GMM在機(jī)械電子工程中的運(yùn)用

姜玉東

摘要：超磁致伸縮材料的簡稱為GMM，其是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電—磁—機(jī)械能轉(zhuǎn)化的新型材料，基于GMM伸縮性能的優(yōu)勢，逐漸被軍事、航天以及機(jī)械工程等行業(yè)采用，尤其是當(dāng)前的機(jī)械電子工程領(lǐng)域，采用GMM這種材料能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)研發(fā)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步提升。文章首先闡述了GMM的優(yōu)勢性能特點(diǎn)，其次對GMM在機(jī)械電子工程中的實(shí)際應(yīng)用展開了探討。

關(guān)鍵詞：GMM；機(jī)械電子工程；超磁致伸縮材料；液壓泵；超精密機(jī)床；液壓控制閥 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH703 文章編號(hào)：1009-2374（2015）31-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.030

GMM這一新型材料誕生于20世紀(jì)70年代，是由美國海軍武器中心所研發(fā)出來的，目前美國、日本以及瑞典等國在這一技術(shù)的應(yīng)用上處于領(lǐng)先地位，我國當(dāng)前也能夠?qū)崿F(xiàn)小批量的生產(chǎn)。因GMM本身所具備的優(yōu)勢性能使其從誕生起就成為相關(guān)領(lǐng)域所關(guān)注的焦點(diǎn)，進(jìn)而逐漸被應(yīng)用在包括機(jī)械電子工程等在內(nèi)的很多領(lǐng)域中。本文針對當(dāng)前GMM在機(jī)械電子工程中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了研究與探討，試圖在分析GMM應(yīng)用于這一領(lǐng)域優(yōu)勢作用的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)GMM在國內(nèi)的推廣提供參考。

1 GMM的性能特點(diǎn)概述

與傳統(tǒng)的伸縮材料相比，GMM所具有的優(yōu)勢性能特點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面：與Ni、Co、PZT相比，GMM在溫室下的伸縮應(yīng)變能力更強(qiáng)、能量密度高、相應(yīng)速度快、輸出力大，并且GMM的磁機(jī)耦合系數(shù)很大，進(jìn)而能夠?qū)㈦姶拍苎杆俚剞D(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)GMM不僅功率大，還相對很穩(wěn)定，此外，GMM的聲速很低。GMM在室溫下的伸縮應(yīng)變能力大約是Ni的50倍左右，而是PZT的至少6倍以上，在密度上是前者的500倍、后者的20倍以上，在相應(yīng)速度上，GMM只需要以毫秒計(jì)量，在輸出力上能夠達(dá)到近800N。GMM的穩(wěn)定性表現(xiàn)在其能夠高居里點(diǎn)溫度時(shí)伸縮性能暫時(shí)性消失，會(huì)隨著溫度的下降而逐漸恢復(fù)性能，并不會(huì)失去性能。這是因?yàn)镚MM具備了如上的優(yōu)勢性，能使其被很多領(lǐng)域所采用，尤其是在機(jī)械電子工程領(lǐng)域，GMM的應(yīng)用價(jià)值更為凸顯。

2 GMM在機(jī)械電子工程中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 GMM在液壓泵上的應(yīng)用

當(dāng)前，日本等國家已經(jīng)研發(fā)出了基于GMM下的最新型液壓泵，其是在栓塞式液壓泵上采用了GMM來實(shí)現(xiàn)對活塞的直接驅(qū)動(dòng)，并將其制成形如一節(jié)電池樣式的密閉性GMM泵。比如：當(dāng)前日本所研制的GMM泵不僅具備響應(yīng)快的優(yōu)勢，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)對電流量的高精度控制，其流量能夠通過對磁場頻率的改變而改變，這就能夠很好地滿足當(dāng)前對于精密度控制要求高的行業(yè)領(lǐng)域，比如醫(yī)療行業(yè)。

2.2 GMM在超精密機(jī)床加工控制上的應(yīng)用

GMM精密位置控制能夠?yàn)槌軝C(jī)床加工控制提供更好的效果，這是因?yàn)镚MM本身在超精密位置控制上具有無與倫比的優(yōu)勢。當(dāng)前，日本已經(jīng)將GMM轉(zhuǎn)換器應(yīng)用到相應(yīng)設(shè)備的研發(fā)中，并且在應(yīng)用到超精密機(jī)床加工中，能夠?qū)⒕芏瓤刂圃诩{米級(jí)，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)超精密機(jī)床加工的高質(zhì)量控制。而國內(nèi)當(dāng)前在超精密機(jī)床的加工上也將GMM應(yīng)用到了設(shè)計(jì)之中，并對相應(yīng)的控制方法與系統(tǒng)進(jìn)行了跟蹤模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)能夠有效地降低誤差，進(jìn)而滿足設(shè)計(jì)需求。

2.3 GMM在液壓控制閥上的應(yīng)用

以傳統(tǒng)材料為基礎(chǔ)的液壓控制閥在實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化上都是借助電磁鐵等來實(shí)現(xiàn)的，而自GMM誕生以來，相關(guān)研究領(lǐng)域都將液壓控制閥的設(shè)計(jì)方向定位到了對GMM的應(yīng)用，進(jìn)而通過GMM優(yōu)勢性能來實(shí)現(xiàn)電到機(jī)械能的有效轉(zhuǎn)化，以提高液壓系統(tǒng)的整體性能。當(dāng)前瑞典已經(jīng)在這一研究上取得了遙遙領(lǐng)先的進(jìn)展，并申請了相關(guān)產(chǎn)品的專利，以GMM轉(zhuǎn)化器為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)出的直動(dòng)式伺服閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，這一設(shè)計(jì)的優(yōu)勢特點(diǎn)體現(xiàn)為：采用了閉環(huán)控制，并且整體結(jié)構(gòu)十分緊湊，具有高精密度以及高響應(yīng)速度。而國內(nèi)在這一研究上的主要成果來自于浙江大學(xué)，其是以GMM對內(nèi)燃機(jī)等的電磁閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)部分性能的進(jìn)一步提升。

圖1 直動(dòng)式伺服閥

2.4 GMM在蠕動(dòng)機(jī)床上的應(yīng)用

蠕動(dòng)機(jī)床的原理是通過直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，這一裝置能夠被應(yīng)用到機(jī)器人等研究上。當(dāng)前，現(xiàn)有的研究成果中比較有代表性的是J.Emineral等人以GMM和壓電晶體相結(jié)合所設(shè)計(jì)出的諧振型蠕動(dòng)馬達(dá)，而國內(nèi)相關(guān)研究領(lǐng)域基于GMM棒設(shè)計(jì)出了移動(dòng)微位移機(jī)械，這一設(shè)計(jì)不僅在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了簡化，同時(shí)能夠隨著電壓的變化而變化，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向控制。

2.5 GMM在新型電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

當(dāng)前，美國以及瑞典等國家已經(jīng)將GMM應(yīng)用到了相關(guān)的研究領(lǐng)域，其是用GMM或者與GMM相結(jié)合使用的壓電材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直線以及振動(dòng)兩種形式的電動(dòng)機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了相關(guān)產(chǎn)品專利的申請。比如C.Frank等人所設(shè)計(jì)出的振動(dòng)型電動(dòng)機(jī)，采用了兩個(gè)線性驅(qū)動(dòng)器以及一個(gè)圓環(huán)裝置，進(jìn)而依靠圓環(huán)頂部的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，最高轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到100R/s。在直線型電動(dòng)機(jī)的研發(fā)上，J.M.等人設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)模型，并在跟蹤實(shí)驗(yàn)下證明了這一電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢特點(diǎn)，即精密度高且能夠?qū)崿F(xiàn)自制定能力以及雙向運(yùn)動(dòng)。

2.6 GMM在聲納轉(zhuǎn)化器上的應(yīng)用

關(guān)于聲納轉(zhuǎn)換器應(yīng)用GMM的研究起步于20世紀(jì)70年代的美國海軍，當(dāng)前在這一技術(shù)上具有突破性進(jìn)展的主要以英國以及日本等為典型代表，GMM在聲納轉(zhuǎn)化器應(yīng)用上的實(shí)現(xiàn)被進(jìn)一步使用在了航海以及油田探測等領(lǐng)域中。而國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究上取得較大進(jìn)展的是中科院以及北京鋼鐵總院，其將GMM應(yīng)用到聲納轉(zhuǎn)化器上，能夠?qū)⒐舱竦念l率控制在2.3kHz，且發(fā)射電流的靈敏度較高。

2.7 GMM在機(jī)械電子工程其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

當(dāng)前，GMM除了在上述領(lǐng)域中得到的應(yīng)用，還在線性馬達(dá)、聲表面波以及噪音控制等方面實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用研究，同時(shí)已經(jīng)有很多相關(guān)的專利誕生，還有一些研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展或者具有良好的發(fā)展空間與前景。這些領(lǐng)域科研事業(yè)的進(jìn)步程度直接關(guān)系到GMM能否盡快實(shí)現(xiàn)普及性的推廣，進(jìn)而為各行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

綜上所述，GMM這種新型材料的誕生促進(jìn)了整個(gè)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)一步完善，而對于相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域來說，GMM的應(yīng)用能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)效果以及生產(chǎn)效率等的提升提供技術(shù)優(yōu)勢。對于我國來講，我國地大物博，稀土資源富有，進(jìn)而具備了研發(fā)GMM這一新型功能材料的基礎(chǔ)，這就使GMM在國內(nèi)具備了良好的發(fā)展空間與應(yīng)用前景。而如何依靠我國的資源來實(shí)現(xiàn)GMM材料的大規(guī)模生產(chǎn)，并將GMM廣泛地應(yīng)用到相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域中，亟待解決。對于機(jī)械電子工程領(lǐng)域來講，GMM本身的研發(fā)處于起步階段，而要想確保GMM在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用能夠切實(shí)發(fā)揮出自身的優(yōu)勢作用，還有賴于當(dāng)前研發(fā)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)一步進(jìn)展。但是，不可忽略的是當(dāng)前我國在相關(guān)方面的研究成果已經(jīng)為機(jī)械電子工程領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：陳 倩）endprint