双压电晶片驱动喷嘴挡板式伺服阀

　　0 引 言

　　压电驱动型电液伺服阀最早出现于20世纪80年代(日本)[1],其结构特征是以PZT双晶片代替双喷嘴挡板式电液伺服阀动圈马达的挡板[2]。1992年后出现了以压电叠堆为驱动力源的单级直动式伺服阀(日本)[2]。但由于压电体变形过小,控制的流量极小(不足0.2L/min),同时由于PZT材料固有的迟滞效应较大(15%~20%),致使伺服阀整体的滞环大于10%,重现性不好,影响了反应速度与精度的提高,限制了压电伺服阀的进一步发展与应用。

　　德国亚琛工业大学流体传动及控制研究所IFAS)研究开发的压电伺服阀采用压电叠堆串联驱动,其位移输出达到10-1mm的数量级,经过一个位移放大倍数为30倍的液压放大机构对压电叠堆的输出位移进行放大,阀芯的行程达到1mm以上,在阀的全行程的频响大于200Hz[3]。该阀由于采用液压放大机构进行放大,因而频响很难进一步提高。2002年,美国加利福尼亚州CSA机构的Jason E.Lindler和Eric H.Anderson研制出压电直接驱动式伺服阀[4]。经过放大后阀芯的位移达到300Lm,在10 MPa的压力下流量大约为9L/min,频宽达到300Hz。

　　由于该阀的流量较大,压电位移的放大倍数较大,因此影响了整个压电驱动器的动态性能,使得压电伺服阀的研制突破了传统电磁驱动前置级驱动器频宽的限制,为大幅度提高伺服阀的频宽、研制超高速电液伺服阀提供了必要的前提条件。目前日、美等国都在积极研制具有高速、精密功能的电液伺服阀,压电伺服阀即是首选目标之一。

　　目前国内对于压电伺服阀的研究尚无报道。中国矿业大学的赵四海等人研究了压电晶体型电液开关阀[5~8],并取得了阶段性的成果。

　　1 伺服阀的基本结构

　　电磁式力矩马达驱动电液伺服阀结构如图1所示。由永久磁铁、上导磁体、下导磁体、衔铁、控制线圈、弹簧管等组成。两个控制线圈套在衔铁上。衔铁两端与上下导磁体形成4个工作气隙。弹簧管是衔铁的弹性支座,衔铁固定在弹簧管上端,可作微小转动。当没有控制电流通过线圈时,衔铁处于平衡位置。当有控制电流通过线圈时,衔铁在电磁力作用下发生顺时针或逆时针转动,迫使弹簧管产生变形,通过控制线圈的输入电流调整挡板与喷嘴之间的距离,改变输出口的压力与流量。

　　双压电晶片喷嘴挡板伺服阀的结构如图2所示。由挡板(由压电晶片1、压电晶片2、基板组成)、喷嘴、阀体等组成。压电晶片按极性牢固地粘在基板两侧,并使压电晶片的变形方向相同。当给压电晶片1、压电晶片2加正电压时,柔性铰链带动挡板做逆时针或顺时针转动,使挡板与喷嘴之间距离发生变化,从而使输出口压力或流量发生变化,实现了对系统的有效控制。