智能材料驅動的高速開關閥

羅 樟，朱玉川

(南京航空航天大學 機電學院,江蘇 南京 210016)

0 引言

高速開關閥作為一種數字閥，因其具有抗污染，重復性好，非線性現象對數字閥控制系統影響小等特點，而被廣泛應用于汽車與航空發動機燃油噴射，汽車與飛機剎車等領域，通常由脈寬調制(PWM)數字信號驅動，通過調節PWM信號占空比輸出離散化流量[1]。目前,市場上的高速開關閥多采用電磁鐵作為其電-機轉換器，其工作頻率通常低于50 Hz。與電磁式高速開關閥相比，將智能材料應用在高速開關閥上，可以提高其頻響與流量輸出精度，如文獻[2-3]中的電-機轉換器分別利用壓電疊堆和超磁致伸縮材料驅動，其工作頻寬大于400 Hz，響應時間小于1 ms。

應用于高速開關閥驅動的智能材料主要包括磁致伸縮材料、壓電疊堆、磁流變液及形狀記憶合金等，這些材料在外界的激勵下其形狀或狀態會發生快速改變，利用智能材料的這種特性可以將其作為高速開關閥的電-機轉換器。

1 智能材料及其電-機轉換器

壓電材料在施加一定的電壓時會發生形變。可以利用壓電材料作為液壓控制閥的電-機轉換器，圖 1為郭亞子等設計的基于壓電疊堆的電-機轉換器原理圖，其結構簡單，響應速度小于0.5 ms，頻寬大于600 Hz[2]。但壓電疊堆在高頻方波工作狀態下，其電極和疊堆間的粘接層易脫落，將導致壓電疊堆擊穿損壞。

圖1 壓電電-機轉換器

磁致伸縮材料在磁場作用下會發生一定形變，不施加磁場時磁致伸縮材料恢復原形，具有響應快，輸出力大及能量傳輸功率密度高等優點。圖2為楊旭磊等設計的基于超磁致伸縮材料的電-機轉換器，其響應時間小于1 ms，在實驗中其頻寬大于400 Hz[3]。與壓電疊堆相比磁致伸縮材料需使用線圈，體積較大，易發熱。

圖2 磁致伸縮電-機轉換器

形狀記憶合金分為溫控形狀記憶合金和磁控形狀記憶合金，溫控形狀記憶合金在一定的溫度下發生相變，可以為液壓控制閥提供一定的驅動力。但是溫度控制難度相對較大，且響應時間過大[4]。

磁控形狀記憶合金通過磁場來控制孿晶變異體的重新調整定向，而使磁控形狀記憶合金宏觀上發生形變[5]。與溫控形狀記憶合金相比其響應速度快，與壓電和磁致伸縮材料相比其應變大，且兼備了大應變和響應速度較快的優點。但其形變不能自動恢復需施加外力，且居里溫度相對較低[6]。圖3為Adapta Mat公司的一款磁控形狀記憶合金作動器，其輸出位移為5 mm，工作頻率為300 Hz，但輸出力只有5 N。

圖3 磁控形狀記憶合金作動器

磁流變液在外加磁場的作用下，可以從牛頓流體轉變為粘性流體，撤去磁場后可以恢復為牛頓流體[7-8]。磁流變液高速開關閥結構較簡單，但系統工作介質需替換為磁流變液，目前的磁流變液可控流量較小，且穩定性差限制了其應用[9]。

由于智能材料本身的特性(如磁致伸縮材料和壓電材料)，其閥芯位移小，導致高速開關閥可控流量較小，可利用放大裝置放大其輸出位移。

微位移放大裝置按放大方式可分為柔性鉸鏈放大式、壓曲放大式和液壓放大式[10]。柔性鉸鏈放大根據原理的不同又可分為杠桿放大、三角放大和平行四邊形放大(見圖4)。它具有無機械摩擦，動作靈敏度高等優點[11]，但通常要達到相應的放大倍數都要做成多級放大，其具有結構復雜，易疲勞損壞及帶載能力差等缺點[12]。

圖4 柔性鉸鏈放大

壓曲放大機構利用薄板或薄殼體受壓或受拉變形原理，薄板的初始曲率越小其放大倍數越高。智能材料有兩種布置方式。布置在中間時如圖 5所示，當智能材料伸長或縮短時壓曲放大機構的輸出形式分別為收縮和擴張；智能材料布置在兩側時(見圖6),壓曲放大機構輸出形式與布置在中間時相反[10]。壓曲放大機構具有結構簡單，加工精度要求不高的特點。但該放大機構產生的反力較大，輸出力偏小。

圖5 中間布置式

圖6 兩側布置式

液壓放大機構是一個密閉的容腔(見圖7)，里面充有液體，驅動裝置推動液壓放大裝置的大活塞動作，擠壓液壓放大裝置容腔內液體，在容腔內產生一定的壓力，從而推動液壓放大裝置中的小活塞動作，由于兩活塞面積不同，工作時小活塞的位移大于大活塞的位移，在不考慮腔內液體體積壓縮量時，大、小活塞的位移之比與其面積之比成反比；液壓放大機構具有結構簡單，承載能力高，放大倍數為直徑之比的平方，可在一定的體積內達到更大的放大倍數[13-14]。但是液壓放大裝置存在泄漏、動態性能較差等問題。

圖7 液壓放大原理圖

2 高速開關閥基本原理

高速開關閥的控制信號為數字信號,它的輸出流量為離散流量[15]，其控制原理圖如圖8所示。高速開關閥主要由電-機轉換器、閥芯和閥套組成。在工作時由上位機將控制程序導入下位機，下位機產生數字信號通過控制電源(一般通過繼電器控制電源或通過功率放大器將下位機產生的數字信號放大)驅動高速開關閥電-機轉換器，電-機轉換器將數字信號轉換成閥芯的動作，其閥芯始終處于兩端極限位置，故高速開關閥閥芯通常只有兩位，其中兩位兩通的高速開關閥最常見。

圖8 高速開關閥控制原理圖

單個高速開關閥的控制方式一般有PMW、脈頻調制(PFM)和脈數調制(PNM)等方式，或上述控制方式的復合控制。高欽和等針對高速開關閥流量控制存在的死區和飽和區的問題，利用PFM和PWM相結合的控制方式，使其控制流量線性化[16]。為提高高速開關閥的動態特性，張斌等在傳統PWM控制的基礎上，提出了三電壓控制，降低了閥芯的開啟時間[17]。

多個不同控制流量高速開關閥集成的控制方式為脈碼調制(PCM)。2015年,Matti Linjama設計了數字式液壓閥系統(DVS)將4組126個高速開關閥集成在一個油路塊中，油路塊采用PCM控制方式(見圖9)，實驗結果表明，該系統可以代替傳統的CETOP3伺服閥或比例閥[18]。

圖9 DVS油路塊

3 智能材料驅動高速開關閥

3.1 磁致伸縮高速開關閥

Hirohisa等提出了一種超磁致伸縮材料(GMM)驅動的共軌比例噴油器，利用3對長度為30 mm、直徑為3.5 mm的磁致伸縮棒以間隔120°的角度均勻布置，以保證輸出桿穩定，并且兩組棒狀結構在套筒中串聯耦合，這種結構可以在一定軸向尺寸下獲得更大的位移，但該結構增大了閥的徑向尺寸。GMM棒在套筒中的排布關系如圖 10所示。該噴油器中的高速開關閥閥芯最大開口為50 μm，開啟時間和關閉時間分別為0.3 ms和0.5 ms，在160 MPa供油壓力下流量為1.8 L/min[19]。

圖10 GMM棒在套筒中的排布關系

石延平等提出了一種大流量高速開關閥，該閥采用二級控制，其中先導閥(見圖11)利用兩個磁致伸縮棒，通過杠桿放大機構分別驅動閥芯和閥套，從而增大閥的通油面積，為便于裝配，活動閥套設計為分體式。該閥的切換時間為1.4～1.8 ms，5 MPa下最大輸出流量為1.24 L/min[20]。

圖11 雙磁致伸縮先導閥結構

2013年,馬孝忠以超磁致伸縮致動器和高速開關閥為研究對象，設計了新型的高速開關閥結構(見圖 12)，該高速開關閥采用多通流面閥芯結構，閥芯由超磁致伸縮材料直接驅動，在閥芯上開有寬為1 mm，深度為閥芯長度的一半且為均勻布置的2個環形槽，在閥芯均勻布置多個小孔以溝通環形槽進行引流，該結構在相同閥芯位移下提高了通油面積[21]，但該閥閥芯結構復雜，裝配時由于有多個接觸面，易產生油液泄漏。

圖12 基于GMA的多通流面高速開關閥

3.2 壓電疊堆高速開關閥

壓電疊堆高速開關閥利用壓電疊堆作為電-機轉換器，1991年，橫土真一提出一種利用壓電疊堆材料驅動兩位三通高速開關閥作為先導閥，如圖 13所示。該閥閥芯采用錐閥結構，壓電疊堆兩側布置，一側有滑動器，可以調節閥芯的零位，該閥的響應速度很快，開關時間小于0.1 ms，控制流量的精度較高，但是閥芯位移只有0.015 mm[22]，控制流量較小。

圖13 雙壓電疊堆高速開關閥

圖14、15為德爾福公司的第三代共軌系統DFI3壓電噴油器。壓電疊堆通過液壓放大機構直接控制噴嘴針閥的運動，壓電疊堆通電時通過液壓放大機構使針閥關閉，斷電時針閥通過高壓燃油的壓力開啟[23-24]。

圖14 DFI3壓電噴油器

圖15 DFI3壓電噴油器原理圖

2010年,許有雄等研究了一種壓電疊堆驅動的兩位三通高速開關閥,如圖16所示。該閥采用杠桿放大原理對壓電疊堆位移進行放大，閥芯設計為擋板式結構，與彈性鉸鏈放大機構做成一體。工作時由壓電疊堆通過彈性鉸鏈放大機構帶動擋板運動，在150 V輸入電壓下閥芯位移為47 μm，壓電疊堆位移為11.2 μm，其開啟時間約為0.57 ms,關閉時間約為0.3 ms,其調制頻率達1 kHz，0.5 MPa時空載流量為19.7 L/min[25]，但是該結構的擋板打開時需克服靜壓力，不適合在較大供油壓力下工作。

圖16 壓電擋板式開關閥

3.3 形狀記憶合金高速開關閥

SophieNalbach等提出一種基于溫控形狀記憶合金(SMA)的高速開關閥(見圖 17)，形狀記憶合金絲拉動閥芯動作，閥芯靠彈簧復位。當形狀記憶合金絲線徑為0.25 mm時其閥芯最大行程為3.5 mm，在控制電流為4 A時閥芯開口時間小于0.3 s，閥芯最大關閉時間為0.8 s。但是當線徑為0.5 mm時最大關閉時間達到2 s[26]。

圖17 SMA高速開關閥

覃艷金等設計了基于磁控形狀記憶合金(MSMA)兩位三通高速開關閥，原理圖如圖 18所示。由對稱布置的兩個磁控形狀記憶合金電-機轉換器通過差動方式直接驅動閥芯動作，其中磁控形狀記憶合金的激勵磁場由線圈通電產生[27]。

圖18 磁控形狀記憶合金高速開關閥

3.4 磁流變高速開關閥

NORMAN M Wereley教授在混合液壓作動器中使用磁流變液(MR)設計高速開關閥，并利用4個磁流變液高速開關閥構成液壓橋路控制液壓缸運動[28]，其結構原理和實物分別如圖19、20所示。在該狀態下，Q2和Q4關閉，Q3和Q1打開，液壓缸向上運動。

圖19 混合液壓作動器原理圖

圖20 混合液壓作動器實物圖

2012年，莫子勇設計了一種基于磁流變液的高速開關閥，采用雙線圈控制(見圖21)，該閥利用磁流變液作為先導閥控制主閥芯運動，主閥為二通插裝式錐閥。先導閥通電時，其工作間隙處磁流變液變為近似固體，此時先導閥關閉，主閥控制腔油壓與主閥進油口油壓相等，在彈簧力作用下，主閥閥芯關閉。先導閥斷電時，其工作間隙處磁流變液為牛頓流體，先導閥處于打開狀態，進油腔壓力大于控制腔壓力，主閥閥芯打開[29]。

圖21 磁流變液插裝式高速開關閥

3.5 國內外智能材料驅動的高速開關閥對比

綜上所述，國內、外智能材料驅動的高速開關閥部分參數對比如表1所示。在智能材料驅動的高速開關閥方面，國內、外都進行了大量的研究，國外在1991年就有相關方面的研究，且取得了一定的成果，壓電疊堆驅動的高速開關閥已在汽車的燃油噴射器上使用。國內在相關方面的研究略晚，且大多都處于仿真研究階段，與國外相比還有一定的差距。對于不同智能材料驅動的高速開關閥，通過對比可知，利用壓電疊堆驅動高速開關閥的響應時間最快，磁致伸縮材料次之，溫控形狀記憶合金最慢。

表1 國內外智能材料驅動的高速開關閥對比

4 總結與展望

高速開關閥可利用其高頻特性，即快速的開關動作而達到近似連續的流量或壓力控制效果，由于傳統電磁式的電-機轉換器存在頻響不高，推力不足等問題，利用智能材料作為電-機轉換器可以提高高速開關閥的頻響和流量輸出精度。在具體應用上，由于壓電和磁致伸縮材料的高頻響，高輸出力和小輸出位移的特性，可以犧牲一部分頻響和輸出力來控制更大的流量，如通過增加閥芯通徑、增加微位移放大裝置或作為先導閥。對于溫控形狀記憶合金，迅速準確的溫度控制較難，基本上不適合應用于高速開關閥。MSMA的變形率可以滿足高速開關閥的要求，但輸出力較小，且形變需靠外力才能恢復，較大的外力可以提高頻響但會降低輸出位移，在高速開關閥上使用需綜合考慮頻響和輸出位移，還要考慮溫度對MSMA的影響。基于MR設計的高速開關閥無運動部件，其結構和加工最簡單，因此閥的成本較低，但使用工作介質MR較貴，設計時需綜合考慮高速開關閥和MR的成本。

本文闡述了不同類型的智能材料電-機轉換器性能特點，并分析了各類型智能材料電-機轉換器在高速開關閥上應用的優缺點，綜述了國內外智能材料驅動高速開關閥的研究現狀和特點。