高速开关阀压电驱动器性能研究

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1、《机床与液压》20031No13·213·高速开关阀压电驱动器的性能研究12金国庆,方昌林(江苏大学,江苏镇江212013)摘要:压电式高速开关阀相对广泛应用的电磁铁式高速开关阀具有响应更快的特点,但其可靠性一直是使其不能广泛应用的重要因素。本文讨论分析了高速开关阀关键部件-压电驱动器的可靠性问题,从压电陶瓷的电疲劳,驱动器本身设计,到高速开关阀的驱动电源,从内到外地分析了影响驱动器的可靠性问题,并提出了相应解决办法。关键字:可靠性;电疲劳;粘结;驱动电源中图分类号:TH137·52;TN384　　文献标识码:A　

2、　文章编号:1001-3881(2003)3-213-30　前言交变电场作用下,经几周后,其电滞回线从矩形变成高速开关阀由于其具有响应速度快,抗污染能力螺旋桨叶形,Pr和Ps都有明显降低,Merz和Ander2强、与电子电路配合好等特点而被广泛应用于汽车以son在单晶BaTiO3中也观察到类似的现象。压电陶瓷及各种各样的液压系统中。驱动器是高速开关阀中的在大交变电场循环作用下,其内部畴壁运动,引起大关键性部件,对驱动器的研究,也就理所当然成为国位移,同时材料内部结构、电场和机械应力分布等发内外专家学者追逐的热点。目

3、前高速开关阀驱动器有生改变,影响压电陶瓷电性能。TakennobuSAKAI发现8多种形式,主要包括:电磁铁式、力矩马达式和压电PZT陶瓷在10次循环后,机电耦合系数kp从初始约T晶体式。虽然电磁铁式高速开关阀目前应用最为广0.65下降至0.5,但是相对介电常数ε33/ε0变化不泛,但要产生较大的吸力需要较大的安匝数,容易导4大。A.Levstik报道PLZT陶瓷在2×10次循环后,[1]致电磁阀发热,结构复杂,体积较大,而且电场下Pr、复介电常数ε33、复压电常数d33及机电耦合系数电磁阀的回滞等因素影响,电磁阀

4、的响应速度难以进K31开始下降,EC只有少许变化;而复弹性柔顺系数一步提高;力矩马达式开关阀虽然响应速度较高,但s11、电致伸缩系数Q12、电品质因数Qe、机械品质因结构复杂,加工困难;压电晶体式开关阀具有响应速数Qm和机电品质因数Qme与循环次数无关。实验观度极快,功耗少,体积小等特点而被广泛研究,在国察还表明,在电疲劳试样中,常有分散的微裂纹存外已经大量用于柴油机电控燃油喷射系统。多层压电[2]在。驱动器因驱动电压低,能量密度高,响应速度块,使(2)压电陶瓷电疲劳影响因素用寿命长,而在实际中应用广泛。对于影响压

5、电陶瓷电疲劳的因素,国内外多有研由于众所周知的压电材料在驱动电场下的非线究,但是也得出了不少相互矛盾的结论,综合以往的性,驱动器的可靠性就显得极为重要。本文首先从驱研究结果,认为以下因素对压电陶瓷的电疲劳有影动器的微观结构出发,讨论分析了压电陶瓷的电疲劳响。特性,以及影响压电陶瓷电疲劳的各种因素,再从驱①电场强度E。电场强度是影响压电陶瓷电疲劳动器装置本身设计的可靠性、驱动器与金属体的粘结的关键因素。一般认为,当EEc时,电疲劳明

6、显,电性能下降的因素,并提出了一些应采取的措施。很快。测试了PMN-PZT压电陶瓷(Ec=11.0kV/1　压电陶瓷电疲劳cm)在不同电场强度下的电疲劳曲线,当E=3.0kV在柴油机燃油喷射系统、减振系统以及其它液压时,试样经109次循环电性能下降不明显;而当E=系统中,高速开关阀压电陶瓷驱动器往往要求在大应16.0kV时,试样的电性能在106次循环后明显下降。变和循环交变电场下工作,而压电陶瓷易出现电疲近年来的研究表明,电场对陶瓷体内裂纹扩展有显著劳,电性能下降,影响驱动器正常工作。以往的研究影响。Cao和Eva

7、ns用V氏压痕技术在压电陶瓷上预证明,压电陶瓷的电疲劳是不可避免的,而且成为压制裂纹,并研究了循环电场对微裂纹扩展的影响,发电陶瓷驱动器应用的主要障碍,也是驱动器可靠性和现当E≥1.1EC时,裂纹持续扩展,随后达到稳定扩耐久性设计的首要考虑因素。展状态;而当E<0.9Ec时,裂纹仅有少量扩展(约(1)压电陶瓷电疲劳现象50μm)。但最近Ting等提出不同观点,认为即使在E压电陶瓷的电疲劳是指在交变电场循环作用下,

8、促使裂纹扩展。化强度Pr和饱和极化强度Ps下降,通常伴随矫顽电②疲劳电源。Merz和Anderson报道了正弦波和脉场Ec的增大。McQuarries报道了BaTiO3陶瓷在60Hz冲波电源对于BaTiO3单晶的疲劳特性有影响。而Tay2·214·《机床与液压》20031No13lor则发现当交变电场波形从正弦波变成脉冲波时,Pb设备的设计极大的影响耐用性和