一种基于超磁致伸缩效应的新型液压高速开关阀的研究

　　1.引言

　　在工程机械液压系统中采用PWM脉冲调制的数字控制具有许多显著的优点，如易于与计算机连接，系统价格低廉、抗污染和抗干扰能力强等。但这种控制系统需要高速开关阀。目前国内外开发的一些高速开关阀，大多采用电磁铁作为驱动器，因此阀的切换速度慢;压电晶体型驱动器虽然提高了切换速度和频率，但所需电压高，消耗功率大。因此有必要研制新型的高速开关阀。

　　近年来，国内外对于稀十铁化物超磁致伸缩效应的应用研究受到重视^[1][2]。所谓的磁致伸缩效应，是指铁磁材料和亚铁磁材料在磁场的作用下将导致其体积和长度发生微小变化的现象。把Ni, Co和Fe加到稀十中所形成的一些化合物和非晶合金，因具有很大磁致伸缩系数而称作超磁致伸缩(antmagnetostrictive material，简写为GMM）,比较有代表性的为Terfenol-D。采用这种材料制成的线性驱动器具有多种用途，其中作为液压控制阀的电一机械转换装置，具有切换速度快，频率高，能量消耗少等特点。

　　2开关阀的结构与工作原理

　　2.1超磁致伸缩驱动器

　　超磁致伸缩驱动器的结构如图1所示。

　　中心的超磁致伸缩材料棒为北京科技大学产的TbDYFe }12x 110 mm，其下端用夹具固定，上端通过伸缩传递轴和弹簧给磁致伸缩材料加上预应力。磁致伸缩材料的周围是产生驱动场的激励线圈和冷却线圈用的铜水管。外围是磁扼碳钢)，它与磁致伸缩材料一起构成封闭磁路，以防漏磁。伸缩传递轴等其它零件均由非磁性不锈钢制成。超磁致伸缩材料内部应变与激励磁场强度、材料特性常数、应力状态等直接相关，其外部位移、力输出实为磁场一弹性场相互藕合的结果。所以，适当配置机械和电气的结构参数庄要是预压缩应力和偏置磁场)，可使超磁致伸缩材料处于最优的机电藕合状态，提高能量转换效率。当采用交流电激磁时，超磁致伸缩材料在正负磁场的作用下都为伸长，其产生机械运动的频率是外加电流频率的两倍，这便是所谓的暗频现象”。为使驱动器机械运动在线性区间，通常采用加一偏置磁场来消除此现象。但是，当驱动器采用PWM脉冲电压激磁时，由于没有负磁场，不会出现倍频现象，所以不需要偏置磁场。给超磁致伸缩材料施加一合适预应力的目的，一是避免磁致伸缩材料在受拉状态下工作;二是可以增大磁致伸缩量。根据铁磁学理论，这是由于外加应力提高了材料的饱和磁化强度，使其饱和磁致系数提高的缘故。

　　2.2开关阀的结构

　　图2所示为开关阀的整体外观结构。通常作为液压先导阀所需阀芯最小位移不小于0.5  mm。所以对超磁致伸缩驱动器输出的位移通过一杠杆机构进行放大。位移放大的同时，阀芯的驱动力却减小。但由于超磁致伸缩驱动器不需要弹簧复位，阀芯驱动力只需克服摩擦力即可，所以驱动力不需要很大。