[发明专利]超磁致伸缩执行器驱动的两级滑阀式电液伺服阀

说明书

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

传统的两级电液伺服阀其前置级多为喷嘴挡板阀，喷嘴挡板的运动一般由力 矩马达进行驱动，该型伺服阀具有动作灵敏，阀芯不易卡阻，线性度好，温度和 压力零漂小等优点，同时有具有抗污染能力差，内泄露大，功率损失大，效率低 等缺点；前置级为滑阀的两级电液伺服阀叫做滑阀式两级电液伺服阀，其前置级 控制阀芯一般由动圈式力马达进行驱动，具有结构简单，磁滞小，工作行程大， 抗污染能力强等优点，同时具有驱动部分和运动部分体积和惯量较大，响应较低， 要求驱动功率大等缺点。提高电液伺服阀的综合性能指标，成为改善电液伺服阀 控制系统控制特性的关键，并有益于更好地满足日益提高的市场需求，进而推动 流体传动及控制技术的发展。

文献1(液压控制系统，吴振顺著，高等教育出版社，2008.5：102～103) 介绍了一种由动圈式力马达驱动的两级滑阀式电液伺服阀结构与工作原理，该阀 主要由动圈式力马达、上下固定节流口、上下控制腔、先导阀芯、主阀芯构成。 当控制信号输入动圈式力马达时，动圈所受的电磁力与支撑弹簧力平衡，产生位 移，带动先导阀芯运动，先导阀芯运动导致一侧可变节流口打开，从而导致该侧 控制腔压力上升，上升的压力推动主阀芯向先导阀芯同向运动直到可变节流口重 新关闭，达到新的平衡。该阀由于采用动圈式力马达作为电-机转换器驱动先导 阀芯运动，与新型超磁致伸缩执行器比较，其频响较低，响应较慢，由于力马达 输出功率较小，限制了伺服阀的频响和控制流量。

超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material，简写为GMM)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。

文献2(Takahiro Urai.Development of a vavle using a giant magnetostrictive actuator.Proceeding of the sencond JHPS international symposium on fluid power.Edited by T.Maeda.Tokyo，1993：131-135)所述， 日本的Takahiro Urai等人用GMM转换器设计出了单级直动式伺服阀。它的原理 是通过线圈中变化的电流产生磁场，使GMM棒伸缩，从而驱动与GMM转换器直接 连接的阀芯产生位移，并且按照其位移量大小来控制阀口流量。此外，对应于GMM 磁场的变形特性为非线性，用差动变压器式位移传感器以及放大级采用PI闭环控 制的方法加以调节和克服。该阀的特点是采用闭环控制，结构紧凑，精度高，响 应快。与同类型的电液伺服阀相比其频响已明显提高，但由于GMM棒没有微位移 放大，其行程较小，故该伺服阀控制流量较小，仅为2L/min。

GMM在其它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 performance magnetostrictive 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 magnetostrictive thin-film actuator.Sensors and Actuators，1995，A50：105-109)；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。