腔高对压电液压驱动器性能的影响

　　压电陶瓷以其结构简单、输出力大、响应快、无电磁干扰、能耗低以及易于控制等特点，在航空航天、精密机械和生物工程等领域的驱动与振动控制方面已获得广泛应用^[1-2]. 但因压电叠堆变形小/ 驱动力大、压电晶片驱动小/变形大，因此采用单体的压电叠堆/晶片类驱动器都无法满足同时需要高驱动力和大位移的场合. 虽然采用杠杆和柔性铰链等^[1]可将压电体变形适当放大，但这种方法所获得的输出位移依然有限、并会使驱动力大幅度下降. 在直升机螺旋桨摆动、航空器表面振动以及舵机伺服机构的自主控制等方面，通常需要通过数毫/厘米的精密位移来加载/卸载数千牛顿的调整力^[3]. 为满足各领域的不同需求，人们先后提出了基于不同原理的多种压电直线驱动器( 也称压电马达或压电电机) . 早期的压电直线类驱动器主要有尺蠖马达、超声波马达及惯性冲击步进驱动器等^[4-8]，虽可获得较大的线性位移输出，但它们依靠摩擦力传递运动，故驱动力相对较小且要求部件加工精度高、磨损严重时无法使用. 因此，人们提出一种将压电驱动与液体传动技术相结合的压电液压驱动器( 也称压电液压马达) ^[9-14]，以期同时获得较大的驱动力和运动行程.

　　目前，国内外对压电液压驱动器的研究主要集中在原理分析、可行性验证以及系统动力学建模与仿真等方面，尚未建立起较完善的设计理论与方法. 国外学者所研究的压电液压驱动器基本由柱塞式压电泵与功能流体阀构成^[9-11]，动态工作时需依靠蓄能器预置压力加速叠堆的形变恢复( 因压电叠堆仅能承受压应力) ; 但因实际液体介质的可压缩性，这种方法难以获得理想的系统刚度( 预压力) 使之与压电叠堆相匹配.因此，作者在以往工作中提出了一种压电叠堆隔膜泵^[15]及其构成的压电液压马达^[16]，并在不计实际液体可压缩性的情况下研究了泵腔隔膜结构对其输出性能的影响规律. 本文从理论及试验两方面研究泵腔高度对压电液压驱动器输出特性的影响规律.

　　1 压电液压驱动器的结构及原理

　　压电隔膜泵驱动的直线驱动器结构如图1 所示，其中a、b 和c 分别为泵腔、刚性顶块和液压缸的半径，h 为泵腔高度. 压电叠堆、泵腔隔膜、单向阀共同构成压电泵，用于液体的驱动与循环控制. 驱动器的工作过程如下: 当压电叠堆伸长时推动刚性顶块及泵腔隔膜使泵腔容积减小、压力增加，从而使出口阀开启、入口阀关闭，泵腔内液体经出口阀/换向阀进入液压缸上腔; 液压缸上腔压力升高并推动缸活塞向下运动，下腔内液体被压入蓄能器，液压缸活塞向下运动一步. 电压换向后，压电叠堆在泵腔隔膜的作用下回复变形( 缩短) ，泵腔容积增加，出口阀关闭、入口阀开启，蓄能器内液体被吸入泵腔，完成压电泵的一个循环过程. 在交变电压的连续作用下，液压缸活塞即可实现沿某一方向的步进输出.