电液伺服阀用新型驱动器特性研究

　　0 引言

　　目前,电液伺服阀通常采用力矩马达作为电-机械转换器。力矩马达的工作原理决定了阀的性能在如下方面存在不足:力矩马达为感性负载,温度高时吸力下降;滞后约50ms才达到额定吸力;对电源的要求较高;动态响应较低(一般在100Hz左右)等。近年来发展起来的一种新型微位移器件--内部无电磁元件、加上电信号即可产生位移和力信号的压电型转换器,已得到广泛应用[1]。它与现有的电磁马达相比,具有结构紧凑、体积小、分辨率高、控制简单等优点,是一种十分适宜用于亚微型高精度定位及高性能固体马达上的位移元件。作为伺服阀的电)机械转换器,具有足够的输出力和位移是需要保证的首要技术特性,这两个参数对阀的控制性能有直接影响,需合理匹配。因而,确定滑阀的位移及驱动力、选择适当的压电元件及放大环节,以及合理设计滑阀结构成为设计压电型伺服阀的前提,也是保证压电型伺服阀能够正常工作的基本要求。

　　1 压电效应

　　电介质在电场的作用下,存在压电效应和电致伸缩两种效应。压电效应,即电介质在机械应力作用下产生电极化,电极化的大小与应力成正比,电极化的方向随应力的方向而改变。在微位移器件中,应用的是逆压电效应,即电介质在外电场作用下产生应变,应变的大小与电场的大小成正比,方向与电场方向有关。电致伸缩效应,即电介质在电场作用下,由于感应极化作用而产生应变,应变的大小与电场平方成正比,与电场的方向无关。电介质在外加电场作用下应变与电场的关系为

　　式中,dE为逆压电效应;ME²为电致伸缩效应;d为压电系数,m/V;M为电致伸缩系数,m²/V²;E为电场,V/m;s为应变,m。

　　逆压电效应仅在无对称中心晶体中存在,而电致伸缩效应则在所有的电介质晶体都有,但一般都比较微弱。作为伺服阀的驱动器利用的是压电陶瓷的逆压电效应。

　　2 滑阀的力特性及位移特性分析计算

　　目前常用的伺服阀结构有双喷嘴挡板式、射流管式等[2]。本文采用直接驱动的方式,即利用驱动器直接带动阀芯运动。驱动滑阀的阀芯使其

　　在阀套内运动需要克服运动副间的固体摩擦力及作用在阀芯上的液动力的轴向分量,还要克服运动的惯性力、粘性摩擦力和弹性力等。阀的设计必须考虑液动力的问题。因为稳态液动力(当液流为稳定流动时,其速度的大小和方向沿着流道有变化时产生)使驱动阀芯所需的驱动力增加,并引起振动及非线性问题,而且目前还没有一种能在所有流量和压降下都能完全消除稳态液动力的补偿措施。而瞬态液动力(当液流为不稳定流动时,其速度的大小和方向随时间而变化产生)与阀芯的运动速度有关,在一定条件下将引起滑阀的不稳定。在设计中,滑阀的驱动力应远远超过阀芯所受到的总轴向力(一般是液动力加惯性力),这样有利于提高阀的静态特性和动态特性,特别是本文设计的伺服阀对动态响应有较高要求,因而需要有足够的驱动力余量。同时,足够的驱动力有利于去除可能滞留在控制窗口处的脏物颗粒,提高滑阀的抗污能力。由于滑阀结构的复杂性,无法对稳态轴向液动力及瞬态轴向力进行精确计算,本文通过计算获得了稳态轴向液动力的数量级及瞬态轴向力所形成的阻尼效果,为选择压电驱动元件及确定放大环节的相关参数提供了理论依据。