磁致伸縮棒驅(qū)動的雙向電靜液作動器

王振宇，朱玉川，羅 樟，李宇陽

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

作動器早期被用于飛機、制導(dǎo)武器及汽車主動懸掛技術(shù)等領(lǐng)域，并逐步向高集成度方向發(fā)展。智能材料驅(qū)動的電靜液作動器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊及輸出力大等特點，已被國內(nèi)、外學(xué)者廣泛研究[1-3]，其結(jié)構(gòu)和功能組成中，智能材料驅(qū)動泵配流和作動器換向是智能材料作動器兩個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和主要功能，并直接決定作動器的性能，國內(nèi)、外現(xiàn)有研究中，配流閥主要分成被動式和主動式配流閥兩類，而被動式配流閥又以膜片閥應(yīng)用最廣，主動式配流閥則以開關(guān)閥、磁流變或電流變閥為主；換向閥則以電磁換向閥最常用。

楊旭磊等[4]利用膜片閥作為配流閥，設(shè)計了一種單向運動型超磁致伸縮電靜液作動器，并對其輸出性能進行了測試，實驗測得作動器最佳驅(qū)動頻率為250 Hz，最大無負載流量為0.85 L/min。GUO Y Z等利用膜片閥作為配流閥，設(shè)計了一種單向壓電疊堆驅(qū)動的電靜液作動器[5]，實驗測得其最佳驅(qū)動頻率為275 Hz，最大無負載流量約1.6 L/min、Wereley等[6]利用膜片閥作為配流閥研制了一種單向運動型超磁致伸縮作動器，分析了不同長度(51 mm和102 mm)的超磁致伸縮棒對作動器性能的影響，實驗得到作動器最大無負載流量分別為24.8 cm3/s、22.7 cm3/s。Nam Seo Goo[7]同樣利用膜片閥作為配流閥，設(shè)計了一種單向壓電作動器，并測試了其輸出功率，結(jié)果表明，其最大輸出力為346 N，在250 Hz，1 000 V的驅(qū)動電壓下最大輸出功率為8.74 W。Chopra等[8]設(shè)計了一種雙向壓電作動器，利用膜片閥及一個兩位三通換向閥分別實現(xiàn)了作動器的配流及換向。Anderson等[9]設(shè)計了一種大行程、大輸出功率的雙向壓電作動器，其配流作用采用4個開關(guān)閥實現(xiàn)，并通過控制4個開關(guān)閥的開閉順序?qū)崿F(xiàn)了作動器的雙向運動。Han等[10]同樣設(shè)計了一種雙向壓電作動器，并研究了其輸出性能，實驗中采用膜片閥作為配流閥，且利用電磁換向閥使作動器實現(xiàn)換向，在驅(qū)動頻率為185 Hz，偏壓為2 MPa時，作動器阻斷力可達970.2 N。Wereley等[11]設(shè)計了一種雙向磁流變液作動器，其配流作用采用4個磁流變液閥實現(xiàn)，并通過主動控制4個磁流變液閥的通電順序?qū)崿F(xiàn)了作動器的雙向運動。

綜上所述，目前研究多采用膜片閥作為配流閥，但由于膜片自身的慣量以及高速配流時油液的附屬質(zhì)量作用，使得作動器驅(qū)動泵活塞在高頻運動時膜片閥響應(yīng)滯后及閥口出現(xiàn)一定的回流現(xiàn)象[12]，限制了作動器的流量提升，且利用電磁換向閥進行換向也增加了作動器元件和復(fù)雜性，不利于作動器的集成化。

因此，本文設(shè)計了一種新型磁致伸縮電靜液作動器，其核心是提出了一種新型主動式配流換向一體式配流閥，即采用一種閥芯周向開有均布溝槽的轉(zhuǎn)閥主動旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)配流，通過轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動與智能材料驅(qū)動信號相位差的控制實現(xiàn)作動器換向與流量伺服調(diào)節(jié)，與被動式膜片閥相比，其具有配流精度高，響應(yīng)快；與電磁換向閥相比，其具有結(jié)構(gòu)簡化、流量連續(xù)可控的優(yōu)點。

1 作動器工作原理及結(jié)構(gòu)

磁致伸縮電靜液作動器(MEHA)的工作過程可分為壓縮、排油、回擴、吸油4個過程，如圖1所示。通過磁致伸縮泵的往復(fù)運動及單向閥的配流作用，可使作動器輸出直線位移。

圖1 作動器的4個工作階段示意圖

若采用主動配流閥作為單向閥，則MEHA的工作原理如圖2所示。由圖可看出，主動配流閥的軸肩上開有均布溝槽，并由外部電機帶動閥芯進行旋轉(zhuǎn)，當槽口與油口連通時，即表示單向閥的開啟狀態(tài)，磁致伸縮泵即可實現(xiàn)排油或吸油的工作階段。

圖2 MEHA工作原理示意圖

2 主動配流閥通流面積模型

實驗中取主動配流閥的溝槽數(shù)為6，因此在閥芯每旋轉(zhuǎn)60°時，磁致伸縮泵進行一次吸排油過程，其中吸油和排油過程各需旋轉(zhuǎn)30°。由流量計算式可知，MEHA的輸出流量與主動配流閥的槽口面積相關(guān)，因此，需要對主動配流閥的通流面積進行數(shù)學(xué)模型的建立[13]，圖3為主動配流閥的通流面積示意圖。

圖3 主動配流閥通流面積示意圖

由圖3可看出，通流面積S1隨閥芯旋轉(zhuǎn)呈先增大后減小趨勢，而通流面積S2一直保持不變。由此建立通流面積為

(1)

(2)

式中：r為油口半徑；R為軸肩半徑；α0=15°為主動配流閥的旋轉(zhuǎn)角度；hg為溝槽深度。

由此得到主動配流閥的輸出流量為

(3)

(4)

式中：Qin為主動配流閥的輸入流量；Qout為主動配流閥的輸出流量；pch為泵腔內(nèi)的壓力；pfh為高壓側(cè)油液壓力；pfl為低壓側(cè)油液壓力；Cd為流量系數(shù)；S為主動配流閥通流面積；ρ為油液密度。其中的符號函數(shù)表示此等式考慮了油液的回流現(xiàn)象。

3 仿真模型及分析

通過對MEHA工作原理的分析，建立作動器系統(tǒng)Simulink仿真模型如圖4所示。

圖4 作動器系統(tǒng)仿真模型

改變驅(qū)動電流的相位角，得到不同驅(qū)動頻率下，相位角與作動器輸出流量的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 作動器輸出流量隨輸入相位角的變化

由圖5可看出，隨著驅(qū)動電流相位角的增大，作動器輸出流量呈正弦規(guī)律變化，且在一定頻率范圍內(nèi)，輸出流量隨驅(qū)動頻率的增加而增大。其中輸出流量為負值表示作動器沿反向運動，因此，改變驅(qū)動電流的相位角可實現(xiàn)作動器不同流量的輸出，并可實現(xiàn)作動器正反向運動。

4 實驗驗證

搭建的MEHA測試平臺原理圖如圖6所示。在驅(qū)動頻率為50 Hz，驅(qū)動電流為6 A時，對不同相位角下的作動器輸出位移進行測試，如圖7所示。

圖6 MEHA測試平臺原理圖

圖7 不同相位角下，作動器輸出位移曲線

由圖7可看出，在驅(qū)動電流的相位角為10°和-30°時，作動器沿正向運動，當其相位角改變?yōu)?90°和150°時，作動器沿反向運動，即通過改變主動配流閥通流面積與磁致伸縮棒驅(qū)動電流的相位角，實現(xiàn)了作動器的雙向運動。因此與已有的磁致伸縮電靜液作動器相比，本文設(shè)計的作動器不需使用電磁換向閥即可實現(xiàn)作動器的雙向運動，使得作動器結(jié)構(gòu)更緊湊，更易實現(xiàn)作動器的換向。

在不同偏壓下，驅(qū)動電流的頻率與作動器的輸出流量關(guān)系曲線如圖8所示。由圖可看出，在一定頻率范圍內(nèi)，作動器的輸出流量隨著驅(qū)動頻率的增加而增加，但超過最佳驅(qū)動頻率后，由于系統(tǒng)共振，使得磁致伸縮棒的位移減小，因此輸出流量減小。

圖8 作動器輸出流量隨驅(qū)動頻率的變化

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種磁致伸縮電靜液作動器，并提出了一種新型主動配流與換向一體式的配流換向閥，利用開有均布溝槽的閥芯主動旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)了作動器的配流，并通過控制主動轉(zhuǎn)閥的通流面積與磁致伸縮棒驅(qū)動電流的相位差以實現(xiàn)作動器的換向及輸出流量的伺服控制，從而避免使用電磁換向閥實現(xiàn)換向?qū)е碌慕Y(jié)構(gòu)體積增大和換向頻率的限制，簡化了作動器系統(tǒng)，使其結(jié)構(gòu)更緊湊。由此可得結(jié)論：

1) 由于主動配流閥閥芯圓周方向上開有均布溝槽，因此，可通過旋轉(zhuǎn)主動配流閥的閥芯實現(xiàn)磁致伸縮泵油口與油路的通斷，從而實現(xiàn)驅(qū)動泵的配流作用，并可避免膜片閥的響應(yīng)滯后與回流現(xiàn)象，提高作動器高頻配流的流量輸出性能。

2) 由實驗和仿真對比結(jié)果看出，改變主動配流閥通流面積與磁致伸縮棒驅(qū)動電流的相位差可實現(xiàn)作動器的正反向運動，且相位差與作動器輸出流量具有線性比例關(guān)系。

3) 對作動器系統(tǒng)進行輸出性能測試，得到了系統(tǒng)的最佳驅(qū)動頻率為120 Hz，在0.6 MPa的系統(tǒng)偏壓下，作動器最大無負載流量為1.28 L/min。