磁致伸縮棒驅動的雙向電靜液作動器

王振宇，朱玉川，羅 樟，李宇陽

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

作動器早期被用于飛機、制導武器及汽車主動懸掛技術等領域，并逐步向高集成度方向發展。智能材料驅動的電靜液作動器由于具有結構簡單、緊湊及輸出力大等特點，已被國內、外學者廣泛研究[1-3]，其結構和功能組成中，智能材料驅動泵配流和作動器換向是智能材料作動器兩個關鍵結構和主要功能，并直接決定作動器的性能，國內、外現有研究中，配流閥主要分成被動式和主動式配流閥兩類，而被動式配流閥又以膜片閥應用最廣，主動式配流閥則以開關閥、磁流變或電流變閥為主；換向閥則以電磁換向閥最常用。

楊旭磊等[4]利用膜片閥作為配流閥，設計了一種單向運動型超磁致伸縮電靜液作動器，并對其輸出性能進行了測試，實驗測得作動器最佳驅動頻率為250 Hz，最大無負載流量為0.85 L/min。GUO Y Z等利用膜片閥作為配流閥，設計了一種單向壓電疊堆驅動的電靜液作動器[5]，實驗測得其最佳驅動頻率為275 Hz，最大無負載流量約1.6 L/min、Wereley等[6]利用膜片閥作為配流閥研制了一種單向運動型超磁致伸縮作動器，分析了不同長度(51 mm和102 mm)的超磁致伸縮棒對作動器性能的影響，實驗得到作動器最大無負載流量分別為24.8 cm3/s、22.7 cm3/s。Nam Seo Goo[7]同樣利用膜片閥作為配流閥，設計了一種單向壓電作動器，并測試了其輸出功率，結果表明，其最大輸出力為346 N，在250 Hz，1 000 V的驅動電壓下最大輸出功率為8.74 W。Chopra等[8]設計了一種雙向壓電作動器，利用膜片閥及一個兩位三通換向閥分別實現了作動器的配流及換向。Anderson等[9]設計了一種大行程、大輸出功率的雙向壓電作動器，其配流作用采用4個開關閥實現，并通過控制4個開關閥的開閉順序實現了作動器的雙向運動。Han等[10]同樣設計了一種雙向壓電作動器，并研究了其輸出性能，實驗中采用膜片閥作為配流閥，且利用電磁換向閥使作動器實現換向，在驅動頻率為185 Hz，偏壓為2 MPa時，作動器阻斷力可達970.2 N。Wereley等[11]設計了一種雙向磁流變液作動器，其配流作用采用4個磁流變液閥實現，并通過主動控制4個磁流變液閥的通電順序實現了作動器的雙向運動。

綜上所述，目前研究多采用膜片閥作為配流閥，但由于膜片自身的慣量以及高速配流時油液的附屬質量作用，使得作動器驅動泵活塞在高頻運動時膜片閥響應滯后及閥口出現一定的回流現象[12]，限制了作動器的流量提升，且利用電磁換向閥進行換向也增加了作動器元件和復雜性，不利于作動器的集成化。

因此，本文設計了一種新型磁致伸縮電靜液作動器，其核心是提出了一種新型主動式配流換向一體式配流閥，即采用一種閥芯周向開有均布溝槽的轉閥主動旋轉實現配流，通過轉閥轉動與智能材料驅動信號相位差的控制實現作動器換向與流量伺服調節，與被動式膜片閥相比，其具有配流精度高，響應快；與電磁換向閥相比，其具有結構簡化、流量連續可控的優點。

1 作動器工作原理及結構

磁致伸縮電靜液作動器(MEHA)的工作過程可分為壓縮、排油、回擴、吸油4個過程，如圖1所示。通過磁致伸縮泵的往復運動及單向閥的配流作用，可使作動器輸出直線位移。

圖1 作動器的4個工作階段示意圖

若采用主動配流閥作為單向閥，則MEHA的工作原理如圖2所示。由圖可看出，主動配流閥的軸肩上開有均布溝槽，并由外部電機帶動閥芯進行旋轉，當槽口與油口連通時，即表示單向閥的開啟狀態，磁致伸縮泵即可實現排油或吸油的工作階段。

圖2 MEHA工作原理示意圖

2 主動配流閥通流面積模型

實驗中取主動配流閥的溝槽數為6，因此在閥芯每旋轉60°時，磁致伸縮泵進行一次吸排油過程，其中吸油和排油過程各需旋轉30°。由流量計算式可知，MEHA的輸出流量與主動配流閥的槽口面積相關，因此，需要對主動配流閥的通流面積進行數學模型的建立[13]，圖3為主動配流閥的通流面積示意圖。

圖3 主動配流閥通流面積示意圖

由圖3可看出，通流面積S1隨閥芯旋轉呈先增大后減小趨勢，而通流面積S2一直保持不變。由此建立通流面積為

(1)

(2)

式中：r為油口半徑；R為軸肩半徑；α0=15°為主動配流閥的旋轉角度；hg為溝槽深度。

由此得到主動配流閥的輸出流量為

(3)

(4)

式中：Qin為主動配流閥的輸入流量；Qout為主動配流閥的輸出流量；pch為泵腔內的壓力；pfh為高壓側油液壓力；pfl為低壓側油液壓力；Cd為流量系數；S為主動配流閥通流面積；ρ為油液密度。其中的符號函數表示此等式考慮了油液的回流現象。

3 仿真模型及分析

通過對MEHA工作原理的分析，建立作動器系統Simulink仿真模型如圖4所示。

圖4 作動器系統仿真模型

改變驅動電流的相位角，得到不同驅動頻率下，相位角與作動器輸出流量的關系曲線如圖5所示。

圖5 作動器輸出流量隨輸入相位角的變化

由圖5可看出，隨著驅動電流相位角的增大，作動器輸出流量呈正弦規律變化，且在一定頻率范圍內，輸出流量隨驅動頻率的增加而增大。其中輸出流量為負值表示作動器沿反向運動，因此，改變驅動電流的相位角可實現作動器不同流量的輸出，并可實現作動器正反向運動。

4 實驗驗證

搭建的MEHA測試平臺原理圖如圖6所示。在驅動頻率為50 Hz，驅動電流為6 A時，對不同相位角下的作動器輸出位移進行測試，如圖7所示。

圖6 MEHA測試平臺原理圖

圖7 不同相位角下，作動器輸出位移曲線

由圖7可看出，在驅動電流的相位角為10°和-30°時，作動器沿正向運動，當其相位角改變為190°和150°時，作動器沿反向運動，即通過改變主動配流閥通流面積與磁致伸縮棒驅動電流的相位角，實現了作動器的雙向運動。因此與已有的磁致伸縮電靜液作動器相比，本文設計的作動器不需使用電磁換向閥即可實現作動器的雙向運動，使得作動器結構更緊湊，更易實現作動器的換向。

在不同偏壓下，驅動電流的頻率與作動器的輸出流量關系曲線如圖8所示。由圖可看出，在一定頻率范圍內，作動器的輸出流量隨著驅動頻率的增加而增加，但超過最佳驅動頻率后，由于系統共振，使得磁致伸縮棒的位移減小，因此輸出流量減小。

圖8 作動器輸出流量隨驅動頻率的變化

5 結論

本文設計了一種磁致伸縮電靜液作動器，并提出了一種新型主動配流與換向一體式的配流換向閥，利用開有均布溝槽的閥芯主動旋轉實現了作動器的配流，并通過控制主動轉閥的通流面積與磁致伸縮棒驅動電流的相位差以實現作動器的換向及輸出流量的伺服控制，從而避免使用電磁換向閥實現換向導致的結構體積增大和換向頻率的限制，簡化了作動器系統，使其結構更緊湊。由此可得結論：

1) 由于主動配流閥閥芯圓周方向上開有均布溝槽，因此，可通過旋轉主動配流閥的閥芯實現磁致伸縮泵油口與油路的通斷，從而實現驅動泵的配流作用，并可避免膜片閥的響應滯后與回流現象，提高作動器高頻配流的流量輸出性能。

2) 由實驗和仿真對比結果看出，改變主動配流閥通流面積與磁致伸縮棒驅動電流的相位差可實現作動器的正反向運動，且相位差與作動器輸出流量具有線性比例關系。

3) 對作動器系統進行輸出性能測試，得到了系統的最佳驅動頻率為120 Hz，在0.6 MPa的系統偏壓下，作動器最大無負載流量為1.28 L/min。