基于雙磁致伸縮材料棒的電動靜液執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)研究

周文君

（山西天地煤機裝備有限公司 內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017209）

0 引言

電動飛機被認為是未來飛機發(fā)展的一種選擇，并且已經(jīng)應用于少數(shù)飛機[1]。靜液壓致動器（EHA）是電動飛機的主要部分，主要用于控制飛機的飛行控制面，其性能決定了整個系統(tǒng)的可靠性[2]。因此，高性能EHA的開發(fā)意義重大。智能材料是一種新型的功能材料，是重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。考慮到它們具有高頻響應和高功率密度的特性，一些研究檢查了由智能材料組成的EHA[3]。

通常，由智能材料驅(qū)動的EHA由智能材料泵、整流閥、液壓缸和流路組成[4]，其中整流閥分為主動閥和被動閥。由于被動閥的響應速度在高頻率下還不夠高，因此在本研究中使用主動閥作為整流閥進行了仿真研究。

鑒于單個智能材料單元產(chǎn)生的位移很小，最近使用多種智能材料作為驅(qū)動器來放大輸出位移或?qū)崿F(xiàn)不同的運動的情況已引起了人們廣泛的研究興趣。例如，相關(guān)研究人員于2010年提出了一種由壓電堆驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)電動機的機構(gòu)和設(shè)計方法[5]。在這項研究中，將相同的電壓信號同時施加到2個壓電堆上，并且中心轉(zhuǎn)子因摩擦而旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)電動機可實現(xiàn)正向和負向旋轉(zhuǎn)，最大負載分別為74 N和78 N。本文提出了一種由兩種巨大的磁致伸縮材料組成的復合驅(qū)動器的機電轉(zhuǎn)換器（GMM）棒。兩個GMM桿通過Z型套筒組合在一起，以實現(xiàn)GMM執(zhí)行器的高位移輸出。

本文研究的目的是設(shè)計1個基于雙磁致伸縮棒的靜液壓執(zhí)行機構(gòu)（DMEHA），描述其工作原理，并將輸出流量與基于單個磁致伸縮棒的靜液壓執(zhí)行機構(gòu)（SMEHA）進行比較。為了比較它們的性能，2個致動器中的磁致伸縮材料棒（MMR）的總長度和線圈匝數(shù)相等。為了實現(xiàn)氣缸的雙向輸出位移，采用了兩個輸入電流信號的初始相位角。此外，由于使用了主動旋轉(zhuǎn)閥，DMEHA可以實現(xiàn)更高的峰值流量。這與由于使用傳統(tǒng)的被動簧片閥而呈現(xiàn)出較小峰值流量的其他EHA相反。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 DMEHA三維模型圖

DMEHA的三維模型如圖1所示，它由2個基于磁致伸縮材料的泵（MMP）、主動旋轉(zhuǎn)閥、液壓缸和歧管組成。2個MMP的安裝位置相互成90°。

主動旋轉(zhuǎn)閥將2個MMP的出口連接到歧管的不同油路，以使一個泵吸入的油在工作過程中不會干擾另一泵排出的油。DMEHA的工作過程：當泵1處于排油階段時，則泵2處于吸油階段。經(jīng)過主動旋轉(zhuǎn)閥的校正后，泵1排放的機油流向端口1，而端口2的機油流向泵2。另外，當泵1處于吸油階段時，泵2處于排油階段。經(jīng)過主動旋轉(zhuǎn)閥的校正后，端口2的油流向泵1，而泵2排出的油流向端口1。端口1始終用作排油端口，端口2始終用作吸油端口。因此，如果2個MMP的驅(qū)動頻率與主動旋轉(zhuǎn)閥的頻率相匹配，則液壓缸將實現(xiàn)連續(xù)排量。

2 數(shù)學模型

基于DMEHA的結(jié)構(gòu)，本文重點進行了磁性材料泵（MMP）模型研究。

圖2所示為磁性材料泵的示意圖。信號發(fā)生器產(chǎn)生的電壓信號通過功率放大器轉(zhuǎn)換為線圈的輸入電流。當向線圈施加交流電時，會在磁性材料泵的軸向方向上產(chǎn)生交變磁場，并使磁性材料泵顯示相應的輸出位移，從而使柱塞運動。貝爾維爾彈簧用于線性化磁性材料泵的輸出。基于上述工作原理，磁性材料泵運動過程的數(shù)學模型分為3個部分：電壓-電流轉(zhuǎn)換模型，磁性材料泵的位移-力模型和機械動力學模型。

電壓-電流轉(zhuǎn)換模型：功率放大器通過電阻電容（RC）網(wǎng)絡(luò)控制負載電流的大小。因此，功率放大器的數(shù)學模型被描述為二階系統(tǒng)，功率放大器二階系統(tǒng)函數(shù)的數(shù)學表達式為

圖2 磁性材料泵模型示意圖

式中：G(s)為功率放大器二階系統(tǒng)函數(shù)；kU為功率放大器的放大系數(shù)；T為RC網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)；s為負載電流；ωU、ξU分別表示二階系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。

鑒于功率放大器的內(nèi)部電路很復雜，將階躍信號和一些不同頻率的正弦信號提供給功率放大器，以識別式（1）中的4個主要參數(shù)及4個主要參數(shù)不等式。

MMR的位移力模型：使用壓電系數(shù)并通過線性化表示MMR的位移力模型。當線圈以電流I通電時，MMR中的磁通量Φ滿足以下表達式：

式中：N為線圈匝數(shù)；Rg為磁阻；x為MMR的輸出位移；d33為線圈通徑。

磁致伸縮力F的表達式為

式中：k表示渦流常數(shù)；Φ表示渦流深度；d33為線圈通徑。

3 仿真模型與分析

基于上述數(shù)學模型，本文建立了MATLAB/Simulink模型，分析了仿真模型的一些主要參數(shù)設(shè)置。為了分析主動旋轉(zhuǎn)閥的流量，將兩個振幅為6 A、直流偏置為3 A、頻率為50 Hz的正弦電流信號施加到泵1和泵2。泵1和泵2的電流信號和流量如圖3所示，其中Q1in和Q2in分別表示從旋轉(zhuǎn)閥吸入到泵1和泵2的油的流量，而Q1out和Q2out分別表示從泵1和泵2排放到旋轉(zhuǎn)閥的油的流量。

圖3 仿真模型分析結(jié)果

如圖3 仿真模型分析結(jié)果所示，在仿真過程中，x軸表示時間（以ms 為單位），由于2 個信號之間的相位差，泵1的輸入電流信號在0～10 ms內(nèi)逐漸增加，而泵2的輸入電流信號在同一時間段內(nèi)減小。因此，泵1連續(xù)排出油，而泵2連續(xù)吸入油。此外，泵最初先升高然后降低。同時，泵壓力也先升高然后降低。在10～20 ms內(nèi)，泵1的輸入電流信號逐漸減小，而泵2的輸入電流信號逐漸增大，因此，泵1持續(xù)吸油，而泵2持續(xù)排放油。在整個過程中，均通過旋轉(zhuǎn)閥進行流量整流，旋轉(zhuǎn)閥將來自排放泵的流量引導至出口端。整流作用導致油流不斷，而油流又產(chǎn)生了氣缸活塞的連續(xù)運動。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了雙磁致伸縮棒的靜液壓執(zhí)行機構(gòu)的新結(jié)構(gòu)，并提出了其工作原理：1）一個簡單而緊湊的主動旋轉(zhuǎn)閥用于執(zhí)行油流整流，以實現(xiàn)執(zhí)行器的連續(xù)位移。根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)各部分的工作原理，建立了仿真模型，其結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。2）將新雙磁致伸縮棒的靜液壓執(zhí)行機構(gòu)的性能與基于單個磁致伸縮棒的靜液壓執(zhí)行機構(gòu)的性能進行了比較。結(jié)果表明，雙磁致伸縮棒的靜液壓執(zhí)行機構(gòu)的最大輸出流量在150 Hz的驅(qū)動頻率下為2.61 L/min，而基于單個磁致伸縮棒的靜液壓執(zhí)行機構(gòu)的最大輸出流量在110 Hz的驅(qū)動頻率下為1.2 L/min。