超磁致伸缩两级电液伺服阀的结构及建模研究

　　电液伺服阀作为电液伺服系统的核心元件,其性能的好坏将直接影响系统的工作性能。对传统的反馈电液伺服阀而言,电-机转换器(如力矩或力马达)是影响伺服阀响应速度最为滞后的环节,因此如何提高伺服阀的动态响应特性已成为研究的重心。随着先进制造技术、微电子技术的发展,和以功能材料、智能材料为基础的转换器的研制开发,使得新型高频响电-机转换器的出现和应用成为现实。

　　稀土超磁致伸缩材料(GiantMagnetostrictiveMa-teria,l GMM)[1]是继稀土永磁、稀土磁光和稀土高温超导材料之后的又一种重要的新型功能材料。在外加激励磁场的作用下,它能有效地实现电磁能-机械能的可逆转化,具有应变大、响应快、能量传输密度高和输出力大等优异性能。国外已将它应用于换能器、流体元件、微流体元件、传感器等领域;国内不少高校和研究单位也开展了GMM的应用研究。作者所设计的电液伺服阀是一种新型的超磁致伸缩两级电液伺服阀(简称GMM电液伺服阀),它以利用超磁致伸缩材料研制的高响应执行器—超磁致伸缩电-机转换器(GiantMagnetostrictive Actuator, GMA)取代传统的力反馈伺服阀[2]的力矩马达,同时利用滑阀位移电反馈进行滑阀位移的定位。由于GMA具有响应快、精度高、输出力大等特点,将其应用于两级伺服阀的设计之中,必将提高其动态特性。

　　1 GMM两极电液伺服阀的实现方案

　　图1是基于GMM转换器的高响应两级电液伺服阀的结构方框图。用GMM转换器代替永磁力矩马达,以充分利用它的高响应,满足液压控制系统更高的要求, GMA为超磁致伸缩转换器,前置级为双喷嘴挡板伺服阀,功率级为滑阀。前置级双喷嘴挡板伺服阀有如下两种实现方案。

　　1.1 单GMM转换器方案

　　其结构原理简图,如图2所示。在驱动线圈上预先加入适当电流,使转换器输出杆伸出,并保持挡板(也是放大杠杆)处于零位。当驱动线圈电流变化时,转换器输出杆带动挡板运动,即电流增大、挡板左移,电流减小、挡板右移,实现伺服阀动作。这种方案的优点是充分利用了GMM的输出位移线性中段,且结构简单、体积小,但对热补偿(冷却)和加工精度要求高且其中位的定位将是研制难点。该种伺服阀适用高响应、中小流量的场合。利用反馈杆可实现位置-力反馈。

　　1.2 双GMM转换器方案

　　双GMM转换器方案的结构原理简图,如图3所示。其原理是一个GMM转换器控制一个喷嘴, GMM的输出杆也是挡板。当一个GMM转换器的电流增大,驱动挡板伸出时;另一个GMM转换器的电流减小,使挡板缩回,反之亦然,从而控制电液伺服阀动作,伺服阀的反馈通过传感器实现。这一方案的优点是工作可靠,喷嘴挡板伺服阀产生两倍增益,而且对热补偿(冷却)要求不高,但结构复杂,增大了控制难度,且两个GMM转换器要配作。