压电驱动水压换向阀中放大机构的设计

　　0　前言

　　纯水液压技术以过滤后的自来水为工作介质实现动力传递,不含任何添加剂,具有来源广泛、环境友好、清洁安全的独特优势[1],是国际上流体传动与控制领域最新的发展方向之一[2]。目前水液压传动技术在水处理、细水雾灭火、核反应堆、舰船、水下作业、食品加工等行业已有广泛的应用[3, 4]。传统水压换向阀是以电磁铁为驱动源,在换向阀工作后需要大量的能量来保持工作状态,会浪费掉大量的能源。

　　压电陶瓷具有体积小、推力大和频响快等优点,而且不发热、无噪声、易于控制,是理想的微位移机构的驱动元件[5]。压电陶瓷具有电容特性,在其工作时,类似于大容量电容,只需保持电压,不需要消耗能源。层叠式压电陶瓷的位移输出一般能够达到几到几十个微米,有的可以达到200微米,但是仍不能满足本阀的使用要求。柔性铰链利用其结构薄弱部分的弹性变形实现类似普通铰链的运动传递,具有无摩擦、无间隙、运动灵敏度高等特点。在微型机械中,柔性铰链常作为位移放大器,可将位移放大到数百微米有的甚至于达到毫米级别[6]。

　　在分析一种杠杆式柔性铰链位移放大机构的基础上,进行柔性铰链的内部应力分析,建立起位移放大的数学模型,建立由内部反力以及负载大小对位移输出影响的模型,最终通过有限元分析软件对所建模型进行分析。

　　1　柔性铰链的结构及在阀中应用

　　1. 1　压电驱动水压换向阀的结构

　　压电驱动水压换向阀结构如图1所示。本阀包括阀体、柔性铰链放大机构以及温度补偿机构3部分。本阀为6通径二位二通换向阀,为便于加工,采用球阀形式。温度补偿机构用于补偿由于钢和压电叠堆驱动器热膨胀系数不同而引起的位移输出损失。

　　1. 2　柔性铰链放大机构的结构特征

　　图2为基于杠杆原理的柔性铰链放大机构,各铰链节点为单轴圆弧型结构,依靠节点微传动变形实现运动的传递或位移的放大。图3为该机构的原理图,有图式可以求得该机构的位移放大倍数A。

　　A=1+l2/l1。带入实际尺寸l1=7 mm,l2=63mm,则该放大机构的放大倍数为A=10。

　　2　机构的应力分析与最大位移输入

　　为使该位移放大机构正确可靠地工作,须对其工作状态下所承受的应力进行计算,以求取各铰链节点所允许的最大作用应力以及整个机构的最大输入位移,以保证各节点实际作用应力控制在所允许的材料屈服应力范围。

　　2. 1　放大机构各节点的应力计算

　　放大机构各铰链节点的几何结构如图4所示,在力矩MZ作用下,其最大应力[7]为: