一种压电陶瓷直接驱动伺服阀研究

　　液压流体脉动会影响伺服系统的控制特性[1],还有可能导致管道破裂,引起事故的发生[2]。传统的被动控制法在削减液压流体的高频脉动方面,存在一定优势。在削减低频脉动方面,由于体积大,限制了其在实际中的应用。另外,由于实际液压系统参数及负载的时变性,采用被动控制法有时不但起不到设计效果,反而会加剧系统中流体的压力与流量脉动。液压流体脉动的主动控制由于能自动适应系统参数及负载的变化,对消减系统中的中低频压力与流量脉动效果显著,其中的关键部件是高频脉动发生装置。根据次级脉动源的产生方式不同,文献[3-5]分别设计了不同的脉动发生装置。基于主动溢流原理的主动消振法由于不需额外油源,实现容易[6-7],但所采用的次级脉动发生装置是普通的电液伺服阀,由于频响不高,只能用来抵消低频脉动(低于伺服阀频响),对实际泵源系统的基波及以上谐波无能为力。由于压电陶瓷的高频响特性,设计了基于主动溢流原理的高频脉动发生装置)))压电陶瓷直接驱动伺服阀,并利用AMESim液压仿真软件对其进行了建模与仿真,并对加工后的伺服阀在伺服阀试验台上进行了静态试验。仿真和试验结果表明,所设计的压电陶瓷直接驱动伺服阀满足液压流体脉动主动控制要求。

　　1 压电陶瓷直接驱动伺服阀结构设计

　　在液压流体脉动的主动控制研究中,关键是验证所采用的主动消振原理的可行性。由于所设计的液压流体脉动主动消振试验系统的额定流量较小(<30 L/min),通过实测,在转速1 500 r/min、负载压力15 MPa和节流负载情况下管路系统中的压力脉动幅值低于10%负载压力,基频及二次谐波频率分别为225 Hz和450 Hz,因此,可设计流量较小、频响较高的由压电陶瓷直接驱动的伺服阀作为脉动发生装置,若试验成功,可对所设计的直接驱动伺服阀进行改进以提高伺服阀的频响及额定输出流量。因此,图1为所设计的基于压电陶瓷的直接驱动伺服阀结构图。图2为加工后的样机。

　　与其他压电陶瓷直接驱动伺服阀相比[8-9],该阀采用推挽式结构,由两个完全相同的中空环形压电陶瓷作动器直接驱动阀芯运动,电感式位移传感器穿过压电陶瓷堆,其动杆通过螺纹连接固定在阀芯推杆上检测阀芯位移,传感器壳体通过螺钉固定在压电陶瓷作动器上,阀芯中位通过调节螺钉进行调节。该阀采用闭环控制,结构紧凑,克服了一端采用压电陶瓷,另一端采用复位弹簧对伺服阀频宽及阀芯位移的影响,也克服了采用位移放大机构所带来的阀芯驱动力的降低。若驱动电源功率允许、内阻足够小,在不考虑压电陶瓷过热及阀芯所受惯性力、液动力及摩擦力等情况下,该阀的响应频率可达到压电陶瓷的谐振频率。但实际上以上因素都存在,该阀的工作频率也不能太高。