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　　BF35導(dǎo)讀：液壓伺服系統(tǒng)的響應(yīng)性能主要取決于控制閥的響應(yīng)速度。提高控制閥的響應(yīng)一直是人們努力追求的目標(biāo)。近年來(lái)，國(guó)外利用某些晶體材料的壓電效應(yīng)來(lái)研制高響應(yīng)電液閥，并取得一些進(jìn)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(diǎn)是當(dāng)其受外力而產(chǎn)生變形時(shí)，會(huì)由于內(nèi)部極化而在表面上產(chǎn)生電荷，日常的煤氣灶點(diǎn)火裝置就是利用了這個(gè)原理。反過(guò)來(lái)，如果在壓電材料的極化方向上施加一定強(qiáng)度的電場(chǎng)，則會(huì)引起材料的機(jī)械變形。去掉電場(chǎng)后又能恢復(fù)到原狀態(tài)。壓電驅(qū)動(dòng)式電液閥就是利用了壓電材料的這個(gè)特性(稱(chēng)為電致伸縮效應(yīng)或逆壓電效應(yīng))。
　　
　　用于制造電液控制閥的壓電材料可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)為壓電陶瓷，其中以PZT(Pb(Zr,Ti)Q3)系列zui為常見(jiàn)，特點(diǎn)是導(dǎo)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(kāi)、關(guān)驅(qū)動(dòng)；另一類(lèi)是電壓變材料，較常見(jiàn)的如PMN(Pb(Mg,Nb)O3)，其特點(diǎn)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(dòng)。
　　
　　(2)壓電執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)
　　
　　一般壓電材料的應(yīng)變?yōu)?0-3左右。因此，如果直接利用一個(gè)高為20mm的壓電晶體的應(yīng)變，其變形僅為20μm，相對(duì)于實(shí)際液壓閥所要求的閥芯位移來(lái)說(shuō)太小。因此，需要將其應(yīng)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(lái)產(chǎn)生所需的應(yīng)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(gè)晶片做得很薄，然后各片分別加電壓，zui后疊加起來(lái)。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。
　　　　②雙晶片型。雙晶片型的基本結(jié)構(gòu)是將兩塊長(zhǎng)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(zhǎng)，另一塊縮短，從而造成整體的彎曲(見(jiàn)圖2)。這種型式制作比較容易，變位擴(kuò)大率也較高(變位可達(dá)數(shù)百μm)，是一種較常用的型式。缺點(diǎn)是因?yàn)槔玫氖菑澢冃危憫?yīng)速度較慢，產(chǎn)生的力也不大。
　　　　③杠桿放大型。這是一種zui簡(jiǎn)單原始的方案。如圖3所示，其原理是通過(guò)一個(gè)杠桿將一壓電晶體的變形予以放大。當(dāng)然，由于杠桿支點(diǎn)變形的影響，杠桿端點(diǎn)的位移不會(huì)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(gè)目的是體積小型化，而杠桿放大型顯然會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸大，是一個(gè)不利因素。其它還有一些變形放大方法，由于應(yīng)用較少，本文未予一一列舉。
　　　　2幾則利用壓電材料開(kāi)發(fā)高響應(yīng)液控閥的研究實(shí)例
　　
　　(1)利用雙晶片型壓電材料的高響應(yīng)伺服閥
　　
　　圖4為一種利用PMN雙晶片型壓電材料驅(qū)動(dòng)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(guò)給其施加不同的電壓而產(chǎn)生相應(yīng)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(shè)位移傳感器進(jìn)行反饋。據(jù)報(bào)道［1］，對(duì)一個(gè)4mm直徑的滑閥進(jìn)行控制，閥的頻響可達(dá)1kHz以上。
　　　　(2)利用雙晶片型壓電材料的高速開(kāi)關(guān)閥
　　
　　日本名古屋大學(xué)利用PZT雙晶片型壓電材料，研制了一種響應(yīng)頻率較高流量較大的高速開(kāi)關(guān)閥，圖5為其工作原理圖［2］。如圖所示，該閥通過(guò)控制一塊雙晶片型壓電材料檔板來(lái)關(guān)閉或打開(kāi)不同的噴嘴以驅(qū)動(dòng)一個(gè)錐閥運(yùn)動(dòng)。實(shí)際結(jié)果表明，該閥響應(yīng)頻率可達(dá)200Hz，在20MPa系統(tǒng)油壓時(shí)輸出流量達(dá)9.24L/min。其zui大響應(yīng)頻率為同規(guī)格普通高速開(kāi)關(guān)電磁閥zui大響應(yīng)頻率的2倍。
　　　　(3)多層晶片+杠桿式放大機(jī)構(gòu)的高速響應(yīng)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(dòng)裝置相聯(lián)，兩組驅(qū)動(dòng)裝置一推一拉驅(qū)動(dòng)一個(gè)直徑5mm的閥芯運(yùn)動(dòng)。閥中設(shè)有位置傳感器檢測(cè)閥芯運(yùn)動(dòng)速度，并將這信號(hào)反饋到控制系統(tǒng)中，對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，閥的頻響可達(dá)1.3kHz。
　　　　(4)直接利用多層晶片的超高速開(kāi)關(guān)閥
　　
　　圖7中，利用兩組多層晶片壓電材料推動(dòng)一個(gè)錐閥閥芯，構(gòu)成一個(gè)二位三通數(shù)字(開(kāi)關(guān)閥)［3］。對(duì)于單組多層晶片，施加100V電壓時(shí)，在無(wú)負(fù)載情況下，可產(chǎn)生15μm位移，推動(dòng)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(shí)例表明，在0～100V電壓驅(qū)動(dòng)下，閥的開(kāi)關(guān)切換時(shí)間總計(jì)不超過(guò)70μs。可跟蹤2kHz的方波信號(hào)(普通高速開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)切換時(shí)間為50ms左右，可跟蹤100Hz左右的方波信號(hào))。文獻(xiàn)［3］中，還將兩個(gè)這樣的超高速開(kāi)關(guān)閥去控制一滑閥構(gòu)成一個(gè)數(shù)字式伺服閥，滑閥質(zhì)量0.009kg，受壓面積5×10-5m2，在系統(tǒng)壓力170MPa時(shí)可追蹤890Hz的方波(滑閥行程在0.5～1mm)，并可獲得較大的流量。
　　　　3結(jié)束語(yǔ)
　　
　　人們對(duì)于壓電效應(yīng)的了解和應(yīng)用已有了相當(dāng)長(zhǎng)的歷史。壓電晶體元素具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。特別是近年來(lái)隨著制造技術(shù)的提高而帶來(lái)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(dòng)、體積小、推動(dòng)力大的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)液壓技術(shù)領(lǐng)域中的控制閥的小型化、高響應(yīng)化等將有著一定的作用。