宋昀澤，邰明皓，王 睿，陳 龍，朱玉川

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

引言

智能材料(如磁致伸縮材料、壓電材料)能夠?qū)崿F(xiàn)直接電-機(jī)轉(zhuǎn)換，且響應(yīng)迅速，可輸出較大的能量，對(duì)基于智能材料驅(qū)動(dòng)的作動(dòng)器的設(shè)計(jì)與研發(fā)已有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多年的研究，電靜液作動(dòng)器(EHA)是其中一個(gè)主要發(fā)展方向。

ONISHI等[1]利用壓電疊堆作為驅(qū)動(dòng)元件研制的電液作動(dòng)器是國(guó)外較早被報(bào)道的一種作動(dòng)器，其泵腔3個(gè)閥口處均布置了1個(gè)被動(dòng)單向閥片來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓缸的單向輸出，其在1 kg質(zhì)量的負(fù)載下，輸出流量約為1.36 L·min-1。GERVER等[2]利用磁致伸縮棒Terfenol-D作為驅(qū)動(dòng)元件研制了一種水泵，采用了薄圓形不銹鋼片作為閥片，其在5 Psi偏壓下，驅(qū)動(dòng)頻率150 Hz，輸出流量能夠達(dá)到0.9 L·min-1，加入行程放大器并采用質(zhì)量更好的Terfenol-D之后，輸出流量提高到1.8 L·min-1。LARSON等[3]為提升作動(dòng)器的高頻特性及高壓特性，犧牲了輸出流量，為基于智能材料的電靜液作動(dòng)器設(shè)計(jì)了一種高可靠性的適用于高頻整流的微型閥，用線(xiàn)性排列的微型懸臂梁陣列閥代替原先的普通單向閥片，在驅(qū)動(dòng)頻率200 Hz下，輸出流量為0.19 L·min-1。ZHU等[4]設(shè)計(jì)了一種超磁致伸縮電靜液作動(dòng)器，用懸臂梁閥片進(jìn)行整合配流，利用管道里的壓差打開(kāi)和關(guān)閉閥片，該作動(dòng)器在225 Hz的驅(qū)動(dòng)頻率下，空載輸出流量約為1.3 L·min-1，帶負(fù)載質(zhì)量超過(guò)14 kg。以上作動(dòng)器均采用被動(dòng)閥配流，懸臂梁膜片閥是研究比較多的也是比較典型的被動(dòng)配流閥，由于被動(dòng)閥的開(kāi)合是利用閥片兩側(cè)的壓差，在高速配流時(shí)油液的附屬質(zhì)量增大以及被動(dòng)閥的響應(yīng)滯后的影響下，被動(dòng)閥較難開(kāi)啟，限制了作動(dòng)器流量的提升[5-6]，因此開(kāi)展了對(duì)主動(dòng)閥的研究。TAN等[7]研制了一種配有主動(dòng)閥的壓電液壓作動(dòng)器，2個(gè)主動(dòng)閥均由電磁驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行通斷控制，在驅(qū)動(dòng)頻率140 Hz下，液壓缸輸出桿輸出速度可達(dá)38 mm·s-1。LI等[8]利用2根壓電疊堆通過(guò)設(shè)計(jì)不同的管路連接方式實(shí)現(xiàn)了不同驅(qū)動(dòng)信號(hào)下液壓缸的間歇運(yùn)動(dòng)和連續(xù)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)雙泵的同步或異步動(dòng)作，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)液壓缸的雙向移動(dòng)，在此結(jié)構(gòu)上又添加了電磁換向閥。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在驅(qū)動(dòng)頻率為300 Hz時(shí)，液壓缸的最大移動(dòng)速度達(dá)到68.3 mm·s-1。費(fèi)尚書(shū)等[9]提出了一種基于圓柱轉(zhuǎn)閥主動(dòng)配流的新型磁致伸縮電靜液作動(dòng)器，通過(guò)設(shè)計(jì)的雙軸肩主動(dòng)配流閥完成工作流體的導(dǎo)向、配流和換向，在120 Hz達(dá)到流量峰值1.28 L·min-1，最大帶負(fù)載質(zhì)量約為25 kg。王振宇等[10]提出了一種基于主動(dòng)閥配流雙磁致伸縮棒驅(qū)動(dòng)的電靜液作動(dòng)器，用2個(gè)磁致伸縮泵，結(jié)合主動(dòng)閥配流，在150 Hz下，輸出流量達(dá)到2.61 L·min-1。

國(guó)內(nèi)外目前所研究出的樣機(jī)由于輸出流量較小以及頻寬的限制，使得智能材料作動(dòng)器尚不足于實(shí)用化。磁致伸縮材料驅(qū)動(dòng)的柱塞泵的行程小，只有幾十微米，且響應(yīng)迅速，狀態(tài)切換頻率高，若用2個(gè)柱塞泵同時(shí)工作，并配以1個(gè)高效的整流裝置，便不僅能大大提高流量的輸出，還能大大提高磁致伸縮泵的工作效率，使系統(tǒng)輸出的提高更顯著。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)了基于主動(dòng)閥配流的軸向雙磁致伸縮泵驅(qū)動(dòng)的電靜液作動(dòng)器DMAEHA，如圖1a所示。作動(dòng)系統(tǒng)主要包括閥體和油路塊、磁致伸縮泵1和2、設(shè)計(jì)的新型主動(dòng)配流閥、伺服電機(jī)以及1個(gè)雙作用式液壓缸。伺服電機(jī)用來(lái)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)配流閥。磁致伸縮泵和主動(dòng)配流閥可以說(shuō)是系統(tǒng)的核心零部件，磁致伸縮泵[11]是由磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)棒驅(qū)動(dòng)活塞實(shí)現(xiàn)泵的吸、排油，在整個(gè)系統(tǒng)中完成了電能-磁能-機(jī)械能-液壓能之間能量的傳遞，如圖1b所示，主動(dòng)配流閥結(jié)構(gòu)如圖1c所示。

圖1 DMAEHA及各零部件結(jié)構(gòu)示意圖

新型主動(dòng)配流閥由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用端面和側(cè)面配流孔實(shí)現(xiàn)工作流體的導(dǎo)向功能，隔離磁致伸縮泵的吸、排油2個(gè)狀態(tài)。液壓缸的尺寸是固定的，兩側(cè)出油口之間的距離是定值，因此需要單獨(dú)設(shè)計(jì)1個(gè)內(nèi)布管路的油路塊[12]與閥體配合，來(lái)完成從主動(dòng)配流閥到液壓缸兩側(cè)的油液的導(dǎo)向工作。磁致伸縮泵1和2并排放置，其中油液分別通過(guò)主動(dòng)配流閥、閥體以及油路塊被分配往液壓缸的兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)泵向液壓缸不間斷的吸(排)、排(吸)油，從而實(shí)現(xiàn)位移的連續(xù)輸出。

圖2為作動(dòng)器向上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其基本原理是給2個(gè)磁致伸縮柱塞泵分別通以相位相差180°的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用主動(dòng)配流閥整流，兩柱塞泵不間斷的交替向液壓缸的高壓側(cè)排油，同時(shí)從低壓側(cè)吸油，實(shí)現(xiàn)液壓缸輸出桿單向的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，若要改變運(yùn)動(dòng)方向，只需改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位，在之前的基礎(chǔ)上加或減180°初始相位角，也可以理解為將兩柱塞泵的驅(qū)動(dòng)信號(hào)反接，兩者起到的作用是相同的，前者說(shuō)法更適合在雙向伺服控制上的應(yīng)用。由于油液具有一定的壓縮性，會(huì)給系統(tǒng)的流量輸出造成一定損失，所以通過(guò)蓄能器[13]預(yù)先給系統(tǒng)內(nèi)部流體一定的偏壓，提高油液密度，降低油液壓縮性帶來(lái)的容積損失。

圖2 DMAEHA工作原理圖

圖2a所示過(guò)程為泵1處于排油階段，泵2處于吸油階段。通過(guò)主動(dòng)配油閥的配流作用，泵1排出的油液將流向油口2，進(jìn)入液壓缸的高壓側(cè)，液壓缸低壓側(cè)排出的油液流向油口1，被泵2吸入泵腔，液壓缸在壓差的作用下向上運(yùn)動(dòng)。

圖2b所示過(guò)程為泵1處于吸油階段，泵2處于排油階段。通過(guò)主動(dòng)配油閥的配流作用，泵2排出的油液將經(jīng)由油口2流向液壓缸高壓側(cè)，低壓側(cè)排出的油液經(jīng)由油口1被泵1吸入。

此過(guò)程中油口1始終通往液壓缸低壓側(cè)，油口2始終通往液壓缸高壓側(cè)，液壓缸持續(xù)向上移動(dòng)。

2 主動(dòng)配流閥工作過(guò)程及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主動(dòng)配流閥工作過(guò)程

圖3為在一個(gè)配油周期(單個(gè)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次)內(nèi)主動(dòng)配流閥的工作原理，圖中為便于說(shuō)明原理將轉(zhuǎn)閥的配流側(cè)面展開(kāi)，轉(zhuǎn)閥沿箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)，簡(jiǎn)化后的閥體油口和柱塞腔油口是固定的。

圖3 主動(dòng)配流閥工作過(guò)程

配流閥由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，柱塞壓油動(dòng)作時(shí)，配流孔2與閥體和柱塞腔油口溝通，如圖3a所示，此時(shí)通流面積達(dá)到最大，油液流經(jīng)柱塞腔油口被活塞壓入配流孔2，從閥體油口排出進(jìn)入液壓缸高壓側(cè)；閥芯繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，孔2遠(yuǎn)離閥體油口，通流面積逐漸變小，在面積減小為0的時(shí)刻，如圖3b所示，配流閥不與閥體和柱塞腔油口溝通，此時(shí)切換工作狀態(tài)；下一時(shí)刻開(kāi)始吸油動(dòng)作，配流孔3與閥體和柱塞腔油口溝通，如圖3c所示，此時(shí)通流面積達(dá)到最大，油液從液壓缸低壓側(cè)經(jīng)閥體油口進(jìn)入配流孔3，流經(jīng)配流閥被活塞吸入柱塞腔；閥芯繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，孔3遠(yuǎn)離閥體油口，通流面積逐漸變小，在面積減小為0時(shí)，工作狀態(tài)切換，如圖3d所示。在雙柱塞情況下，配流閥旋轉(zhuǎn)1周，編號(hào)奇數(shù)孔始終排油，編號(hào)偶數(shù)孔始終吸油，2個(gè)同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)位移的連續(xù)輸出。

綜上分析，改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位，可以改變工作過(guò)程中配流孔中油液的流動(dòng)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位角的滯后或超前會(huì)改變系統(tǒng)的輸出流量，包括改變液壓缸運(yùn)動(dòng)方向。

2.2 主動(dòng)配流閥關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

圖4為主動(dòng)配流閥閥芯端面和側(cè)面配流孔的分布規(guī)律，其中角度β是磁致伸縮泵吸排油一次閥芯轉(zhuǎn)過(guò)的角度，對(duì)于2N(編號(hào)奇數(shù)孔與標(biāo)號(hào)偶數(shù)孔各為N個(gè))個(gè)配流孔的轉(zhuǎn)閥，角度β為：

(1)

圖4 主動(dòng)配流閥配流孔分布規(guī)律

端面配流孔分布半徑Re和側(cè)面配流孔分布半徑Rs，即閥芯半徑；φ1，φ2分別表示端面配流孔和側(cè)面配流孔直徑，為避免油路的復(fù)雜，兩者大小相等：

φ2=φ1=2Resinγ

(2)

(3)

其中，γ為單個(gè)端面配流孔對(duì)應(yīng)的圓心角的1/2。

(4)

其中：

(5)

(6)

為保證有效隔離高、低壓側(cè)，而閥芯內(nèi)又不出現(xiàn)困油現(xiàn)象，必須滿(mǎn)足：

(7)

結(jié)合式(5)～式(7)可求得：

(8)

3 作動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試

按上述工作原理和設(shè)計(jì)方法，加工了DMAEHA的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖5所示，為測(cè)試其輸出性能，搭建了性能測(cè)試平臺(tái)，如圖6所示。

圖5 DMAEHA樣機(jī)

圖6 DMAEHA測(cè)試平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)所用驅(qū)動(dòng)主動(dòng)配流閥的伺服電機(jī)為松下的Panasonic MSMF042L1U2M，伺服控制器為A6 MBDLT 25SF，2臺(tái)功率放大器(AE Techron, Inc. 7224)用來(lái)驅(qū)動(dòng)磁致伸縮棒伸縮，所用的2根磁致伸縮棒長(zhǎng)度均為40 mm，繞有線(xiàn)圈匝數(shù)均為500匝，分別置于2個(gè)并排放置的泵內(nèi)。液壓缸輸出桿的位移通過(guò)激光傳感器(上海思信，CD33-120N(P)-422)測(cè)試。

3.1 空載條件下作動(dòng)系統(tǒng)輸出特性

由主動(dòng)配流閥工作過(guò)程分析可知，改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位可以使主動(dòng)配流閥輸出不同的流量，因此需要研究在不同驅(qū)動(dòng)頻率下，驅(qū)動(dòng)電流的相位與作動(dòng)器輸出流量的關(guān)系。圖7a～圖7d所示為驅(qū)動(dòng)電流的頻率分別在100，150，180，200 Hz下，DMAEHA的輸出流量隨驅(qū)動(dòng)電流相位角變化的曲線(xiàn)圖。

由圖7a～圖7d可知，改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位角，系統(tǒng)輸出流量呈正弦規(guī)律變化，其中輸出流量為負(fù)值表示液壓缸輸出桿沿反向運(yùn)動(dòng)，即通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電流的相位角，可以改變磁致伸縮柱塞泵腔內(nèi)的高壓油流向液壓缸的兩側(cè)，因此系統(tǒng)能夠做出雙向位移輸出。

圖7 DMAEHA輸出流量隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位角變化規(guī)律

3.2 帶負(fù)載條件下作動(dòng)系統(tǒng)輸出特性

對(duì)空載條件下DMAEHA的輸出性能做了測(cè)試分析，在不同頻率下不同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位角對(duì)應(yīng)不同的輸出流量，取各頻率下輸出最大流量時(shí)的相位角，測(cè)試DMAEHA的帶載性能。如圖8所示為DMAEHA在空載、帶載100，200，300 N條件下流量輸出與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系。

從圖8中可已看出，不同載荷下，在頻率提高時(shí)，系統(tǒng)輸出流量隨柱塞泵的工作頻率的提高而近似線(xiàn)性增加，到達(dá)一定頻率之后，定義其為系統(tǒng)的最佳輸出頻率，系統(tǒng)輸出流量會(huì)逐漸下降，這是由于油液具有慣性，在高頻時(shí)不易改變自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，加之油液本身具有壓縮性，因而活塞在泵腔內(nèi)高頻運(yùn)動(dòng)時(shí)，油液不能及時(shí)的排出或吸入，導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出流量無(wú)法隨柱塞泵的工作頻率提高而增大。隨著載荷的增加，DMAEHA的輸出流量會(huì)有一定的下降。

圖8 不同載荷下輸出流量與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系

4 結(jié)論

(1) 改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位角可以改變DMAEHA輸出位移的方向，還可以實(shí)現(xiàn)泵的變量控制，根據(jù)我們的分析得出，這種對(duì)流量的控制其實(shí)是通過(guò)控制系統(tǒng)的輸出流量的損失來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)處在最佳相位角時(shí)損失幾乎為0；

(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，輸出流量隨載荷的增加而減小。其原因一是載荷增大使磁致伸縮棒的輸出力增大，輸出位移相應(yīng)減小，二是樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和加工條件直接影響DMAEHA的輸出性能，主動(dòng)配流閥閥芯配流孔之間存在內(nèi)泄漏，而且配流孔的位置誤差也會(huì)影響主動(dòng)配流閥的性能；

(3) 實(shí)驗(yàn)測(cè)得，最佳驅(qū)動(dòng)頻率為180 Hz，在空載情況下單向運(yùn)動(dòng)輸出峰值流量可達(dá)2.7 L·min-1，帶載300 N情況下，輸出流量為1.1 L·min-1。