5 m m 5 m m 2 0 m m的 M S MA材料 并确保通过驱动材料的 磁场和材料的伸长方向成 9 0 夹角 使材料产生较好 的驱动效果 励磁绕组产生 交流电信号 用来控制 驱动部分的运动 直流绕组产生 n 直流信号 通过 调节阻值的大小用来产生和调节偏置磁场 先 图3 MS MA驱动器结构 H H F F 硼 J I I I E L 一 l I 1 0 一 l 2 0 图4 阀芯的结构和尺寸 2 M S M A驱动器参数计算以及仿真结果 外加磁场达到 0 5 T时 MS M A材料变形状态基 本上达到饱和状态 建模基于 1 MS M A样 品内部的应变 s 应力 o r 磁场强度 和磁感应强 度 曰均匀 2 忽略漏磁通 涡流对激励电流的抑 制作用 3 整个运动过程 中 MS M A一端位移为 零 另一端始终与负载有相同的位移 速度和加速 度 在驱动器的磁路中 绕组线圈的绕制圈数 用 于产生激励磁场的电流强度 通过 MS M A材料磁场 强度 日 间隙大小 g 磁感应强度 B存在以下关系 N I 坛 1 B H 2 空气中的导磁率 4 r r 1 0 H m 为 M S MA 材料相对于客气的磁导率 1 5 选取外加激励磁 场强度为 0 3 T 选取 0 2 T作为偏置磁场 激励电 流为 1 A 产 生偏 置磁 场 的直 流 电流 为 n 2 A 联立式 1 一 2 求得 H 2 6 1 0 T 绕组 N 5 2 0匝 根据 A d a p t a M a t 公司提供的测试数据 近似求得 压磁系数 q 1 9 9 0 8 1 0一 弹性模量 C 1 9 1 1 O P a 建立材料的静力学模型 如下建立了应变 磁场参数 B H 外应力 o r 压磁系数 q以及在磁场 中材料弹性模量 c 之间的关系 q H 3 棚 B q c r 4 再联立材料长度和应变的关系为 x 1 电磁 定律 B A 磁路定律 N I 得出 o r q H 5 MS M A等效电流常数 K 刚度系数 A z C e f f gC g v 尉 一C a f q 等 效 代人数值计算得 K i 1 2 6 7 N A K x 2 5 1 0 N m 为在励磁磁场作用下产生的位移增量 为 直流信号产生的位移量 为 MS M A的横向截面积 为总磁阻 驱 动器 的输 出力 可以表述 为 F K i 一 K厶一 6 由式 6 可理论上计算出驱动力大小为 F 1 2 6 7 N 驱动器达到 1 2 l n m的位移 MS M A驱动器的等效力学模 型如图 5所示 设 为弹簧的刚度系数 C B B 为黏性摩擦 系数 由内摩擦学原理可知 B I t T r d l r 肛为油液 动力黏度 文中取其值为 肛 0 0 2 2 5 P a s d为设 计滑阀直径 z 为阀芯凸肩总长 r 为阀芯与阀套间 的间隙 选用 3 p m 计算得出先导阀黏性摩擦系 数 B 1 5 3 在文中所涉及的滑阀工作过程中 一 对阀1 3 同时参加工作 压力变化为 卸 瞬态 第 3期 涂福泉 等 基于磁控形状记忆合金的伺服阀驱动器 1 1 7 液动力为 F L 2 L 1 c d x v 在设计 时 先导阀瞬态液动力阻尼系数 B 0 0 6 等效质 量即阀芯的质量 m 0 0 0 2 k g 弹簧对 M S MA的作 用可以等效表示为 F m d d 2 f x 们 d x 7 图5 MS MA驱动器等效力学模型 根据牛顿第二定律 MS M A的输出力 F F 1 0 A 8 F mI d d 2 f xx B 邶 d x K 一 x K i 将 式 9 与 f m 2 m 联 0 1 8 6m 立 为 阻尼 比 取值 为 o0 4 6 0 2 用 M A T L A B软 件 对 0 动 移 二 堂图 6 基 于 M s M A 驱 动 器 如 图 6 所 示 仿真结果显 一 移动态 示 该材料 的输 出位移先 有小幅震荡 最后趋于稳定 表示受力达到平衡 3结论 仿真结果表明 基于 MS M A的驱动器满足伺服 阀的工作要求 证 明 MS M A材料有望成为新一代驱 动器的重要材料 但是磁控形状记忆合金新型功能材 料的应用研究还处于起步阶段 新型 MS M A材料仍 面临温度 滞后 能量损失等许多问题 需要进一步 深入研究 参考文献 1 T E L L I N E N J S U O R S A I J A A s K E I N E N A e t a 1 B a s i c P r o p e r t i e s o f Ma g n e t i c S h a p e Me m o r y A c t u a t o r s C A c t u a t o r 2 0 0 2 B r e me n G e r ma n y 2 0 0 2 2 王社良 代建波 赵祥 等 磁控形状记忆合金在结构振 动控制中的应用研究 J 噪声与振动控制 2 0 1 0 3 3 张晶 磁控形状记忆合金微位移执行器模型 的研究 D 沈阳 沈阳航空工业学院 2 0 1 0 3 2 3 4 4 曹淑苑 王博文 超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态 模型 J 中国电机工程学报 2 0 0 3 2 3 1 1 1 4 5 1 4 9 5 张庆新 M S M A直线驱动器的数学模型及控制系统 J 辽宁工程技术大学学报 2 0 0 7 2 6 5 7 2 3 7 2 6 6 林青 张国贤 何青玮 等 超磁滞伸缩制动器的数学模 型 J 机电一体化 2 0 0 1 6 2 6 2 9 上接 第 1 1 4页 热管的蒸发段 冷凝段和绝热段三者的长度比例 高 温热管的启 动可以不受 冷冻启 动极 限的影 响 3结论 通过对工件在磨削区温度控制系统的设计 利用 高温热管 红外辐射测温仪以及 P I D控制器等可以使 工件在磨削淬硬过程中表面温度处于稳定的范围 控 制工件表面的淬硬质量和淬硬层厚度满足要求 为实 现磨削淬硬的 自动控制提供了技术支持和基础 同 样 该系统也可以适用于其他形式的磨削过程中 将 提高磨削过程中磨削区热量的传出效率并且增加了磨 削系统的刚性 其应用将产生良好的经济和社会效 益 参考文献 1 B R I N K S M E I E R E B R O C K H O F F T U t i l i z a t i o n o f G r i n d i n g He a t a s a N e w H e a t T r e a t me n t P r o c e s s J A n n a l s o f t h e C I R P 1 9 9 6 4 5 1 2 8 3 2 8 6 2 Z H A N G L C G r i n d i n g h a r d e n i n g o f S t e e l S u r f a c e s A F o c u s e d R e v i e w J I n t e r n a t i o n al J o u r n al o f A b r a s i v e T e c h n o l o g y 2 0