摘 要:提出了一种基于压电陶瓷的新型固液一体化作动器。该作动器通过两个压电陶瓷泵协调工作,由压电陶瓷提供动力,液压油为介质,用泵体代替普通一体化作动器中的单向阀,克服了单向阀的响应频率瓶颈,从而有效地利用了压电陶的高频响应特性,同时集成的一体化结构设计,避免了普通液压作动器的分布管路。对设计的一体化作动器进行了建模仿真,得到仿真曲线,结果表明该作动器相对体积小,输出位移大,响应频率高,承载能力强,动态特性好,并且实现了全电工作。
作动器是舵机系统的主要组成部分,随着现代飞行器的飞速发展,对舵机作动器的要求也越来越高,并逐渐向着小体积,高频响,大功率密度方向发展。
集成的固液复合一体化舵机技术是由美国提出并最先开展的[1–2],目前国内还没有这方面的研究。现在智能材料的不断发展,应用越来越广泛。特别是压电陶瓷材料,输出力大、响应频率高、线性度较好,并且采用集成的脉宽调制(PWM)伺服放大器给压电陶瓷供电,效率高、频带宽。现在各国都在研究一体化作动器,主要困难是单向阀的响应瓶颈问题,解决该问题的方法主要有提高单向阀的响应频率;采用压电陶瓷伺服阀代替单向阀;利用软管代替单向阀等[1,3–5]。本文提出的压电陶瓷固液一体化作动器利用压电陶瓷作为电能和机械能之间的换能介质,有效的进行了能量转换,并且采用泵阀一体的集成化设计,以油液为动力传递介质,继承了电液作动器和电机作动器的优点。同时对其进行了仿真并得到仿真曲线。
本文提出的固液一体化作动器可用于直升机、无人作战飞机等多电、全电飞机中的舵机系统中。
1 作动器结构及工作原理
新型压电陶瓷固液一体化作动器结构如图1所示,该作动器由两个压电陶瓷驱动的柱塞泵(泵1、2)、补油蓄能器、作动筒组成。每个压电陶瓷泵都是一对压电陶瓷对顶柱塞进行往复打油。蓄能器通过两个单向阀连接在油液回路中。蓄能器的压力是0.7 MPa,当吸油时为吸油回路提供一定的压力,防止吸油不充分出现气穴。但同时也会使作动筒中损失了一部分压力。通过两个泵的相位关系来控制油路的通断,连接在两个泵之间的实线是连接两个泵的工作腔的通油孔。
两个压电陶瓷泵始终保持90°相位差,一个泵工作时,另一个泵为工作泵提供和作动筒之间的通路。结合图1的原理图对压电陶瓷施加图2的控制信号,说明作动器的工作原理。图中t为时间。
泵1中左侧的压电陶瓷伸长,右边的压电陶瓷缩短,推动柱塞向右运动,泵2的柱塞在左侧,将连接泵1的通油孔与作动筒的右腔连通,液压油在泵1左边压电陶瓷推动柱塞的作用下流经泵2左侧的通油孔进入作动筒的高压侧(右侧)。泵1的右侧工作腔排出高压油的同时,左侧的工作腔通过泵2的通油孔和作动筒的低压腔(左侧)相连通,实现吸油。补油蓄能器通过两个单向阀与油液回路相连接,当回路中压力低于蓄能器中的压力时蓄能器压开单向阀开始补油,为防止出现气穴而预给蓄能器0.7 MPa的压力。当泵1的柱塞到达右侧并且在右侧停留T/4(T为周期),此时泵2左侧的压电陶瓷推动柱塞向右运动,泵2的高压腔(右侧)通过泵1左侧的通油孔与作动筒的右腔连通,泵2将高压油压入作动筒的高压腔。同时泵2左侧工作腔和通过泵1右侧的通油孔与作动筒的低压腔连通,完成吸油。泵1、2向左推动柱塞运动的工作过程也是相同的。上述工作过程中柱塞有T/4的停滞,这样虽然损失了1/4个有效工作周期,但能最大限度的打开通油孔,防止油路阻塞。可以看出,上述工作过程是泵2滞后90°相位跟随泵1运动。上述泵1先动作,泵2跟随泵1动作时,作动筒右侧腔是高压腔;相反当泵2先动作,泵1跟随泵2动作时,作动筒的左侧腔就变为高压腔,很简单的就实现了作动器的反向。也就是两个泵的柱塞相差90°相位互相跟随,通过调节控制指令相位来控制作动器的运动方向。当然这只是其中一种施加控制信号的方法,也可以施加其他的控制信号。
2 建模仿真
2.1 压电陶瓷泵模型
将多个压电薄片叠加成压电堆,利用压电陶瓷的逆压电效应,给压电陶瓷施加周期性电压可以使压电陶瓷作伸长、收缩的往复振动。其中压电陶瓷伸长量和电压以及负载力的关系简化为[3]
x=-F/K1+d3u(t) (1)
式中 x为压电陶瓷伸长量;F为压电陶瓷受到外力;K1=C33A/t,C33为压电体的弹性模量,A为压电陶瓷片的横截面积;d3=nd33,d33为压电应变系数,n为压电陶瓷总片数;u(t)为外加电压。
对压电陶瓷泵的柱塞进行动力学分析,得[7]
式中 Ph、PL分别为泵的高低工作腔压力; A2为泵柱塞的有效面积; f2为阻尼系数; m2为柱塞质量;M为压电陶瓷质量。
压电泵在排油过程中同时也吸油。由泵的流量连续性方程和泄露方程得[2,6–8]
式中 β为油的弹性模量;V2、V′2为泵高低压腔体积,其和为定值;Qr、Qs分别为泵进、出口流量;ΔQ为泵的泄露;A′为等效泄露面积;μ为动力黏度系数;d、l分别为泄露等效直径和长度。
油液经由细长通油孔从泵的高压腔进入作动筒的高压腔和经通油孔回油时有阻尼的作用:
式中 R为通油孔液阻;Ps、Pr分别为作动筒进、出口油压力。
2.2 作动筒模型
作动筒活塞的运动方程为
式中 A1为活塞的有效面积;FL为负载;f1为阻尼系数;m1为活塞质量;y为活塞的位移。
不考虑泄漏该作动筒的进出口流量方程为
式中V1、V′1为作动器的进出油腔体积,体积之和为定值。
2.3 仿真结果
利用上面的模型,进行了仿真。压电陶瓷是采用电子26所的WTYD1008060型压电陶瓷叠片堆测得的参数,即加200 V电压可伸长45μm,经柔性铰链放大最大伸长可达190μm;该型号压电陶瓷最大输出力为1 000 N,放大后输出为250 N。对各个压电陶瓷按如图2所示的波形施加400 Hz的周期信号。作动筒最大行程为15 mm,内径和杆直径分别为10 mm和?5mm。
图3为在空载时,向作动器发出伸长10 mm指令的响应曲线。从图中可知作动器在不到0.2 s时间内就达到10 mm的伸长量,且不超调,刚性好,除刚开始部分,基本上是线性的。
图4是负载力200 N,控制指令为频率20 Hz及峰峰值1 mm的正弦信号时作动器的位置响应曲线。其中非从零点开始的曲线是控制信号,从零点开始的曲线是作动器的位置跟踪曲线。从曲线看出作动器位置很好的跟踪了指令信号。
3 结束语
图3、4的仿真曲线是没有施加任何控制算法得到的曲线,该压电陶瓷固液一体化作动器采用具有优良特性的智能材料作为动力机构,巧妙的机械结构设计,使其本身就具有优良的特性。最大输出力可达250 N,最大输出速度可达67.5 mm/s,振幅为±1 mm时,频宽可达12 Hz。图5为该压电陶瓷集成固液一体化作动器的三维效果图。加工中还存在着密封以及加工精度等困难。
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本文作者：吴百昌 李树立 郑俊麟 焦宗夏
