基于磁控形狀記憶合金的伺服閥驅(qū)動(dòng)器

涂福泉，毛陽(yáng)，胡良智，李賀，曾慶斌，劉小雙

(武漢科技大學(xué)冶金裝備與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430081)

電液伺服系統(tǒng)朝著高頻大流量方向發(fā)展，以適應(yīng)實(shí)際工程技術(shù)領(lǐng)域的需要。傳統(tǒng)以電磁力馬達(dá)或力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的電液伺服閥頻寬一般較低，難以滿(mǎn)足快速精密反應(yīng)伺服系統(tǒng)的需求。為此，歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家較早已開(kāi)始進(jìn)行基于新型功能材料伺服閥驅(qū)動(dòng)器研究工作，并已開(kāi)發(fā)出如PZT、PMN、GMM 等新型驅(qū)動(dòng)器;我國(guó)利用新型功能材料開(kāi)發(fā)高性能伺服閥驅(qū)動(dòng)器的研究工作起步較晚，目前只有浙江大學(xué)、武漢科技大學(xué)、大連理工大學(xué)等少數(shù)科研院所在進(jìn)行相關(guān)的研究，并取得了一定的研究成果。

磁控形狀記憶合金(MSMA)是一種新型功能材料，其馬氏體相在外部磁場(chǎng)作用下可產(chǎn)生較大的變形，兼具壓電陶瓷與磁致伸縮材料響應(yīng)速度快及溫控形狀記憶合金輸出應(yīng)變大的特點(diǎn)，將其用于伺服閥電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)部分，有望解決目前新型功能材料伺服閥驅(qū)動(dòng)器存在的輸出位移量偏小的問(wèn)題，具有良好的應(yīng)用前景。

1 基于MSMA 材料的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MSMA 具有在電磁場(chǎng)的激勵(lì)下響應(yīng)時(shí)間短、單位長(zhǎng)度上能產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)位移、單位質(zhì)量?jī)?nèi)能產(chǎn)生較大的機(jī)械功率等其他材料所不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。MSMA材料能夠根據(jù)磁場(chǎng)方向的變化產(chǎn)生多方位的形變，如圖1所示，可以沿著軸向發(fā)生應(yīng)變，沿著周向產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，沿著徑向發(fā)生彎曲變形［1－2］。根據(jù)MSMA 材料的這些不同的變形過(guò)程，能夠根據(jù)具體的工程需要制造出各種各樣的驅(qū)動(dòng)器。

圖1 MSMA 材料的形變形式

但是磁控形狀記憶合金在電磁場(chǎng)中發(fā)生變形后撤出電磁場(chǎng)不能自行恢復(fù)形變，根據(jù)材料的應(yīng)變特性，在需要恢復(fù)變形的方向施加作用力，使材料恢復(fù)形變，如圖2(a)所示，文中通過(guò)在材料伸長(zhǎng)的方向用彈簧來(lái)施加反方向的作用力使材料恢復(fù)形變，如圖2(b)所示。

圖2 MSMA 材料恢復(fù)形變示意圖

使用直流線圈產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)和勵(lì)磁線圈產(chǎn)生可控磁場(chǎng)的MSMA 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3 左側(cè)先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖4所示，先導(dǎo)閥質(zhì)量0.002 kg。該驅(qū)動(dòng)器通過(guò)調(diào)節(jié)直流電的大小，來(lái)獲得理想的偏置磁場(chǎng)。彈簧在MSMA 材料沒(méi)有發(fā)生位移的情況下，保持其自然長(zhǎng)度。在“口”字形鐵芯一側(cè)開(kāi)有6 mm 的間隙，放置用于驅(qū)動(dòng)的材料MSMA，間隙內(nèi)放置5 mm ×5 mm×20 mm 的MSMA 材料，并確保通過(guò)驅(qū)動(dòng)材料的磁場(chǎng)和材料的伸長(zhǎng)方向成90°夾角，使材料產(chǎn)生較好的驅(qū)動(dòng)效果。勵(lì)磁繞組產(chǎn)生I 交流電信號(hào)，用來(lái)控制驅(qū)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng);直流繞組產(chǎn)生I0直流信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)阻值的大小用來(lái)產(chǎn)生和調(diào)節(jié)偏置磁場(chǎng)。

圖3 MSMA 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

圖4 閥芯的結(jié)構(gòu)和尺寸

2 MSMA 驅(qū)動(dòng)器參數(shù)計(jì)算以及仿真結(jié)果

外加磁場(chǎng)達(dá)到0.5 T 時(shí)，MSMA 材料變形狀態(tài)基本上達(dá)到飽和狀態(tài)［3］，建模基于［4］:(1)MSMA 樣品內(nèi)部的應(yīng)變?chǔ)拧?yīng)力σ、磁場(chǎng)強(qiáng)度H 和磁感應(yīng)強(qiáng)度B 均勻;(2)忽略漏磁通、渦流對(duì)激勵(lì)電流的抑制作用;(3)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中MSMA 一端位移為零，另一端始終與負(fù)載有相同的位移、速度和加速度。

在驅(qū)動(dòng)器的磁路中，繞組線圈的繞制圈數(shù)N，用于產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)的電流強(qiáng)度I，通過(guò)MSMA 材料磁場(chǎng)強(qiáng)度H，間隙大小g，磁感應(yīng)強(qiáng)度B 存在以下關(guān)系:

空氣中的導(dǎo)磁率μ0≈4π×10－7H/m，μ 為MSMA材料相對(duì)于客氣的磁導(dǎo)率μ≈1.5。選取外加激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.3 T，選取0.2 T 作為偏置磁場(chǎng)。激勵(lì)電流為I=1 A，產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)的直流電流為I0=2 A。聯(lián)立式(1)—(2)，求得H=2.6 ×105T，繞組N=520 匝。

根據(jù)AdaptaMat 公司提供的測(cè)試數(shù)據(jù)，近似求得壓磁系數(shù)q =1.990 8 ×10－7，彈性模量Ceff=1.91 ×109Pa。建立材料的靜力學(xué)模型，如下建立了應(yīng)變?chǔ)牛艌?chǎng)參數(shù)B、H，外應(yīng)力σ，壓磁系數(shù)q 以及在磁場(chǎng)中材料彈性模量Ceff之間的關(guān)系［5－6］:

再聯(lián)立材料長(zhǎng)度和應(yīng)變的關(guān)系為:ε =x/l，電磁定律:Φ=BA，磁路定律:NI=φR，得出:

代入數(shù)值計(jì)算得，Ki=126.7 N/A，Kx=2.5 ×105N/m。

x1為在勵(lì)磁磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的位移增量，x0為直流信號(hào)產(chǎn)生的位移量，A 為MSMA 的橫向截面積，R 為總磁阻，驅(qū)動(dòng)器的輸出力可以表述為:

由式(6)可理論上計(jì)算出驅(qū)動(dòng)力大小為F =126.7 N。驅(qū)動(dòng)器達(dá)到1.2 mm 的位移。

MSMA 驅(qū)動(dòng)器的等效力學(xué)模型如圖5所示，設(shè)K1為彈簧的剛度系數(shù)，C1=Bv+Bf，Bv為黏性摩擦系數(shù)，由內(nèi)摩擦學(xué)原理可知Bv= μπdl/rc;μ 為油液動(dòng)力黏度，文中取其值為μ =0.022 5 Pa·s，d 為設(shè)計(jì)滑閥直徑;l 為閥芯凸肩總長(zhǎng);rc為閥芯與閥套間的間隙，選用rc=3 μm。計(jì)算得出先導(dǎo)閥黏性摩擦系數(shù)Bv=1.53。在文中所涉及的滑閥工作過(guò)程中，一對(duì)閥口同時(shí)參加工作，壓力變化為，瞬態(tài)液動(dòng)力為，在設(shè)計(jì)時(shí)，先導(dǎo)閥瞬態(tài)液動(dòng)力阻尼系數(shù)Bf=0.06。等效質(zhì)量即閥芯的質(zhì)量m1=0.002 kg。彈簧對(duì)MSMA 的作用可以等效表示為:

圖5 MSMA 驅(qū)動(dòng)器等效力學(xué)模型

根據(jù)牛頓第二定律，MSMA 的輸出力:

圖6 基于MSMA 驅(qū)動(dòng)器的位移動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖

3 結(jié)論

仿真結(jié)果表明:基于MSMA 的驅(qū)動(dòng)器滿(mǎn)足伺服閥的工作要求，證明MSMA 材料有望成為新一代驅(qū)動(dòng)器的重要材料。但是磁控形狀記憶合金新型功能材料的應(yīng)用研究還處于起步階段，新型MSMA 材料仍面臨溫度、滯后、能量損失等許多問(wèn)題，需要進(jìn)一步深入研究。

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