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液壓伺服系統(tǒng)的響應性能主要取決于控制閥的響應速度。提高控制閥的響應一直是人們努力追求的目標。近年來，國外利用某些晶體材料的壓電效應來研制高響應電液閥，并取得一些進展。本文就這方面情況做些介紹。
1??壓電執(zhí)行器
(1)?壓電材料的特性
壓電材料是一種晶體材料。其特點是當其受外力而產(chǎn)生變形時，會由于內(nèi)部極化而在表面上產(chǎn)生電荷，日常的煤氣灶點火裝置就是利用了這個原理。反過來，如果在壓電材料的極化方向上施加一定強度的電場，則會引起材料的機械變形。去掉電場后又能恢復到原狀態(tài)。壓電驅(qū)動式電液閥就是利用了壓電材料的這個特性(稱為電致伸縮效應或逆壓電效應)。
用于制造電液控制閥的壓電材料可分為兩大類：一類為壓電陶瓷，其中以PZT(Pb(Zr,Ti)Q3)系列最為常見，特點是導電率低，允許工作溫度條件好(＜120～200℃)，常被用于數(shù)字閥的高速開、關驅(qū)動；另一類是電壓變材料，較常見的如PMN(Pb(Mg,Nb)O3)，其特點是材料變形與所受電壓的二次方成比例，且滯環(huán)較小，用于滑閥的比例、伺服驅(qū)動。
(2)?壓電執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)
一般壓電材料的應變?yōu)?0-3左右。因此，如果直接利用一個高為20mm的壓電晶體的應變，其變形僅為20μm，相對于實際液壓閥所要求的閥芯位移來說太小。因此，需要將其應變放大，目前常采用如下幾種措施。
①多層晶片型。如果采用單層較厚的晶片來產(chǎn)生所需的應變(變形)，將要求在晶片兩極施加很高的電壓(如1000V以上)。而多層晶片型是將單個晶片做得很薄，然后各片分別加電壓，最后疊加起來。如圖1所示，這樣便可以利用較小的電壓(一般在150V以下)獲得較大的疊加變形。
圖1??多層晶片型壓電執(zhí)行器
②雙晶片型。雙晶片型的基本結(jié)構(gòu)是將兩塊長度方向伸縮變形的壓電晶片粘貼在一塊彈性板上，通電壓后，兩塊晶片一塊伸長，另一塊縮短，從而造成整體的彎曲(見圖2)。這種型式制作比較容易，變位擴大率也較高(變位可達數(shù)百μm)，是一種較常用的型式。缺點是因為利用的是彎曲變形，響應速度較慢，產(chǎn)生的力也不大。
圖2??雙晶片型壓電執(zhí)行器
③杠桿放大型。這是一種最簡單原始的方案。如圖3所示，其原理是通過一個杠桿將一壓電晶體的變形予以放大。當然，由于杠桿支點變形的影響，杠桿端點的位移不會象看上去的那么大。另一方面，利用壓電晶體制造液控閥的一個目的是體積小型化，而杠桿放大型顯然會導致結(jié)構(gòu)尺寸大，是一個不利因素。其它還有一些變形放大方法，由于應用較少，本文未予一一列舉。
圖3??杠桿放大型壓電執(zhí)行器
2??幾則利用壓電材料開發(fā)高響應液控閥的研究實例
(1)利用雙晶片型壓電材料的高響應伺服閥
圖4為一種利用PMN雙晶片型壓電材料驅(qū)動的伺服閥。在該閥中，噴嘴擋板本身是雙晶片型壓電材料，通過給其施加不同的電壓而產(chǎn)生相應的變形，被控制的滑閥是普通的伺服閥閥芯。此外，該閥中的檔板不再與滑閥相連結(jié)而起反饋彈簧作用，而是在閥上另設位移傳感器進行反饋。據(jù)報道［1］，對一個4mm直徑的滑閥進行控制，閥的頻響可達1kHz以上。
1、雙晶片型壓電材料檔板 2、噴嘴口
3、滑閥???4、固定節(jié)流口 5、滑閥位置傳感器
圖4??利用雙晶片型壓電材料的高響應伺服閥
(2)?利用雙晶片型壓電材料的高速開關閥
日本名古屋大學利用PZT雙晶片型壓電材料，研制了一種響應頻率較高流量較大的高速開關閥，圖5為其工作原理圖［2］。如圖所示，該閥通過控制一塊雙晶片型壓電材料檔板來關閉或打開不同的噴嘴以驅(qū)動一個錐閥運動。實際結(jié)果表明，該閥響應頻率可達200Hz，在20MPa系統(tǒng)油壓時輸出流量達9.24L/min。其最大響應頻率為同規(guī)格普通高速開關電磁閥最大響應頻率的2倍。
圖5??利用雙晶片型壓電材料的高速開關閥
(3)多層晶片+杠桿式放大機構(gòu)的高速響應伺服閥
圖6所示的伺服閥芯兩端分別與PMN多層晶片+杠桿式放大的驅(qū)動裝置相聯(lián)，兩組驅(qū)動裝置一推一拉驅(qū)動一個直徑5mm的閥芯運動。閥中設有位置傳感器檢測閥芯運動速度，并將這信號反饋到控制系統(tǒng)中，對閥芯運動進行控制，閥的頻響可達1.3kHz。
圖6??多層晶片+杠桿放大機構(gòu)的高速響應伺服閥
(4)?直接利用多層晶片的超高速開關閥
圖7中，利用兩組多層晶片壓電材料推動一個錐閥閥芯，構(gòu)成一個二位三通數(shù)字(開關閥)［3］。對于單組多層晶片，施加100V電壓時，在無負載情況下，可產(chǎn)生15μm位移，推動力850N。此例中，錐閥的閥芯直徑為20.2mm，受壓面積2.5×10-4m2，質(zhì)量0.012kg。實例表明，在0～100V電壓驅(qū)動下，閥的開關切換時間總計不超過70μs?？筛?kHz的方波信號(普通高速開關閥的開關切換時間為50ms左右，可跟蹤100Hz左右的方波信號)。文獻［3］中，還將兩個這樣的超高速開關閥去控制一滑閥構(gòu)成一個數(shù)字式伺服閥，滑閥質(zhì)量0.009kg，受壓面積5×10-5?m2，在系統(tǒng)壓力170MPa時可追蹤890Hz的方波(滑閥行程在0.5～1mm)，并可獲得較大的流量。
圖7??利用多層晶片驅(qū)動的超高速開關閥
3??結(jié)束語
人們對于壓電效應的了解和應用已有了相當長的歷史。壓電晶體元素具有響應速度快的特點。特別是近年來隨著制造技術的提高而帶來的晶片積層化(多層晶片型)的成功，使得壓電執(zhí)行器具有了可低電壓驅(qū)動、體積小、推動力大的優(yōu)點。對液壓技術領域中的控制閥的小型化、高響應化等將有著一定的作用。