新型压电高速开关阀仿真研究

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1、2008年第53卷第14期:1737~1741《中国科学》杂志社论文SCIENCEINCHINAPRESS新型压电高速开关阀仿真研究欧阳小平,杨华勇,蒋昊宜,徐兵浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州310027E-mail:ouyangxp@hotmail.com2008-02-22收稿,2008-05-14接受国家重点基础研究发展计划(编号:2007CB714004)和浙江省钱江人才计划(编号:2007R10024)资助项目摘要利用压电晶体高频响、高输出力的特性,提出一种新型压电开关阀结构,

2、解决了压电晶体关键词输出位移小、温度效应的影响.建立PZT高速开关阀的数学模型并进行仿真分析;仿真结果表明,压电高速PZT执行器能够高频响地控制油液的切换,并能同时输出高压大流量油液;PZT阀的输出压力达开关阀到20MPa、流量达到10L/min,响应频率达到200Hz.仿真高速开关阀(又称数字阀)作为一种新型电液控(smartmaterial)(包括压电晶体、超磁致伸缩材料等)制技术,对传统的比例/伺服控制技术提出了挑战.应用到液压元件与系统当中,利用智能材料的高频它可以实现高精度的液压伺服控制,

3、具有体积小、控响、高能量密度、体积小、结构紧凑等优点,来提高制灵活、可靠性高、抗污染能力强和价格低廉等优点,[3]液压产品的性能和竞争力.压电晶体(PZT)执行器可以替代成本高、抗污染性差的液压伺服阀,适合冶是近年来快速发展起来的一种新型微位移驱动器件,[1]金、煤炭、工程机械等恶劣环境下使用.与超磁致伸缩材料和电磁驱动器相比较,压电晶体高速开关阀以提高响应频率来实现精确控制.具有响应快(频率可达GHz)、输出力大(可达kN)、功减小阀芯质量和液动力可以提高响应频率,但是提耗低(电流为mA级)、价格

4、低等优点.因此利用压电晶高开关阀响应频率主要依靠增加驱动器作用力及缩体的特性,研究新型高速开关阀——压电晶体高速开小响应时间.高速开关阀的驱动器主要是高磁力电关阀,将推动液压技术的革新[4,5].磁铁,由于高电磁力电磁铁安匝数较多、结构复杂,尽管压电晶体驱动器能够大幅度提高开关阀的受安装空间、运动惯性等因素影响,进一步提高电磁响应速度,但是由于输出位移只约占其长度的0.1%,[1]阀的响应能力遇到了限制.此外,由于开关阀受开通常为几十微米,而液压阀阀芯位移都在几百微米关时间的限制,阀芯行程不能太大,

5、因此其额定流量以上;因此,解决压电晶体驱动器位移放大的问题,受到限制.在相同驱动力下,增加阀的额定流量,将是利用好压电晶体材料的关键.目前国际上主要采降低开关阀的响应速度.同时随着高速阀工作压力用杠杆位移放大、三角位移放大、液压放大、柔性铰的增加,导致阀芯液动力增加,也将降低开关阀的响[6]链等方法来放大压电晶体的微位移.上述方法在放[1]应速度.因此,高速开关阀存在高频响与高压、大大压电晶体位移的同时,也使其输出力缩小了相同流量之间的矛盾.目前国内外研制的高速电磁开关的倍数;此外,由于放大机构内部

6、的相互耦合作用,阀很难同时达到响应频率为200Hz、工作压力20降低了压电晶体驱动器的响应频率和控制精度,目MPa、流量为10L/min.因此,解决高速响应与高压、前国际上还没能有效地解决压电晶体的位移放大问大流量之间的矛盾是提高数字阀性能的关键;寻求题,因此压电晶体数字阀的流量都很小.新型驱动器,提高直动型高速开关阀的响应能力是解决该问题的一个重要途径[2].1新型压电阀原理液压技术的一个重要发展方向是将智能材料本文利用压电晶体高频响、高输出力特性提出一www.scichina.comcsb.sc

7、ichina.com17372008年7月第53卷第14期种新型数字阀结构,见图1.阀芯在打开或关闭瞬间,高频响、高压、大流量间的矛盾.作用在阀芯上的运动阻力(包括液动力和液压力)最2数学模型[7]大;随着阀芯位移的增加,阀芯两端压力迅速建立,压电阀的下列数学模型可由图1得到.阀芯运动阻力迅速降低,见图2.本数字阀采用3个2.1打开过程压电晶体执行器来分别打开和关闭阀芯.工作原理如下:①打开阀芯:两个压电执行器1并列对称布忽略机械摩擦和油液摩擦,当压电执行器1得电置,得电后输出3kN以上的瞬时力2F

8、PZT1撞击阀芯,时,PZT阀受力分析见图1,其力学平衡方程为使阀芯加速运动,直至阀芯全部打开;②关闭阀芯:FPZT1−+−+−+=FFFFFFm12fSSr12""x,(1)压电执行器2输出3kN以上的瞬时力撞击阀芯,使阀芯加速运动,并在高压p1的作用下继续运行,直到式中F为压力p产生的力,F=−π()ddp22;F为111112阀芯关闭.该数字阀利用压电晶体瞬时产生的高输4π2出力,推动阀芯在高压下高速运行,阀芯位移可达1压力p2产生的力,F2=dp2;Ff为稳态