基于液压微位移放大结构的新型压电陶瓷直接驱动阀设计及仿真.pdf

第 4 9卷第 2期 2 0 1 3 年1 月 机械工程学报 J OURNAL 0F M ECHANI CAL ENGI NEERI NG Vo1 ． 49 NO． 2 J a n ． 201 3 DoI 1 O ． 3 9 0 1 ／ J M【 E． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 1 5 1 基于液压微位移放大结构的 新型压 电陶瓷直接驱动阀设计及仿真木 俞军涛焦宗夏 吴 帅 北京航空航天大学电气工程与自动化学院北京 1 0 0 1 9 1 摘要研制一种基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动伺服阀，实现大流量高频响的要求。针对压电陶瓷输出力大但 输出位移小的特点，设计出一种新型的液压微位移放大结构，由柔性铰链膜片式大活塞、密闭容腔、小活塞及压力调节和测 量装置构成。采用叠堆式压电陶瓷驱动大活塞，改变密闭容腔内油液的体积形态，放大小活塞端输出位移，驱动滑阀阀芯运 动。大活塞采用膜片结构，降低压电陶瓷叠堆的负载，提高密封性能。针对刚性膜片刚度和强度矛盾的问题 ，设计柔性铰链 膜片，对该膜片结构的刚度进行理论分析和数值计算验证。应用有限元方法对结构及各参数进行优化设计，并对最终结构进 行刚度和强度分析。基于试制原理样机参数，建模仿真表明液压位移放大倍数 9倍，阀芯位置控制误差小于 1 ％。频宽超过 5 5 0 H z 。试验测得流量曲线，7 MP a 压力下，控制流量达到 1 7 L ／ mi n 。 关键词压电陶瓷液压位移放大直接驱动阀柔性铰链有限元法 中图分类号T H1 3 7 De s i g n a n d Si mul a t i o n S t ud y o n Ne w Se r v o Va l v e Di r e c t Dr i v e n b y Pi e z o e l e c t r i c Ac t u a t o r Us i n g Hy dr a u l i c Am p l i fic a t i o n YU J u n t a o J I AO Zo n g x i a WU Sh ua i S c h o o l o f Au t o ma t i o n S c i e n c e a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e ri n g ， B e i h a n g U n i v e r s i t y , B e ij i n g 1 0 0 1 9 1 Ab s t r a c t A s e r v o v a l v e d i r e c t d ri v e n b y p i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r u s i n g h y d r a u l i c a mp l i fic a t i o n i s r e s e a r c h e d ． I t t a k e s a d v a n t a g e o f t h e h i g h e r b an d wi d t h and l arg e r f l o w r a t e ．A n e w h y dra u l i c d i s p l a c e me n t am p l i fi e r s t r u c t u r e i s p r o p o s e d t o a i m a t t h e s ma l l e r d i s p l a c e me n t o u t p u t and l arg e r f o r c e o u tpu t o f p i e z o e l e c t r i c P Z T ． T h e s t r u c t u r e i s c o mp o s e d o f i n p u t p i s t o n w i t h l arg e r are a ， o u tpu t p i s t o n wi t h s ma l l e r are a an d h e r me t i c c h am b e r ． T h e l arg e r s t r o k e mu l t i l a y e r p i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r i s s e r v e d a s the d riv e e l e me n t t h a t d r i v e s the i n p u t p i s t o n wi t l 1 l a r g e r are a o f t h e h y dra u l i c a mp l i fi c a t i o n ． T h e c h ang e o f p r e s s u r e a n d v o l u me d r i v e s the o u tpu t p i s t o n d i r e c t l y c o n n e c t e d t o t h e s p o o l t o p r o d u c e a mp l i fi e d d i s p l a c e me n t ， wh i c h d ri v e the s p o o l t o mo v e ． To s a t i s f y the d e ma n d o f s e a l i n g a n d l o w l o a d ，a d i a p h r a g m wi th fle x u r e h i n g e s t r u c t u r e i s u s e d f o r t h e p i s t o n wi t h l arg e r a r e a ．T h e s t r u c t u r e a n d p a r a me t e r i s o p t i mi z e d b y fin i t e e l e me n t me tho d ． P i e z o e l e c t r i c d i r e c t d r i v e s e r v o v a l v e p r o t o t y p e i s t r i a l - ma n u f a c t u r e d an d t e s t e d ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w tha t t h e d i s p l a c e m e n t ma g n i fi c a t i o n t i me s i s 9 ， t h e g o v e rn i n g e r r o r o f v a l v e s p o o l i s l e s s tha n 1 ％， the b a n d wi d th i s u p t o 5 5 0 Hz ． Th e fl o w c u r v e o b t a i n e d b y e x p e r i me n t s h o w the flo w r a t e C an r e a c h t o 1 7 L ／ mi n a t p r e s s ure o f7 MPa ． Ke y wo r d s P i e z o e l e c t r i c c e r am i c Hy dr a u l i c am p l i fic a t i o n Di r e c t d r i v e s e rv o v a l v e F l e x ur e h i n g e F i n i t e e l e me n t me tho d 0 前言 电液伺服系统在航空、航天、工业应用等方面 有着举足轻重的地位和不可替代的作用。电液伺服 国家杰 出青年科学基金资助项 目 5 0 8 2 5 5 0 2 。2 0 1 2 0 6 2 7收到初稿 2 0 1 2 1 1 1 8收到修改稿 阀作为 电液伺服系统中的核心控制元件 ，其性能及 可靠性对整个伺服系统有较大影响。传统的电液伺 服阀采用先导级和功率滑阀组成二级伺服阀，先导 级的性能及结构形式，制约了伺服阀整体的动态性 能和抗污染能力。直接驱动伺服阀采用驱动元件直 接驱动功率滑阀阀芯，通过阀芯位移传感器反馈阀 芯位置，闭环控制阀芯开口，保证伺服阀频响和控 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 2 机械工程学报 第 4 9卷第 2期 制精度的同时改善了伺服阀的抗污染性能，使其可 靠性大大提高。直接驱动伺服阀已成为电液伺服 阀 的发展方向之一L 1 J 。 新型 功能材料的研制及应用 为直接 驱动伺服 阀的发展提供 了基础【 j J 。压 电陶瓷 P i e z o e l e c t r i c ， P Z T 、形状记忆合金、超磁致伸缩等新材料直接驱 动的伺服阀得到了广泛研究【 4 J 。 其中压电陶瓷材料 以其动态响应快速、控制精度高、能量密度大 、结 构紧凑的优点， 成为近年来研究的热点L 7 J 。 压电陶 瓷直接驱动伺服 阀是采用压 电陶瓷积层式驱动器 压电陶瓷叠堆 作为驱动元件，直接驱动功率滑阀 阀芯运动 。 压 电陶瓷驱动器的特点是输出位移很小、 输出力大 ，若直接采用压电陶瓷驱动 阀芯则位移很 小，导致输出流量很小。如文献【 8 】 中的压电陶瓷直 接驱动阀样机 ，设计输 出位移 6 0 l a r n ，受加工误差 及结构形式的影响， 其有效阀芯位移输出只有 4 0 p r n ， 流量不足 2 L ／ mi n 。远远不能满足实际的应用要求。 针对压 电陶瓷驱动器输出位移小的缺点，有文 献提出了杠杆式、桥式等机械式位移放大机构【 9 们 。 这些放大机构一般都采用柔性铰链结构，普遍存在 承受载荷小、抗冲击能力差，对材料刚度及加工精 度要求高的问题 。液压传动具有结构紧凑、承载能 力大的特点。将液压传动应用于位移放大机构，除 了可以克服机械式放大结构的缺点外，还具有多输 入多输 出、余度配置灵活的优点。本文在文献[ 8 】 工 作的基础上，提出一种新型的基于液压微位移放大 结构的压 电陶瓷直接驱动阀。设计了液压微位移放 大机构，使输出位移增大 9 倍。同时为降低压电陶 瓷驱动器的负载并提高密封性能，设计了柔性铰链 膜片式大活塞 ，对其刚度进行了理论计算。采用有 限元方法对膜片结构和各参数进行优化设计，并对 最终的结构进行了刚度和强度分析。基于试制原理 样机的参数，联合仿真分析表明其位移放大倍数 9 倍，频宽超过 5 5 0 H z ，试验测得 7 MP a压力下，流 量为 1 7 L ／ mi n ，具有很高的实用价值。 1 压 电叠堆结构特点及性能分析 压电陶瓷材料能量密度高，单位体积和质量的 输出功率大，结构紧凑，动态响应快。然而单片压 电陶瓷的输 出位移很小，压电陶瓷叠堆是 由多片压 电陶瓷机械上串联、电气上并联组成。每片陶瓷的 工作电压相同，叠堆的位移输出为所有压电陶瓷片 的位移量总和。空载下，其形变关系为 】 A 1 n a b “ d 3 3 ， 1 式中△ 单片压电陶瓷的位移 n 压 电陶瓷叠堆内的压 电陶瓷片数 △ f 压 电陶瓷叠堆总变形量 3 压 电常数 邑 电场强度 卜一 压 电叠堆长度 由式 1 可 以看出，压电陶瓷叠堆 的总变形量 由 其长度和 电场强度决定。电场强度的增强，会 引起 陶瓷内部 9 0 。 的铁电畴旋转，导致压电陶瓷叠堆的 滞后现象严重。所 以加在压 电陶瓷片两端的电压不 能过高。为了得到较大的位移，必须采取多片较薄 陶瓷片叠堆的方式，即压 电陶瓷叠堆结构，降低驱 动 电压的要求，大大提高驱动器的位移输出。但压 电叠堆结构的缺点是拉伸刚度 以及切向刚度很差 ， 受拉伸力及切向力时，容易损坏。在外部负载的情 况下，压电陶瓷形变关系为l2 】 U 1 d z - I- k i 2 F ／ 2 式中 压电陶瓷两端电压 k 】 】 压电陶瓷介电常数 k 1 2 压 电陶瓷弹性系数 压 电陶瓷形变 F 』压电陶瓷所受外负载力 由于压 电常数 3 很小 低于 1 0 。 m ，所 以 压电陶瓷的应变量只有 0 ． 1 ％， 即使采用叠堆式 的结 构，压电陶瓷驱动器的输出位移仍较小。要满足通 常滑 阀应用所需要 的位移输 出 0 ． 5 m _ m， 压电叠堆的 尺寸会超过 0 ． 5 m。尺寸过长会带来体积大、刚度 差和易损坏等缺点。而 由于弹性系数 k 1 2 很大，压 电陶瓷具有很大的轴 向压缩刚度， 最大能输出 l k N 的推力， 远远超过驱动滑 阀所需的力。实际应用中， 应根据其输 出力大、输出位移小的特 点，设计合理 的位移放大机构 。 2 液压位移放大式 P Z T直驱阀的设计 2 ． 1 工作原理 本文提 出的基于液压微位 移放大结构 的压 电 陶瓷直接驱动阀结构如图 1 所示。主要由压电陶瓷 及其固定、调节装置，液压位移放大装置，功率滑 阀，碟形弹簧及位移传感器等组成。压电陶瓷叠堆 推动液压放大部分右端的柔性铰链膜片 大面积活 塞 ， 产生输入位移，改变放大部分密闭容腔中油液 的形态，在左端小面积活塞上产生与右端输入位移 对应的放大的位移输出，推动功率滑阀的阀芯向左 端运动，同时压缩碟形弹簧。当压电陶瓷的输入减 小时，受压缩的碟形弹簧提供回复力，推动阀芯向 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 5 6 机械工程学报 第 4 9卷第 2期 特性 。为了进行系统联合仿真，真实地反映压电陶 瓷叠堆的性能，采用理想压电陶瓷模型加质量阻尼 弹簧系统模拟压 电陶瓷环节的输出特性 。通过选取 合适的参数 ，仿真测得其 Bo d e图如 图 7中 “ 仿真” 曲线，幅频一 3 d b时频率为 7 5 2 Hz ，相频 9 0 。 时频率 为 7 8 8 H z 。 O ￡ 一 5 0 霎 一 1 0 0 一 l 5 0 l 频 翠 ／ H z 图7 模拟压电陶瓷环节 B o d e图 由图7的 “ 试验”和 “ 仿真”两条曲线对比， 可 以看出所搭建的环节 B o d e图与压 电陶瓷试验测 得的 B o d e图基本吻合，可以用来模拟真实的压电 陶瓷特性进行仿真研究。 3 ． 2 液压微位移放大结构的仿真 利用 A ME S i m 自带的液压元件库， 建立液压位 移放大部分和滑 阀部分的精确模型。由于液压放大 环节的特性与其外负载情况有很大关系，仿真时将 滑阀部分的模型，作为液压放大部分的负载，对其 进行联合仿真，输入为大活塞位移 ，输 出取滑阀阀 芯位移 。系统闭环 B o d e图如图 8所示。 昌 ＼ 理 罂 频率 ／ H z 图8 液压 位移放大滑阀 环节的开环 B o d e图 由图8 可以看出，液压微位移放大结构带功率 滑 阀阀芯环节的幅频一 3 d b为 l 5 0 0 H z ，相频 9 0 。 为 2 1 0 0 Hz ，频宽超过压 电陶瓷，不会成为制约系统 整体频宽的瓶颈。 3 ． 3 系统整体性能仿真 输入幅值为 O ． 2 6 11 11 11 、 频率为 1 0 0 H z 的指令信 号，监测大、小活塞的位移及指令和跟踪情况 ，系 统整体仿真框图如图9 所示。由于液压放大环节具 有一定的相位滞后特性 ，采用前馈P I D的闭环控 制方法系统的跟踪特性如图 l O所示。 ] 一 厂 1 ／ G s I 蛳 一 广 y ] 广 y _ 一 [， l ⋯ ～ m 。 I 撺制青 津L 。 垒 广 ] ’ 工 巾 广 ] 厶 广 ．2_ 压 电陶瓷 I 大活塞 l 密闭容腔 I 小活塞和滑阀 图 9 系统整体仿真框图 一 摩擦因数 一瞬态液动力系数岛 厂稳态液动力系数k一弹簧弹性系数r微分算子 △ o o o ／ 1 0 时间 ／ s 图 l 0 大、小活塞位移指令、跟踪曲线 由图 1 O可知，大活塞位移 2 8 l a m 时，小活塞 可获得 2 6 0 g m 的位移输 出，液压位移放大倍数接 近 9 倍。在 2 6 0 g m的指令跟踪下，跟踪效果良好， 如图9 所示，误差接近 2 ． 5 g r n ，小于 1 ％。 对设计的直驱阀进行动态 0 ～2 k H z的扫频测 试，监测输入指令及反馈跟踪，得系统 B o d e图如 图 l 1 所示。 由系统 B o d e图，可看出系统整体的幅频一 3 d b 为 5 6 0 H z ，相频 9 0 。 为 7 3 0 H z ，具有很高的动态 频宽。 O 5 O p ／ 曝馨 O 0 0 O O O 加 m m 加 E 覃 J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 1 月 俞军涛等基于液压微位移放大结构的新型压电陶瓷直接驱动阀设计及仿真 1 5 7 j 翌 l O 】擘0 1 一l 0 黑 }一 2 0 咖 一 3 0 1 0 ￡一 1 0 0 -2 0 0 - 3 0 0 l 为 3 0 L ／ mi n 。试验 测得 7 MP a下 ，其 流量 接近 1 7 L ／ m i n 。在振动试验台、消扰试验台及其他需要 1 o 3 高动态响应的液压流体控制系统中具有很高的实用 价值。 参考文献 频率 ／ H z 图 1 1 系统 b o d e图 3 ． 4 流量特性试验 系统压力 7 MP a时， 伺服阀的流量 曲线如 图 1 2 所示 。 舍 吕 删 指令 电压 ， 、 ， 图 1 2 伺服阀流量曲线 可 以看出，7 MP a的系统压力下，伺服 阀的控 制流量为 1 7 L ／ mi n 。由流量公式，1 4 MP a时，控制 流量接近 2 5 L ／ m i n ，略小于伺服 阀的设计流量 3 0 L ／ mi n ， 主要原因是密闭腔内的压力负载和膜片刚度 降低 了压 电陶瓷 的位移输 出。 4 结论 1 研制 了一种基于液压微位移放大原理 的压 电陶瓷直接驱动伺服阀。具有流量大、分辨率高、 响应快速和抗污染能力强等优点 。 2 设计 了液压微位移放大结构 ，由大、小活 塞和密闭容腔组成 。压电陶瓷叠堆驱动大活塞产生 的输入位移经液压放大后推动小活塞驱动滑阀阀芯 运动。 3 设计 了柔性铰链膜片式大活塞，大大降低 了压电陶瓷驱动器 的负载，提高其输出特性及系统 密封性能。对柔性铰链膜片的刚度进行理论计算， 并通过有限元法优化柔性铰链膜片的设计结构及 参数 。 4 按照设计样机的参数进行联合仿真表明， 该阀频宽高于 5 5 0 H z ，分辨率高于 0 ．0 1 ％，阀芯位 移可达士 0 ．2 6 I ll lT I ， 1 4 MP a的系统压力下， 控制流量 [ 1 】 L I N DL E R J E ， A N DE RS ON E H． P i e z o e l e c t r i c d i r e c t d r i v e s e r v o - v a l v e [ C ] ／ ／ S P I E ．I n d u s t ri a l a n d C o mme r c i a l Ap p l i c a t i o n s o f S ma r t S t r u c t u r e s T e c h n o l o g i e s ， S a n Di e g o ，2 0 0 2 ，Ca l i for n i a T h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y f o r Op t i c a l En g i n e e r i n g ， 2 0 0 2 4 8 8 - 4 9 6 ． [ 2 ]2 MUR R E N HOF F H． 液压控制技术发展趋势【 J ] ． 工程 设计学报，1 9 9 7 3 2 0 ． 2 9 ． MURRENHOF F H． De v e l o p me n t t r e n d s i n flu i d p o we r [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g De s i g n ， 1 9 9 7 3 2 0 - 2 9 ． [ 3 】 李其朋，丁凡．电液伺服阀技术研究现状及发展趋势 [ J ] ．液压 液力，2 0 0 3 6 2 8 - 3 3 ． L I Q i p e n g ， DI NG F a n ． C u r r e n t s i t u a t i o n s a n d d e v e l o p i n g n _e n d o f t h e r e s e a r c h o f e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o v a l v e t e c h n i q u e [ J ] ． H y d r o s t a t i c s a n d Hy d r o d y n a mi c s ， 2 0 0 3 6 2 8 - 3 3 ． [ 4 ] 米智楠， 钱晋武．形状记忆合金微型阀的研制[ J 】 ．机床 与液压， 2 0 0 1 1 2 O ． 2 1 ． MI Z h i n a n ，Q I aN J i n wu ．De v e l o p me n t o f t h e s h a p e me mo r y a l l o y mi c r o v a l v e [ J ] ． Ma c h i n e T o o l H y dra u l i c s ． 2 0 0 1 1 2 0 2 1 ． [ 5 ]夏春林， 丁凡． G MM 电机械转换器驱动的气动压力 阀[ J 】 ．液压气动与密封，1 9 9 9 3 2 1 - 2 2 ． XI A Ch u n l i n ，DI NG F a n ．P n e u ma t i c p r e s s u r e v a l v e d r i v e n b y G MM a c tua t o r [ J ] ．H y dra u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， 1 9 9 9 3 2 1 - 2 2 ． [ 6 ] 陆豪，朱成林，曾思．新型 P Z T元件驱动的电液高速 开关阀及其大功率快速驱动技术的研究[ J ] ．机械工程 学报，2 0 0 2 ，3 8 8 l l 8 - 1 2 1 ． L U Ha o ，ZHU Ch e n g l i n ，Z ENG S i ．S t u d y o n t h e n e w k i n d o f e l e c tro h y d r a u l i c h i g h - s p e e d o n o ff v a l v e d r i v e n b y P ZT c o mp o n e n t s and i t s h i g h - p o we r f u l and s p e e d y t e c h n i q u e [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 2 ， 3 8 8 1 1 8 - 1 2 1 ． [ 7 】 沈传亮，程光明，杨志刚． 新型直动式压电伺服阀【 J 】 ． 机械工程学报，2 0 0 4 ，4 0 9 1 2 5 ． 1 2 8 ． S HE N C h u a n l i an g ， CHENG Gu a n g mi n g ， YANG Z h i g ang ． Ne w t y p e p i e z o e l e c t r i c d i r e c t d r i v e s e r v o v a l v e [ J ] ． Ch i n e s e J o u r n a l o f M e c h an i c a l En g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 4 0 9 1 2 5 1 2 8 ． [ 8 】 曹锋．压电液伺服阀结构设计及控制方法研究[ D 】 ．北 京北京航空航天大学，2 0 0 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 8 机械工程学报 第 4 9 卷第 2期 CAO F e n g ．S t r u c t u r a l d e s i g n a n d c o n t r o l me t ho d s o f t h e p i e z o e l e c t r i c h y d r a u l i c s e r v o v a l v e [ D] ． B e i j i n g ．-B e i h a n g Un i v e r s i t y , 2 0 0 8 ． [ 9 】刘登云，杨志刚，吴丽萍．应用于压电叠堆泵的柔性 铰链放大机构的设计和性能分析[ J ] ．机械设计，2 0 0 7 ， 2 4 4 6 8 - 7 0 ． L I U De n g y u n ， YANG Zh i g a n g ， WU L i p i n g ． De s i g n a n d p e r f o r ma n c e ana l y s i s o n fl e x i b l e h i n g e d ma gn i f y i n g me c h ani s m a p p l i e d t o p i e z o e l e c t r i c p i l i n g - u p p u mp [ J ] ． J o u rna l o f Ma c h i n e D e s i g n ， 2 0 0 7 ， 2 4 4 6 8 - 7 0 ． 【 1 0 ]沈传亮．压电型直动式电液伺服阀的基本理论与实验 研究[ D] ．长春吉林大学，2 0 0 6 ． S HE N Ch u a n l i a n g ．Ba s i c the o r y an d e x p e r i me n t a l s t u d y o f p i e z o e l e c t r i c d i r e c t l y d r i v e n e l e c t r o - h y dra u l i c s e r v o v a l v e s [ D】 ． C h a n g c h u n J i l i n Un i v e r s i ty, 2 0 0 6 ． [ 1 1 ]李玉和，李庆祥，陈璐云，等．单轴柔性铰链设计方 法研究[ J ] ．清华大学学报，2 0 0 2 ，4 2 2 1 7 2 1 7 4 ． L I Y u h e ， L I Qi n g x i a n g ， C H E N L u y u n ， e t a 1 ． S t u d y o n d e s i gn me t h o d o f o n e a x i s fl e x u r e h i n g e [ J ] ．J o u r n a l T s i n g h u a Un i v e r s i ty, 2 0 0 2 ， 4 2 2 1 7 2 - 1 7 4 ． 作者简介俞军涛，男，1 9 8 2年出生，博士研究生。主要研究方向为电 液伺服系统及元件 。 E ma i l j u n t a o y u g ma i l ．c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m