压电驱动式高频电液伺服阀实验研究

　　高频电液伺服系统的发展趋势是向着1000Hz以上工作频率方向发展,以适应新产品开发中的振动环境试验、材料疲劳试验以及需要高速伺服控制的场合^[1].电液伺服系统工作频率的高低主要取决于伺服阀频宽的高低,因此提高伺服阀频宽一直是研究的热点.采用压电材料构成的压电驱动器作为伺服阀的前置驱动级可以提高伺服阀的频响^[2~4].提高伺服阀频响与提高伺服阀的流量特性之间存在矛盾,而流量特性是制约电液伺服阀应用的一个主要因素,因此在保证一定频宽的同时要有较好的流量特性.采用大行程压电叠堆,并采用杠杆机构对其位移进行放大,保证足够的流量输出;通过对杠杆放大机构以及弹性回复机构的动态优化设计,采用动态特性良好压电叠堆专用驱动电源,优化控制算法等措施保证其具有良好的动态特性.

　　1 结构与原理

　　传统电液伺服阀通常是带有液压放大先导级的二级伺服阀,如图1(a)所示.小功率电信号驱动力矩马达使挡板位置发生改变,可变节流口面积随之变化,在滑阀两端面形成压力差,以较大的功率推动功率级滑阀.滑阀阀芯的移动控制工作油口的液流输出,与液压执行装置连接便实现了对执行元件位置、速度等量的伺服控制.图1(b)中用压电叠堆代替液压放大先导级,直接驱动滑阀.通过控制阀芯的位置来改变节流口的大小,以满足阀输出口规定的压力或者流量的输出,进而驱动液压执行元件.

　　传统的电磁马达由于受到磁滞以及机械惯性的影响,响应速度很难进一步提高.电磁马达的输出力较小,使直接驱动滑阀有一定困难,并且采用电磁马达驱动的单级阀频宽一般小于100Hz^[5].而二级伺服阀先导级通过液压控制方式将小功率电信号进行放大,其响应时间限制了整个液压系统的频宽.为了克服这种限制,采用单级阀是一种解决问题的途径^[2].这就需要一种有足够的位移和力输出的电-机械转换装置,另外必须有足够的响应速度.

　　压电材料具有高能密度,用压电驱动器代替电磁马达使进一步提高直动式伺服阀的响应速度成为可能.采用压电叠堆直接驱动功率级滑阀,使阀的结构大为简化,提高了阀的动态响应和位移分辨率,改善了喷嘴挡板阀必须反馈二级滑阀的位置才能达到稳定的缺点,提高了阀的工作可靠性.采用阀芯内置的方式,即将阀芯置于杠杆放大机构的位移输出端与弹性回复机构之间,实现了单个压电叠堆对阀芯的双向控制,其结构如图2所示.

　　当施加到压电叠堆上的外加电压增加时,压电叠堆4伸长,推动柔性铰链放大杠杆7的位移输入端.杠杆7绕杠杆支点8转动,放大后的位移由杠杆的输出端传递至滑阀阀芯,再推动弹性回复板2实现滑阀的左移;当外加电压减小时,压电叠堆4缩短,在弹性回复板2的回复力的作用下,滑阀右移,从而实现了滑阀5的双向运动.由于在安装调试过程以及应用的过程中滑阀需要调中,因此在压电叠堆的左端采用零位调整装置3.该装置采用楔块预紧方式,通过改变楔面夹角来改变微调比率,以期达到精细调整滑阀零位的目的.预紧力调整装置1可以调整弹性回复板与滑阀左端的间距,以调整二者间的作用力.柔性铰链放大杠杆与滑阀之间的钢球6的作用是减小滑阀受到的径向力,以减小滑阀与阀套间的摩擦.