一种新型压电陶瓷固液一体化作动器

    作动器是舵机系统的主要组成部分,随着现代飞行器的飞速发展,对舵机作动器的要求也越来越高,并逐渐向着小体积,高频响,大功率密度方向发展。

    集成的固液复合一体化舵机技术是由美国提出并最先开展的^[1–2],目前国内还没有这方面的研究。现在智能材料的不断发展,应用越来越广泛。特别是压电陶瓷材料,输出力大、响应频率高、线性度较好,并且采用集成的脉宽调制(PWM)伺服放大器给压电陶瓷供电,效率高、频带宽。现在各国都在研究一体化作动器,主要困难是单向阀的响应瓶颈问题,解决该问题的方法主要有提高单向阀的响应频率;采用压电陶瓷伺服阀代替单向阀;利用软管代替单向阀等^[1,3–5]。本文提出的压电陶瓷固液一体化作动器利用压电陶瓷作为电能和机械能之间的换能介质,有效的进行了能量转换,并且采用泵阀一体的集成化设计,以油液为动力传递介质,继承了电液作动器和电机作动器的优点。同时对其进行了仿真并得到仿真曲线。

    本文提出的固液一体化作动器可用于直升机、无人作战飞机等多电、全电飞机中的舵机系统中。

    1　作动器结构及工作原理

    新型压电陶瓷固液一体化作动器结构如图1所示,该作动器由两个压电陶瓷驱动的柱塞泵(泵1、2)、补油蓄能器、作动筒组成。每个压电陶瓷泵都是一对压电陶瓷对顶柱塞进行往复打油。蓄能器通过两个单向阀连接在油液回路中。蓄能器的压力是0.7 MPa,当吸油时为吸油回路提供一定的压力,防止吸油不充分出现气穴。但同时也会使作动筒中损失了一部分压力。通过两个泵的相位关系来控制油路的通断,连接在两个泵之间的实线是连接两个泵的工作腔的通油孔。

    两个压电陶瓷泵始终保持90°相位差,一个泵工作时,另一个泵为工作泵提供和作动筒之间的通路。结合图1的原理图对压电陶瓷施加图2的控制信号,说明作动器的工作原理。图中t为时间。

    泵1中左侧的压电陶瓷伸长,右边的压电陶瓷缩短,推动柱塞向右运动,泵2的柱塞在左侧,将连接泵1的通油孔与作动筒的右腔连通,液压油在泵1左边压电陶瓷推动柱塞的作用下流经泵2左侧的通油孔进入作动筒的高压侧(右侧)。泵1的右侧工作腔排出高压油的同时,左侧的工作腔通过泵2的通油孔和作动筒的低压腔(左侧)相连通,实现吸油。补油蓄能器通过两个单向阀与油液回路相连接,当回路中压力低于蓄能器中的压力时蓄能器压开单向阀开始补油,为防止出现气穴而预给蓄能器0.7 MPa的压力。当泵1的柱塞到达右侧并且在右侧停留T/4(T为周期),此时泵2左侧的压电陶瓷推动柱塞向右运动,泵2的高压腔(右侧)通过泵1左侧的通油孔与作动筒的右腔连通,泵2将高压油压入作动筒的高压腔。同时泵2左侧工作腔和通过泵1右侧的通油孔与作动筒的低压腔连通,完成吸油。泵1、2向左推动柱塞运动的工作过程也是相同的。上述工作过程中柱塞有T/4的停滞,这样虽然损失了1/4个有效工作周期,但能最大限度的打开通油孔,防止油路阻塞。可以看出,上述工作过程是泵2滞后90°相位跟随泵1运动。上述泵1先动作,泵2跟随泵1动作时,作动筒右侧腔是高压腔;相反当泵2先动作,泵1跟随泵2动作时,作动筒的左侧腔就变为高压腔,很简单的就实现了作动器的反向。也就是两个泵的柱塞相差90°相位互相跟随,通过调节控制指令相位来控制作动器的运动方向。当然这只是其中一种施加控制信号的方法,也可以施加其他的控制信号。