新型功能材料驱动的高性能电液伺服阀

　　电液伺服阀作为连接电气部分与液压部分的桥梁,是电液伺服控制系统的核心部件。其基本组成是电-机械转换器、液压前置级、液压放大级和适当的反馈机构等。在传统电液伺服阀各环节中,电-机械转换器是响应速度最低的环节,要提高电液伺服阀的频宽和响应速度,必须提高其电-机械转换器的频宽。目前,随着先进制造技术、微电子技术的发展,以新型功能材料为基础的转换器研制开发,使新型高频响电-机械转换器的出现和应用成为现实。

　　特别是基于超磁致伸缩材料和电致伸缩材料等的电液伺服阀,具有高频响、高精度和易于微型化等优点,因此新型功能材料的发展和应用,给电液伺服阀的技术发展提供着新的途径。在介绍几种新型功能材料特性的基础上,分析了基于新型功能材料的电液伺服阀的结构组成和工作原理,并对它们的各自特点进行了对比分析,同时还讨论了进一步应用中要解决的关键技术。

　　1　GMM伺服阀

　　稀土超磁致伸缩材料[1,2]GMM (GiantMagnetostrictive Material),是继稀土永磁、稀土发光和稀土高温超导材料之后的又一种重要的新型功能材料。在一定的磁场作用下,该材料与传统的镍基或铁基磁致伸缩材料相比,会产生大得多的长度或体积变化。它是20世纪70年代由美国海军武器中心的A.E.clark等人首先研制出来。

　　目前,在GMM制备和应用方面,美国、瑞典和日本等国处于领先水平,其主要产品已商品化,典型商品牌号为美国Edge Technologies公司的Terfenol-D和瑞典Feredyn AB公司的Magmek86。与压电材料(PZT)和传统磁致伸缩材料Ni等相比,GMM具有应变大(1500×^10-6～2000×10^-6)、能量密度高(14000～25000J/m)、响应速度快(能达到Ls级)、输出力大、带载能力强以及磁机耦合系数大等特点。一经问世,就以其优异的性能引起了各国高科技领域研究者的重视,目前已应用于位移执行器、振动器、流体控制元件、传感器和微型机器人等领域[1～4]。它的出现也为解决电液伺服阀的驱动问题开辟了一条新途径,对新型电-机械转换器的发展将起到强有力的推动作用。

　　(1) GMM直动式伺服阀。文献[4]用GMM转换器设计出了直动式伺服阀[5],其结构如图1所示。

　　其原理是通过线圈中变化的电流产生磁场,使GMM伸缩,从而驱动与GMM转换器直接连接的阀芯产生位移,并且按照其位移量大小来控制阀口流量。此外,对应于超磁致伸缩材料磁场的变形特性为非线性,用位置传感器和放大级使用PI闭环控制的方法加以调节和克服。采用闭环控制具有结构紧凑、精度高及响应快等特点。该阀的性能指标,见表1所列。