超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀.pdf

一种超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀，属液压伺服控制技术领域。包括阀体(16)、配流器(8)、一对电-机转换器、一对位于电-机转换器与配流器(8)之间的微位移放大器，上述电-机转换器包括热补偿罩(5)、安装于热补偿罩内的超磁致伸缩棒(10)、位于热补偿罩(5)外侧的线圈骨架(2)，还包括依次绕于线圈骨架(2)外侧的驱动线圈(4)和偏置线圈(3)；上述微位移放大器包括缸体、安装于缸体一端与上述对应的超磁致伸缩棒(10)相联的大活塞(9)、缸体另一端与上述配流器(8)相连；该射流管伺服阀具有响应快、驱动功率和控制流量大等显著特点。

1、  一种超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀，其特征在于：
包括阀体(16)、配流器(8)、一对电-机转换器、一对位于电-机转换器与配流器(8)之间的微位移放大器，
上述电-机转换器包括热补偿罩(5)、安装于热补偿罩内的超磁致伸缩棒(10)、位于热补偿罩(5)外侧的线圈骨架(2)，还包括依次绕于线圈骨架(2)外侧的驱动线圈(4)和偏置线圈(3)；
上述微位移放大器包括缸体、安装于缸体一端与上述对应的超磁致伸缩棒(10)相联的大活塞(9)、缸体另一端与上述配流器(8)相连；
阀体(16)上还具有与配流器(8)相连的主供油道(14)和输出油道(7)，还具有与相应缸体相连的一对单向预压力注油通道(15)；
上述阀体上还具有泄油冷却通道(6)，该通道与与配流器(8)相连。

2、  根据权利要求1所述的超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀，其特征在于：上述单向预压力注油通道(15)通过单向阀实现单向注油，单向阀由弹簧座(11)、弹簧(12)、及圆锥阀芯(13)组成。

3、  根据权利要求1所述的超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀，其特征在于：上述热补偿罩(5)与线圈骨架(2)之间具有间隙，该间隙为上述泄油冷却通道(6)的一部分。

4、  根据权利要求1所述的超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀，其特征在于：配流器(8)为圆柱形结构，同时在其侧面中央开有截面形状为倒梯形的锥形孔，在其侧面两端对称开有截面形状为矩形的通流槽。

超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀
技术领域
本发明涉及超磁致伸缩材料的应用，属液压伺服控制技术领域。
背景技术
射流管伺服阀的传统结构一般以力矩马达、射流管、喷嘴、双接受器等构成，力矩马达用于带动射流管偏转，射流管的偏转可改变双接收器中的压力和流量，其压力和流量变化可用于驱动滑阀或中小功率液压伺服系统中的液压执行元件，通过对力矩马达输出力和位移的控制便可实现对滑阀或液压执行元件的控制。
早期射流管伺服阀由于力矩马达的输出功率小，多采用两级式结构，文献1(液压控制系统的分析与设计，卢长耿，李金良编，煤炭工业出版社，1991.2：p199～200)所述，力反馈式两级射流管伺服阀主要由力矩马达、射流管、双接受器、功率级滑阀、力反馈杆等组成，伺服阀工作时由力矩马达带动射流管偏转，双接受器与功率级滑阀阀芯两端相通，射流管上有一力反馈杆与阀芯相连，信号电流使力矩马达的衔铁偏转，衔铁与射流管相连。如果偏向左则使滑阀阀芯左端压力升高，阀芯向右移动，同时也带动反馈杆向右移动；当射流管在反馈杆带动下移动至双接受器中间时，射流管放大器两侧输出的压力相等，阀芯停止运动，但阀芯移动了一定距离，伺服阀具有相应流量输出。
文献2(液压伺服系统，曹鑫铭编，冶金工业出版社，1991.5：p149～150)所述，20世纪60年代美国摩格公司研制出新型偏转板式射流管伺服阀，该伺服阀由力矩马达、偏转板射流放大器和滑阀组成，滑阀位移通过反馈杆以力矩反馈至力矩马达的衔铁上。偏转板射流放大器由射流盘和开有导流窗口的偏转板组成，射流盘上开有射流槽道和两条对称相同的接受槽道，而偏转板上开有V型导流窗口。当射流盘在中间位置时，射流槽道的流体在两个接受孔中间流动；因此在两个接受槽道内形成相等的恢复压力，所以滑阀阀芯不动。当偏转板偏移时，一个接受槽道内压力降低，一个接受槽道压力升高，所形成的控制压差推动滑阀阀芯运动。滑阀阀芯位移又带动反馈杆产生变形，以力矩的形式反馈到力矩马达的衔铁上，此力矩与输入电流信号产生的电磁力矩相平衡。但此时滑阀阀芯已有一确定位移，并输出相应流量。
无论是早期普通射流管伺服阀还是后来的偏转板式射流管伺服阀其工作可靠性和工作效率远远高于喷嘴挡板伺服阀，但其最大缺点是射流管惯性大，导致力矩马达部分的固有频率低，从而响应慢；偏转板式射流管伺服阀由于减小了偏转部分的惯量其响应速度大为提高，但由于受力矩马达输出功率的限制使其响应速度进一步提高及其直接控制负载的能力受到限制，同时其控制流量也较小。
超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，具有应变大，响应速度快，能量传输密度高和输出力大等优异性能。目前该材料已在世界各先进国家引起广泛的注意，首先被用于水声换能器件的开发，并在海军、航海、海洋工程等领域的水下通信、海底油田探测、及跟踪定位等方面已得到了应用。随后逐步开始应用于声纳、微位移控制、蠕动机械、超精密机床加工控制、新型电动机、机器人、传感器等新型器件中。
在流体控制元件中也有大量的应用，日本住友轻金属工业公司在柱塞式流体泵上利用超磁致伸缩执行器直接驱动活塞，现已制成形似一节电池那样的密闭型GMM泵(Dariusz A.Bushko，James H Goldie.High performancemagnetostrictive actuators.IEEE，AES Systems Magazine，November，1991：21-25)，该泵具有响应快和高精度控制流量等特点。德国E.Quandt等人利用超磁致伸缩薄膜的伸缩效应实现阀口的控制，从而设计出一种超磁致伸缩微型阀(Quandt E，Seemann K.Fabrication and simulation of magnetostrictivethin-film actuator.Sensors and Actuators，1995，A50：105-109)；日本Urai等人用GMM转换器设计出直动式伺服阀(Hiratsuka，Kazuto，Urai，Takahiro.Magnetic Circuit Design of a Giant Magnetostrictive Actuator andApplication to a Direct-Drive Servo-Valve.Nippon.Kikai，Gakkai.Ronbunshu，B.Hen.Transactions of the Japan Society of MechanicalEngineers，Part B.1994(570)：479-483)，其最大特点是采用闭环控制，结构紧凑，精度高，响应快，但其最大输出流量仅为2L/min，频宽650Hz(-3dB)，阶跃响应小于1ms，与同类型的电液伺服阀相比其频响已明显提高。国内浙江大学利用GMM对气动喷嘴挡板阀、液压喷嘴挡板伺服阀和内燃机的高速强力电磁阀进行了机构设计和特性研究，其主要性能指标均高于传统伺服阀。
基于以上背景，申请者提出了一种单级直动式射流管伺服阀的新型结构，以期应用于未来高响应、高可靠性电液伺服阀的驱动部分或直接驱动中小功率液压伺服系统。该新型射流管伺服阀具有响应快、驱动功率和控制流量大等显著特点。
发明内容
本发明的目的利用超磁致伸缩材料响应速度快，能量传输密度高和输出力大等性能设计新型带有微位移放大机构的超磁致伸缩执行器以取代传统射流管伺服阀的力矩马达，设计出一种新型射流管伺服阀的结构，以期提高传统射流管伺服阀的频宽、响应速度和控制流量。
为实现以上目的，本发明中设计了一种超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀，其特征在于：包括阀体、配流器、一对电-机转换器、一对位于电-机转换器与配流器之间的微位移放大器。
上述电-机转换器包括热补偿罩、安装于热补偿罩内的超磁致伸缩棒、位于热补偿罩外侧的线圈骨架，还包括依次绕于线圈骨架外侧的驱动线圈和偏置线圈；
上述微位移放大器包括缸体、安装于缸体一端与上述对应的超磁致伸缩棒相联的大活塞、缸体另一端与上述配流器相连；
阀体上具有与配流器相连的主供油道和输出油道，还具有与相应缸体相连的一对单向预压力注油通道；
上述阀体还具有泄油冷却通道，该通道与配流器相连。
如上所述的超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀，其特征在于：上述单向注油通道通过单向阀实现单向注油，单向阀由弹簧座、弹簧、及钢球组成。
如上所述的超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀，其特征在于：上述热补偿罩与线圈骨架之间具有间隙，该间隙为上述泄油冷却通道的一部分。
本发明有益效果之一：本发明提供了一种新型射流管伺服阀结构，区别于普通射流管伺服阀，其射流管、喷嘴和接收器均为固定式结构；区别于偏转板式射流管伺服阀，其配流器不是由力矩马达驱动而是采用新型超磁致伸缩执行器驱动，该驱动方式充分利用并发挥了超磁致伸缩材料响应快、输出力大的特点，使该新型射流管伺服阀具有频响高，驱动能力强等特点；区别于偏转板式射流管伺服阀，该新型射流管伺服阀的核心部件配流器不是偏转式工作模式而是由超磁致伸缩执行器直接驱动即直动式工作模式，具有控制精度高的特点。
本发明有益效果之二：从结构和控制上保证了超磁致伸缩执行器的位移输出精度。即利用两个超磁致伸缩执行器的对置结构，将执行器工作时产生的热量利用射流管伺服阀的泄漏油液循环进行冷却；将执行器工作时产生的热位移由热补偿罩补偿。超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀端盖内侧结构上开有通孔，阀盖外侧开有螺纹孔用于连接冷却器和油箱。从配流器射出的油液，未进入接收器的油液沿阀体上的管道流入线圈骨架和热补偿衬罩的间隙对线圈骨架和热补偿罩进行冷却，冷却后的油液经阀盖上的通孔，进入阀盖和线圈骨架之间，最终从阀盖上的孔道流入阀外冷却器后回油箱。此结构充分利用了从射流管伺服阀的泄露油液对线圈骨架和超磁致伸缩棒进行冷却。热补偿罩的热膨胀系数与超磁致伸缩棒热膨胀系数相当，热补偿衬罩一端固定于阀体上，所以只能向另一侧热膨胀，带动超磁致伸缩棒也向磁致位移的反方向热膨胀，抵消超磁致伸缩棒的热变形对磁致位移的影响，同时由于两个超磁致伸缩执行器的对置式结构以及配流器接受两个执行器的共同驱动，则即使超磁致伸缩执行器温度升高并不能导致配流器的移动，只能导致油液压力的改变，因此该种结构可有效解决超磁致伸缩执行器热致伸长的不可控以及伺服阀配流器大位移移动时精度控制问题。
本发明有益效果之三：将超磁致伸缩执行器微位移放大和预压力施加两项关键技术通过一个新型微位移放大机构实现，具有位移放大倍数高，响应快、结构简单、响应速度快的特点。超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀活塞腔供油由阀外液压系统实现，油液压力由阀外液压系统溢流阀来调定，活塞腔压力即为作用在大活塞上压力，由于大活塞紧贴超磁致伸缩棒，所以可以通过调节活塞中油液压力来调节对超磁致伸缩棒施加的预压力。此种方法的实现了超磁致伸缩棒所受预压力的非机械调节，可以精确地调节预压力，使控制更精确。此种结构将超磁致伸缩执行器的微位移放大机构和预压力施加装置合为一体，取消了传统执行器调节预压力的预压弹簧，简化了超磁致伸缩执行器结构，提高了其工作可靠性，有利于更充分发挥超磁致伸缩式材料的动态性能。
本发明所设计的单级直动式射流管伺服阀结构，最小通流尺寸远大于喷嘴挡板阀，所以抗污染能力强，对油液洁净度要求不高，系统工作可靠性更高。此射流管伺服阀还有输出功率大的优点，即可作多级伺服阀的前置级，也可以直接用于中小功率液压伺服系统中。
附图说明：
图1为超磁致伸缩执行器驱动的单级射流管伺服阀结构图。
图2为超磁致伸缩执行器预压力施加装置原理图。
图3为配流器结构图。
图中标号名称：1-端盖、2-线圈骨架、3-偏置线圈、4-驱动线圈、5-热补偿衬罩、6-泄油通道、7-输出油道、8-配流器、9-大活塞、10-超磁致伸缩棒、11-单向阀阀座、12-弹簧、13-圆锥阀芯、14-主供油通道、15-预压力单向供油通道、16-阀体
具体实施方式：
如图1，2，3所示，该新型射流管伺服阀拟在传统偏转板式射流管伺服阀喷嘴和接收器之间设计新型超磁致伸缩执行器，并由该执行器驱动配流器以取代原偏转射流管伺服阀力矩马达及其驱动的偏流器，该新型配流器由超磁致伸缩执行器直接驱动并与其设计为一体结构，同时固定射流喷嘴和射流接收器，则射流液压放大器的动态响应完全由超磁致伸缩执行器决定，从而避开直接驱动大惯量的射流管而对系统动态响应的制约，同时由于超磁致伸缩执行器具有比力矩马达响应速度快、带载能力强等优点，这样在保证射流管伺服阀可靠性的同时可大大提高其响应速度和控制流量。
该新型射流管伺服阀为单级直动式结构，由于超磁致伸缩执行器输出力大，又带有微位移放大机构，因此该阀既可以应用于两级或多级伺服阀前置级又可以直接用于驱动中小功率液压伺服系统执行元件，当应用于两级或多级伺服阀前置级时，其反馈形式既可以采用力反馈也可以采用滑阀位移电反馈等形式，当其直接应用于液压伺服系统时其反馈形式可以采用系统流量反馈或压力反馈制成相应流量控制伺服阀或压力控制伺服阀。
所述超磁致伸缩执行器包括超磁致伸缩棒、线圈骨架、驱动线圈、偏置线圈、热补偿衬罩、大活塞、配流器。热补偿衬罩为U型，超磁致伸缩棒置于热补偿衬罩内，热补偿衬罩用螺钉固定于阀体上，热补偿衬罩和端盖支撑驱动线圈骨架，线圈骨架外绕有驱动线圈、驱动线圈外绕有偏置线圈，偏置线圈、驱动线圈与线圈骨架均安装在阀体内。超磁致伸缩棒输出端与大活塞直接接触，大活塞置于活塞腔内，活塞腔内注入具有一定压力的液压油液，活塞腔另一侧为配流器，大活塞直径大于配流器直径，由于液压油液可压缩性很小，大活塞位移与配流器位移之比为大活塞直径与配流器活塞直径平方的反比，实现从磁致伸缩棒磁致位移到配流器位移的放大。此放大机构完全消除了常用的机械式微位移放大装置的非线性、频响低等固有缺点，有效地保证了执行器的高频响、线性化特性。
如图1，2，3所示超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀提供了一种新型射流管伺服阀的结构形式并提供了解决阀用执行器微位移放大、预压力施加、执行器冷却与热补偿等关键问题的新方法。具体如下所述：
超磁致伸缩执行器微位移放大：驱动线圈4中通入交流电，产生变化的磁场使超磁致伸缩棒10被磁化，并使其长度发生变化，因超磁致伸缩棒10外侧被热补偿衬罩5固定，而热补偿衬罩5又用螺钉固定在阀体16上，所以超磁致伸缩棒10只能向内侧伸长，推动大活塞9运动，因为大活塞9和配流器8之间空腔内为压力油液，从而可以推动配流器8运动。大活塞9的直径大于配流器8直径，即可实现执行器输出微位移的放大。
超磁致伸缩棒预压力施加：超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀通过单向注油通道15注入压力油液，压力油液推动圆锥阀芯13压缩弹簧12，液压油便进入活塞腔，其油液压力由阀外溢流阀调定，则油液压力对大活塞9产生压力，大活塞9便对超磁致伸缩棒10施加预压力。因为活塞缸中压力油压力可调，而对超磁致伸缩棒10施加的预压力是由液压油的压力产生的，所以对超磁致伸缩棒10施加的预压力便可以通过改变液压油的压力来调节。
超磁致伸缩执行器冷却方法：如图1射流管射出的压力油经过配流器8后，未流入接收器的压力油经图1所示箭头方向流动，经过端盖16上的通孔流入端盖16和线圈骨架2之间的空腔，当油液升到端盖16上与油箱相连的通孔后，经阀外冷却器最终流入油箱，此油液循环过程中由于油液与热补偿罩5和线圈骨架2充分接触，因此可带走线圈发热和超磁致伸缩棒10发热传递的热量，达到冷却的目的。
超磁致伸缩执行器热补偿方法：如图1热补偿衬罩5采用导磁率小于1.03的不锈钢，其热膨胀系数与超磁致伸缩棒10热膨胀系数相当，超磁致伸缩棒10热变形由热补偿衬罩5热致伸长补偿，由于阀体16为固定结构，补偿衬罩5和超磁致伸缩棒10产生大小基本相等、方向均朝执行器驱动相反方向的热变形，从而保证执行器输出位移不受热变形的影响，提高了超磁致伸缩执行器的精度。
超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式射流管伺服阀工作原理如下所述：
如图1所示，首先向偏置线圈3输入直流电，用来保证超磁致伸缩棒10工作在选择好的静态压力状态下，使超磁致伸缩棒10工作在线性区域，以消除倍频现象，同时使两个超磁致伸缩执行器提供一定预伸长。通过两个单向注油通道15以及阀外溢流阀和液压泵向活塞缸体注入压力油液，为超磁致伸缩执行器施加预压力，并调整配流器8处于零位。由于射流喷嘴和两个射流接收器固定在阀体16上，而配流器8处于中位，此时由液压泵提供的压力油液经射流喷嘴后流入配流器8，配流器8流出的油液均匀地流入两个接收器通过输出油道输出相等的油液压力。
伺服阀正常工作时：向两个超磁致伸缩执行器输入差动电流，使一个执行器输入电流增大而另一个执行器输入电流减小，而两个执行器增加和减小的电流相等，由于两个执行器都有一定的初始电流即都有一定的预伸长量，因此输入差动电流后，一个执行器的超磁致伸缩棒10伸长而另一个执行器超磁致伸缩棒10缩短，其伸长量和缩短量保持相等。超磁致伸缩棒10的位移输出通过大活塞和压力油液传递给配流器8，使配流器8发生水平位移，其位移量与超磁致伸缩棒10位移输出量成比例放大关系，放大系数由大活塞9直径和配流器8直径决定。假如左侧执行器伸长而右侧执行器位移缩短，则配流器8右移，此时由于射流喷嘴和接收器固定，配流器8上口尺寸大，下口尺寸小，使得配流器8上口接受喷嘴的油液量不变，而下口由于配流器8右移使得阀体16上右接收器接受油液量大于左侧接收器接受的油液量，从而使得右侧输出油道输出压力大于左侧输出油道输出压力，该压力差值可用于驱动多级伺服阀功率级滑阀也可用于驱动中小功率液压伺服系统执行元件。
该伺服阀工作过程中，未进入接收器的泄漏油液沿图1中箭头方向流入线圈骨架2和热补偿衬罩5之间间隙以对线圈骨架2和热补偿罩5进行冷却，并沿箭头方向流入伺服阀外的冷却器后流回油箱。