基于压电叠堆驱动器的新型液压高速开关阀

　　传统的液压开关阀以电磁力矩马达或者电磁力马达作为前置级驱动器，其频响及控制精度很难进一步提高，已不能完全满足现代机器，特别是有快速精密反应要求设备的使用需求。压电叠堆（MultilayerPiezoelectric Actuator，MPA） 作为一种新型的驱动件，具有响应速度快、单位体积输出力大以及变形精度高等特点，用其代替电磁式力马达或者力矩马达形成新型的压电驱动式开关阀，即用压电驱动式的电—机械转换器代替传统的电磁式的电—机械转换器，可以解决电磁式电—机械转换器频响及控制精度很难提高的问题。本文在总结前人研究成果的基础上，提出一种压电直接驱动式开关阀，并对压电叠堆驱动器及整个阀进行了实验研究。

　　1 开关阀的结构与工作原理

　　1.1 压电叠堆驱动器

　　某型压电叠堆的结构简图如图 1 所示。其由多片压电陶瓷组成，在电路上并联在一起，即每片陶瓷上的电压相同。陶瓷片间为绝缘玻璃，外部电极为银－锂合金，内部无胶粘附件，是通过固态烧结工艺制作而成。内部电极间距大约为 100 μm，使得较低的电压就可以获得一定的驱动效果。由于极化方向是沿压电叠堆的轴线方向，因此压电叠堆的位移相当于所有陶瓷片位移量的总和[1]。MPA具有承载力大、响应快、位移可重复性好、效率高以及电场控制相对简单等优点，采用这种材料制成的线性驱动器具有多种用途，其中作为液压控制阀的电—机械转换装置，具有切换速度快，频率高，能量消耗少等特点。

　　1.2 压电驱动单向阀

　　图 2 为以压电叠堆作为单向阀驱动元件的结构示意简图[2]。单向阀驱动控制元件采用两个压电叠堆元件，通过杠杆放大机构，控制阀门的开启、关闭动作。由于压电叠堆元件具有推力大，回拉力小的特点，所以动阀体采用具有回弹能力的结构形式，杠杆机构采用弹簧钢为材料，用数控线切割机床加工。通常作为液压先导阀所需阀芯最小位移不小于 0.5 mm，所以对压电叠堆伸缩驱动器输出的位移通过一杠杆机构进行放大。根据柔性铰链结构参数设计的一般原则[3，4]，柔性铰链的圆弧半径取 0.4 mm，中心厚度取0.4 mm，宽度取 2 mm，铰链厚度取 5 mm，角度取 5°，铰链间距取 7 mm。由于它采用两个压电叠堆同时工作作为放大机构的驱动元件，机构两端的输出位移是两个单个作用下的位移之和。理论上可以通过多个压电叠堆串联达到输出大位移的目的，但过多的环节会导致机构的整体刚度下降，影响其动态特性。

　　2 开关阀的特性试验

　　开关阀的特性试验主要包括压电叠堆伸缩驱动器的静态电流—输出位移、输出力及开关阀的开启和关闭时间试验。试验在恒温隔振的条件下进行[5]。