摘 要： 文章介紹了一種新型的液壓高速開關(guān)閥，它采用了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器和錐體式閥芯結(jié)構(gòu)。該閥具有很高的切換速度和頻率，可以用來作為大流量高速開關(guān)閥的先導(dǎo)控制閥，也可以在小流量回路中直接作為控制閥使用。

    關(guān)鍵詞：超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器  液壓高速開關(guān)閥  研究

    １　引言

    在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中采用PWM脈沖調(diào)制的數(shù)字控制具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，如易于與計(jì)算機(jī)連接，系統(tǒng)價(jià)格低廉、抗污染和抗干擾能力強(qiáng)等。但這種控制系統(tǒng)需要高速開關(guān)閥。目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)的一些高速開關(guān)閥，大多采用電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)器，因此閥的切換速度慢；壓電晶體型驅(qū)動(dòng)器雖然提高了切換速度和頻率，但所需電壓高，消耗功率大。因此有必要研制新型的高速開關(guān)閥。

    近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)于稀土鐵化物超磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)用研究受到重視。所謂的磁致伸縮效應(yīng)，是指鐵磁材料和亞鐵磁材料在磁場(chǎng)的作用下將導(dǎo)致其體積和長(zhǎng)度發(fā)生微小變化的現(xiàn)象。把Ni和Co加Fe到稀土中所形成的一些化合物和非晶合金，因具有很大的磁致伸 縮系數(shù)而稱作超磁致伸縮（giant magnetostrictive material簡(jiǎn)寫為GMM），比較有代表性的為Terfenol-D。采用這種材料制成的線性驅(qū)動(dòng)器具有多種用途，其中作為液壓控制閥的電—機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，具有切換速度快，頻率高，能量消耗少等特點(diǎn)。

    ２　開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

    ２．１超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器

    超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

    中心的超磁致伸縮材料棒為北京科技大學(xué)產(chǎn)的TbDYFe（φ12×110），其下端用夾具固定，上端通過伸縮傳遞軸和彈簧給磁致伸縮材料加上預(yù)應(yīng)力。磁致伸縮材料的周圍是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的激勵(lì)線圈和冷卻線圈用的銅水管。外圍是磁軛（碳鋼），它與磁致伸縮材料一起構(gòu)成封閉磁路，以防漏磁。伸縮傳遞軸等其它零件均由非磁性不銹鋼制成。超磁致伸縮材料內(nèi)部應(yīng)變與激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度、材料特性常數(shù)、應(yīng)力狀態(tài)等直接相關(guān)，其外部位移、力輸出實(shí)為磁場(chǎng)—彈性場(chǎng)相互耦合的結(jié)果。所以，適當(dāng)配置機(jī)械和電氣的結(jié)構(gòu)參數(shù)（主要是預(yù)壓縮應(yīng)力和偏置磁場(chǎng)），可使超磁致伸縮材料處于優(yōu)的機(jī)電耦合狀態(tài)，提高能量轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)采用交流電激磁時(shí)，超磁致伸縮材料在正負(fù)磁場(chǎng)的作用下都為伸長(zhǎng)，其產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)的頻率是外加電流頻率的兩倍，這便是所謂的“倍頻現(xiàn)象”。為使驅(qū)動(dòng)器機(jī)械運(yùn)動(dòng)在線性區(qū)間，通常采用加一偏置磁場(chǎng)來消除此現(xiàn)象。但是，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器采用PWM脈沖電壓激磁時(shí)，由于沒有負(fù)磁場(chǎng)，不會(huì)出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象，所以不需要偏置磁場(chǎng)。給超磁致伸縮材料施加一合適預(yù)應(yīng)力的目的，一是避免磁致伸縮材料在受拉狀態(tài)下工作；二是可以增大磁致伸縮量。根據(jù)鐵磁學(xué)理論，這是由于外加應(yīng)力提高了材料的飽和磁化強(qiáng)度，使其飽和磁致系數(shù)提高的緣故。

    ２．２開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)

。通常作為液壓先導(dǎo)閥所需閥芯小位移不小于0.5mm。所以對(duì)超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器輸出的位移通過一杠桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行放大。位移放大的同時(shí)，閥芯的驅(qū)動(dòng)力卻減小。但由于超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器不需要彈簧復(fù)位，閥芯驅(qū)動(dòng)力只需克服摩擦力即可，所以驅(qū)動(dòng)力不需要很大。

 

    開關(guān)閥是由現(xiàn)有的一種二位二通電磁閥改造而成的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

    彈簧 3 的作用是消除位移放大杠桿及其它配合處的間隙，所以不需要很大的剛度系數(shù)。

 

    ３　開關(guān)閥的特性試驗(yàn)

    開關(guān)閥的特性試驗(yàn)主要包括磁致驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)電流—輸出位移、輸出力及開關(guān)閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間試驗(yàn)，其原理框圖如圖4 所示。試驗(yàn)在恒溫隔振的條件下進(jìn)行。

    ３．１磁致驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)電流—輸出位移、輸出力試驗(yàn)

    磁致伸縮棒的預(yù)壓力為 820N，即當(dāng)輸入電流為零時(shí)，由于作用力與反作用力的相等關(guān)系，此時(shí)磁致驅(qū)動(dòng)器輸出力也為 820N。當(dāng)輸入電流為1550mA時(shí)，輸出力達(dá) 980N，此時(shí)位移輸出為40μm。由于材料存在著磁滯，位移和力輸出曲線在激磁電流正反向時(shí)不重合。但對(duì)于由 PWM 信號(hào)控制的開關(guān)閥，其本身就不是線形元件，所以不要求驅(qū)動(dòng)器具有線性，只要求當(dāng)激磁電流反向減小為0 時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的輸出位移也等于零。對(duì)于磁滯，也可以在每一個(gè)正向PWM控制信號(hào)結(jié)束時(shí)，通過程序反向加一負(fù)值電壓以消除剩磁。

    ３．２開關(guān)閥的開啟與關(guān)閉時(shí)間

    開關(guān)閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間對(duì)閥的靜動(dòng)態(tài)性能都有重要的影響，由試驗(yàn)來測(cè)定開關(guān)閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間可通過測(cè)定其應(yīng)變階躍響應(yīng)進(jìn)行。信號(hào)發(fā)生器給開關(guān)閥輸入一方波信號(hào)，然后通過應(yīng)變測(cè)試裝置測(cè)得其響應(yīng)曲線，如圖 6 所示。
由圖可知，應(yīng)變響應(yīng)的上升時(shí)間和下降時(shí)間基本相等且僅為 0.5ms左右，而這一時(shí)間就是開關(guān)閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間。

    ４　結(jié)束語

    通過上述試驗(yàn)結(jié)果可知，采用超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的液壓高速開關(guān)閥，可以獲得更短的切換時(shí)間和更高的開關(guān)頻率，并且功率消耗很低。因此在用于液壓系統(tǒng)的 PWM 控制時(shí)能夠獲得更高的控制精度和經(jīng)濟(jì)效益。本文只是初步的研究，對(duì)于進(jìn)一步的應(yīng)用尚有一些問題需要解決，如：磁致伸縮材料的磁滯、輸出位移的放大及溫度的影響等。但應(yīng)該看到這是一種很有發(fā)展前景的液壓高速開關(guān)閥。