智能材料驅(qū)動的高速開關(guān)閥

羅 樟，朱玉川

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

0 引言

高速開關(guān)閥作為一種數(shù)字閥，因其具有抗污染，重復(fù)性好，非線性現(xiàn)象對數(shù)字閥控制系統(tǒng)影響小等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于汽車與航空發(fā)動機(jī)燃油噴射，汽車與飛機(jī)剎車等領(lǐng)域，通常由脈寬調(diào)制(PWM)數(shù)字信號驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)PWM信號占空比輸出離散化流量[1]。目前,市場上的高速開關(guān)閥多采用電磁鐵作為其電-機(jī)轉(zhuǎn)換器，其工作頻率通常低于50 Hz。與電磁式高速開關(guān)閥相比，將智能材料應(yīng)用在高速開關(guān)閥上，可以提高其頻響與流量輸出精度，如文獻(xiàn)[2-3]中的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器分別利用壓電疊堆和超磁致伸縮材料驅(qū)動，其工作頻寬大于400 Hz，響應(yīng)時間小于1 ms。

應(yīng)用于高速開關(guān)閥驅(qū)動的智能材料主要包括磁致伸縮材料、壓電疊堆、磁流變液及形狀記憶合金等，這些材料在外界的激勵下其形狀或狀態(tài)會發(fā)生快速改變，利用智能材料的這種特性可以將其作為高速開關(guān)閥的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器。

1 智能材料及其電-機(jī)轉(zhuǎn)換器

壓電材料在施加一定的電壓時會發(fā)生形變。可以利用壓電材料作為液壓控制閥的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器，圖 1為郭亞子等設(shè)計(jì)的基于壓電疊堆的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器原理圖，其結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度小于0.5 ms，頻寬大于600 Hz[2]。但壓電疊堆在高頻方波工作狀態(tài)下，其電極和疊堆間的粘接層易脫落，將導(dǎo)致壓電疊堆擊穿損壞。

圖1 壓電電-機(jī)轉(zhuǎn)換器

磁致伸縮材料在磁場作用下會發(fā)生一定形變，不施加磁場時磁致伸縮材料恢復(fù)原形，具有響應(yīng)快，輸出力大及能量傳輸功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。圖2為楊旭磊等設(shè)計(jì)的基于超磁致伸縮材料的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器，其響應(yīng)時間小于1 ms，在實(shí)驗(yàn)中其頻寬大于400 Hz[3]。與壓電疊堆相比磁致伸縮材料需使用線圈，體積較大，易發(fā)熱。

圖2 磁致伸縮電-機(jī)轉(zhuǎn)換器

形狀記憶合金分為溫控形狀記憶合金和磁控形狀記憶合金，溫控形狀記憶合金在一定的溫度下發(fā)生相變，可以為液壓控制閥提供一定的驅(qū)動力。但是溫度控制難度相對較大，且響應(yīng)時間過大[4]。

磁控形狀記憶合金通過磁場來控制孿晶變異體的重新調(diào)整定向，而使磁控形狀記憶合金宏觀上發(fā)生形變[5]。與溫控形狀記憶合金相比其響應(yīng)速度快，與壓電和磁致伸縮材料相比其應(yīng)變大，且兼?zhèn)淞舜髴?yīng)變和響應(yīng)速度較快的優(yōu)點(diǎn)。但其形變不能自動恢復(fù)需施加外力，且居里溫度相對較低[6]。圖3為Adapta Mat公司的一款磁控形狀記憶合金作動器，其輸出位移為5 mm，工作頻率為300 Hz，但輸出力只有5 N。

圖3 磁控形狀記憶合金作動器

磁流變液在外加磁場的作用下，可以從牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)檎承粤黧w，撤去磁場后可以恢復(fù)為牛頓流體[7-8]。磁流變液高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)較簡單，但系統(tǒng)工作介質(zhì)需替換為磁流變液，目前的磁流變液可控流量較小，且穩(wěn)定性差限制了其應(yīng)用[9]。

由于智能材料本身的特性(如磁致伸縮材料和壓電材料)，其閥芯位移小，導(dǎo)致高速開關(guān)閥可控流量較小，可利用放大裝置放大其輸出位移。

微位移放大裝置按放大方式可分為柔性鉸鏈放大式、壓曲放大式和液壓放大式[10]。柔性鉸鏈放大根據(jù)原理的不同又可分為杠桿放大、三角放大和平行四邊形放大(見圖4)。它具有無機(jī)械摩擦，動作靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[11]，但通常要達(dá)到相應(yīng)的放大倍數(shù)都要做成多級放大，其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易疲勞損壞及帶載能力差等缺點(diǎn)[12]。

圖4 柔性鉸鏈放大

壓曲放大機(jī)構(gòu)利用薄板或薄殼體受壓或受拉變形原理，薄板的初始曲率越小其放大倍數(shù)越高。智能材料有兩種布置方式。布置在中間時如圖 5所示，當(dāng)智能材料伸長或縮短時壓曲放大機(jī)構(gòu)的輸出形式分別為收縮和擴(kuò)張；智能材料布置在兩側(cè)時(見圖6),壓曲放大機(jī)構(gòu)輸出形式與布置在中間時相反[10]。壓曲放大機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，加工精度要求不高的特點(diǎn)。但該放大機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的反力較大，輸出力偏小。

圖5 中間布置式

圖6 兩側(cè)布置式

液壓放大機(jī)構(gòu)是一個密閉的容腔(見圖7)，里面充有液體，驅(qū)動裝置推動液壓放大裝置的大活塞動作，擠壓液壓放大裝置容腔內(nèi)液體，在容腔內(nèi)產(chǎn)生一定的壓力，從而推動液壓放大裝置中的小活塞動作，由于兩活塞面積不同，工作時小活塞的位移大于大活塞的位移，在不考慮腔內(nèi)液體體積壓縮量時，大、小活塞的位移之比與其面積之比成反比；液壓放大機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，承載能力高，放大倍數(shù)為直徑之比的平方，可在一定的體積內(nèi)達(dá)到更大的放大倍數(shù)[13-14]。但是液壓放大裝置存在泄漏、動態(tài)性能較差等問題。

圖7 液壓放大原理圖

2 高速開關(guān)閥基本原理

高速開關(guān)閥的控制信號為數(shù)字信號,它的輸出流量為離散流量[15]，其控制原理圖如圖8所示。高速開關(guān)閥主要由電-機(jī)轉(zhuǎn)換器、閥芯和閥套組成。在工作時由上位機(jī)將控制程序?qū)胂挛粰C(jī)，下位機(jī)產(chǎn)生數(shù)字信號通過控制電源(一般通過繼電器控制電源或通過功率放大器將下位機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號放大)驅(qū)動高速開關(guān)閥電-機(jī)轉(zhuǎn)換器，電-機(jī)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成閥芯的動作，其閥芯始終處于兩端極限位置，故高速開關(guān)閥閥芯通常只有兩位，其中兩位兩通的高速開關(guān)閥最常見。

圖8 高速開關(guān)閥控制原理圖

單個高速開關(guān)閥的控制方式一般有PMW、脈頻調(diào)制(PFM)和脈數(shù)調(diào)制(PNM)等方式，或上述控制方式的復(fù)合控制。高欽和等針對高速開關(guān)閥流量控制存在的死區(qū)和飽和區(qū)的問題，利用PFM和PWM相結(jié)合的控制方式，使其控制流量線性化[16]。為提高高速開關(guān)閥的動態(tài)特性，張斌等在傳統(tǒng)PWM控制的基礎(chǔ)上，提出了三電壓控制，降低了閥芯的開啟時間[17]。

多個不同控制流量高速開關(guān)閥集成的控制方式為脈碼調(diào)制(PCM)。2015年,Matti Linjama設(shè)計(jì)了數(shù)字式液壓閥系統(tǒng)(DVS)將4組126個高速開關(guān)閥集成在一個油路塊中，油路塊采用PCM控制方式(見圖9)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CETOP3伺服閥或比例閥[18]。

圖9 DVS油路塊

3 智能材料驅(qū)動高速開關(guān)閥

3.1 磁致伸縮高速開關(guān)閥

Hirohisa等提出了一種超磁致伸縮材料(GMM)驅(qū)動的共軌比例噴油器，利用3對長度為30 mm、直徑為3.5 mm的磁致伸縮棒以間隔120°的角度均勻布置，以保證輸出桿穩(wěn)定，并且兩組棒狀結(jié)構(gòu)在套筒中串聯(lián)耦合，這種結(jié)構(gòu)可以在一定軸向尺寸下獲得更大的位移，但該結(jié)構(gòu)增大了閥的徑向尺寸。GMM棒在套筒中的排布關(guān)系如圖 10所示。該噴油器中的高速開關(guān)閥閥芯最大開口為50 μm，開啟時間和關(guān)閉時間分別為0.3 ms和0.5 ms，在160 MPa供油壓力下流量為1.8 L/min[19]。

圖10 GMM棒在套筒中的排布關(guān)系

石延平等提出了一種大流量高速開關(guān)閥，該閥采用二級控制，其中先導(dǎo)閥(見圖11)利用兩個磁致伸縮棒，通過杠桿放大機(jī)構(gòu)分別驅(qū)動閥芯和閥套，從而增大閥的通油面積，為便于裝配，活動閥套設(shè)計(jì)為分體式。該閥的切換時間為1.4～1.8 ms，5 MPa下最大輸出流量為1.24 L/min[20]。

圖11 雙磁致伸縮先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)

2013年,馬孝忠以超磁致伸縮致動器和高速開關(guān)閥為研究對象，設(shè)計(jì)了新型的高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)(見圖 12)，該高速開關(guān)閥采用多通流面閥芯結(jié)構(gòu)，閥芯由超磁致伸縮材料直接驅(qū)動，在閥芯上開有寬為1 mm，深度為閥芯長度的一半且為均勻布置的2個環(huán)形槽，在閥芯均勻布置多個小孔以溝通環(huán)形槽進(jìn)行引流，該結(jié)構(gòu)在相同閥芯位移下提高了通油面積[21]，但該閥閥芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配時由于有多個接觸面，易產(chǎn)生油液泄漏。

圖12 基于GMA的多通流面高速開關(guān)閥

3.2 壓電疊堆高速開關(guān)閥

壓電疊堆高速開關(guān)閥利用壓電疊堆作為電-機(jī)轉(zhuǎn)換器，1991年，橫土真一提出一種利用壓電疊堆材料驅(qū)動兩位三通高速開關(guān)閥作為先導(dǎo)閥，如圖 13所示。該閥閥芯采用錐閥結(jié)構(gòu)，壓電疊堆兩側(cè)布置，一側(cè)有滑動器，可以調(diào)節(jié)閥芯的零位，該閥的響應(yīng)速度很快，開關(guān)時間小于0.1 ms，控制流量的精度較高，但是閥芯位移只有0.015 mm[22]，控制流量較小。

圖13 雙壓電疊堆高速開關(guān)閥

圖14、15為德爾福公司的第三代共軌系統(tǒng)DFI3壓電噴油器。壓電疊堆通過液壓放大機(jī)構(gòu)直接控制噴嘴針閥的運(yùn)動，壓電疊堆通電時通過液壓放大機(jī)構(gòu)使針閥關(guān)閉，斷電時針閥通過高壓燃油的壓力開啟[23-24]。

圖14 DFI3壓電噴油器

圖15 DFI3壓電噴油器原理圖

2010年,許有雄等研究了一種壓電疊堆驅(qū)動的兩位三通高速開關(guān)閥,如圖16所示。該閥采用杠桿放大原理對壓電疊堆位移進(jìn)行放大，閥芯設(shè)計(jì)為擋板式結(jié)構(gòu)，與彈性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)做成一體。工作時由壓電疊堆通過彈性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)帶動擋板運(yùn)動，在150 V輸入電壓下閥芯位移為47 μm，壓電疊堆位移為11.2 μm，其開啟時間約為0.57 ms,關(guān)閉時間約為0.3 ms,其調(diào)制頻率達(dá)1 kHz，0.5 MPa時空載流量為19.7 L/min[25]，但是該結(jié)構(gòu)的擋板打開時需克服靜壓力，不適合在較大供油壓力下工作。

圖16 壓電擋板式開關(guān)閥

3.3 形狀記憶合金高速開關(guān)閥

SophieNalbach等提出一種基于溫控形狀記憶合金(SMA)的高速開關(guān)閥(見圖 17)，形狀記憶合金絲拉動閥芯動作，閥芯靠彈簧復(fù)位。當(dāng)形狀記憶合金絲線徑為0.25 mm時其閥芯最大行程為3.5 mm，在控制電流為4 A時閥芯開口時間小于0.3 s，閥芯最大關(guān)閉時間為0.8 s。但是當(dāng)線徑為0.5 mm時最大關(guān)閉時間達(dá)到2 s[26]。

圖17 SMA高速開關(guān)閥

覃艷金等設(shè)計(jì)了基于磁控形狀記憶合金(MSMA)兩位三通高速開關(guān)閥，原理圖如圖 18所示。由對稱布置的兩個磁控形狀記憶合金電-機(jī)轉(zhuǎn)換器通過差動方式直接驅(qū)動閥芯動作，其中磁控形狀記憶合金的激勵磁場由線圈通電產(chǎn)生[27]。

圖18 磁控形狀記憶合金高速開關(guān)閥

3.4 磁流變高速開關(guān)閥

NORMAN M Wereley教授在混合液壓作動器中使用磁流變液(MR)設(shè)計(jì)高速開關(guān)閥，并利用4個磁流變液高速開關(guān)閥構(gòu)成液壓橋路控制液壓缸運(yùn)動[28]，其結(jié)構(gòu)原理和實(shí)物分別如圖19、20所示。在該狀態(tài)下，Q2和Q4關(guān)閉，Q3和Q1打開，液壓缸向上運(yùn)動。

圖19 混合液壓作動器原理圖

圖20 混合液壓作動器實(shí)物圖

2012年，莫子勇設(shè)計(jì)了一種基于磁流變液的高速開關(guān)閥，采用雙線圈控制(見圖21)，該閥利用磁流變液作為先導(dǎo)閥控制主閥芯運(yùn)動，主閥為二通插裝式錐閥。先導(dǎo)閥通電時，其工作間隙處磁流變液變?yōu)榻乒腆w，此時先導(dǎo)閥關(guān)閉，主閥控制腔油壓與主閥進(jìn)油口油壓相等，在彈簧力作用下，主閥閥芯關(guān)閉。先導(dǎo)閥斷電時，其工作間隙處磁流變液為牛頓流體，先導(dǎo)閥處于打開狀態(tài)，進(jìn)油腔壓力大于控制腔壓力，主閥閥芯打開[29]。

圖21 磁流變液插裝式高速開關(guān)閥

3.5 國內(nèi)外智能材料驅(qū)動的高速開關(guān)閥對比

綜上所述，國內(nèi)、外智能材料驅(qū)動的高速開關(guān)閥部分參數(shù)對比如表1所示。在智能材料驅(qū)動的高速開關(guān)閥方面，國內(nèi)、外都進(jìn)行了大量的研究，國外在1991年就有相關(guān)方面的研究，且取得了一定的成果，壓電疊堆驅(qū)動的高速開關(guān)閥已在汽車的燃油噴射器上使用。國內(nèi)在相關(guān)方面的研究略晚，且大多都處于仿真研究階段，與國外相比還有一定的差距。對于不同智能材料驅(qū)動的高速開關(guān)閥，通過對比可知，利用壓電疊堆驅(qū)動高速開關(guān)閥的響應(yīng)時間最快，磁致伸縮材料次之，溫控形狀記憶合金最慢。

表1 國內(nèi)外智能材料驅(qū)動的高速開關(guān)閥對比

4 總結(jié)與展望

高速開關(guān)閥可利用其高頻特性，即快速的開關(guān)動作而達(dá)到近似連續(xù)的流量或壓力控制效果，由于傳統(tǒng)電磁式的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器存在頻響不高，推力不足等問題，利用智能材料作為電-機(jī)轉(zhuǎn)換器可以提高高速開關(guān)閥的頻響和流量輸出精度。在具體應(yīng)用上，由于壓電和磁致伸縮材料的高頻響，高輸出力和小輸出位移的特性，可以犧牲一部分頻響和輸出力來控制更大的流量，如通過增加閥芯通徑、增加微位移放大裝置或作為先導(dǎo)閥。對于溫控形狀記憶合金，迅速準(zhǔn)確的溫度控制較難，基本上不適合應(yīng)用于高速開關(guān)閥。MSMA的變形率可以滿足高速開關(guān)閥的要求，但輸出力較小，且形變需靠外力才能恢復(fù)，較大的外力可以提高頻響但會降低輸出位移，在高速開關(guān)閥上使用需綜合考慮頻響和輸出位移，還要考慮溫度對MSMA的影響?；贛R設(shè)計(jì)的高速開關(guān)閥無運(yùn)動部件，其結(jié)構(gòu)和加工最簡單，因此閥的成本較低，但使用工作介質(zhì)MR較貴，設(shè)計(jì)時需綜合考慮高速開關(guān)閥和MR的成本。

本文闡述了不同類型的智能材料電-機(jī)轉(zhuǎn)換器性能特點(diǎn)，并分析了各類型智能材料電-機(jī)轉(zhuǎn)換器在高速開關(guān)閥上應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，綜述了國內(nèi)外智能材料驅(qū)動高速開關(guān)閥的研究現(xiàn)狀和特點(diǎn)。