涂福泉,毛陽,劉小雙
(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,湖北武漢 430081)
磁控形狀記憶合金 (MSMA)是一種新型的功能材料,具有在電磁場的激勵(lì)下響應(yīng)時(shí)間短、單位長度上能產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)位移等優(yōu)點(diǎn)。曾經(jīng)廣泛使用的智能材料有壓電材料、磁致伸縮材料、形狀記憶合金等,這些新材料的優(yōu)勢在于能在精度、效率和輕量上達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)[1]。但是相比于新型的MSMA,這些材料有一定的局限性,比如壓電陶瓷的輸出位移小;溫控記憶合金,只有在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行塑性變形;而形狀記憶材料的缺點(diǎn)是反應(yīng)遲緩、效率低下[2]。本文作者將MSMA材料用于伺服閥上,高效的將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,解決了目前新型功能材料伺服閥驅(qū)動(dòng)器存在的輸出位移量偏小、頻率低等問題,具有很好的應(yīng)用前景。
先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)伺服閥能夠利用先導(dǎo)閥,控制壓力變化進(jìn)而推動(dòng)主閥芯移動(dòng),有效驅(qū)動(dòng)大尺寸滑閥運(yùn)動(dòng),增加伺服閥的流量。MSMA材料由馬氏體組織構(gòu)成,在磁誘導(dǎo)下馬氏體重新排列,以滿足需要的具體工況下各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需要[3-4],各種形變的MSMA材料如圖1所示。
圖1 MSMA材料的形變示意圖
伺服閥驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示,由小流量的先導(dǎo)閥、大流量的主閥以及MSMA驅(qū)動(dòng)器組成。MSMA材料在磁場的作用下,伸長后不能自行恢復(fù)變形,選擇彈簧2來給MSMA材料3提供恢復(fù)變形的反向力。口形鐵芯4上下端分別纏繞直流繞組和交流繞組,直流繞組產(chǎn)生直流I0,用來產(chǎn)生偏執(zhí)磁場,可以通過調(diào)節(jié)電阻的大小,來獲得理想的磁偏。交流線圈產(chǎn)生I交流電信號,MSMA材料在該交流電產(chǎn)生的磁場中發(fā)生形變,產(chǎn)生力和位移來驅(qū)動(dòng)伺服閥工作。
圖2 伺服閥驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
伺服閥系統(tǒng)簡化模型如圖3所示,輸入信號Ug經(jīng)比例放大器放大,進(jìn)入先導(dǎo)級的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生位移,使主閥兩端形成壓力差,來控制主閥閥芯的位置。位移傳感器將閥芯位移轉(zhuǎn)換為電信號Uf,與輸入信號比較,比較的偏差作為輸入信號,對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié),控制主閥芯朝著偏差減小的方向移動(dòng),重復(fù)這個(gè)過程,直至系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。
圖3 系統(tǒng)的簡化模型
系統(tǒng)輸入的控制信號通過比例放大器進(jìn)行調(diào)節(jié),使之變成滿足要求的電流信號,U(s)為比例放大器輸出電流(A),Ka為比例放大器增益 (A/V)其傳遞函數(shù)為:
不考慮漏磁、渦流對激勵(lì)電流的抑制作用,建模型前先假設(shè)MSMA樣品內(nèi)部的應(yīng)變ε、應(yīng)力σ、磁場強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B均勻[5]。建立材料的靜力學(xué)模型如下建立了應(yīng)變ε,磁場參數(shù)B,H,外應(yīng)力σ,壓磁系數(shù)q以及在磁場中材料彈性模量Ceff之間的關(guān)系[6-7]:
再聯(lián)立材料長度和應(yīng)變的關(guān)系為:ε=x/l,電磁定律:Φ=BS,磁路定律:NI=ΦR,S為MSMA的橫向截面積,R為總磁阻,得出:
驅(qū)動(dòng)器的輸出力為:
式中:ki為等效電流常數(shù),kx為等效剛度系數(shù),x1為在勵(lì)磁磁場作用下產(chǎn)生的位移增量,x0為直流信號產(chǎn)生的位移量。
Fl為負(fù)載對MSMA樣本的作用力,由于MSMA材料受到彈簧預(yù)應(yīng)力σ的作用,設(shè)Ml,Cl,Kl分別為等效質(zhì)量,等效阻尼系數(shù),等效剛度系數(shù),輸出力F=Fl+σA即:
聯(lián)立式 (5)、(6),進(jìn)行拉氏變換,K=kx+Kl可得先導(dǎo)閥位移可表示為:
如果先導(dǎo)閥工作正常,主閥大部分時(shí)間實(shí)在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近做微量運(yùn)動(dòng),仍用變量本身表示他們從初始條件下的變化量:
式中:Kq和Kc分別表示流量增益和流量壓力系數(shù);QL為流出先導(dǎo)閥和流入先導(dǎo)閥的平均值;pL為兩腔的壓差;X為MSMA驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)閥的位移。
先導(dǎo)閥的流量出來用于推動(dòng)主閥運(yùn)動(dòng),假定主閥處于中位,基于這個(gè)假定簡化可得:式中:A為主閥的有效面積;Cic為內(nèi)泄漏系數(shù);Vt為兩腔的總?cè)莘e;βe為等效體積彈性模量。
忽略庫倫摩擦等非線性負(fù)載及油液的質(zhì)量,根據(jù)牛頓第二定律,可得:
式中:m為主閥質(zhì)量,Bc為主閥黏性阻尼系數(shù)。
文中負(fù)載主要是慣性負(fù)載,聯(lián)立式 (8)—(10)。主閥位移與先導(dǎo)閥位移的比值可簡化為:
式中:wh為液體固有頻率,ξh為液體阻尼比。
先導(dǎo)伺服閥控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,電信號經(jīng)過先導(dǎo)級輸出位移和力,傳遞給伺服閥主級,最終驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在“口”字形鐵芯一側(cè)的間隙開有6 mm的間隙,用于放置用于驅(qū)動(dòng)的材料MSMA,間隙內(nèi)放置5×5×20 mm的MSMA材料,只考慮材料沿著垂直磁場方向的應(yīng)變和應(yīng)力的變化,材料長度和應(yīng)變的關(guān)系為:空氣中的導(dǎo)磁率μ0≈4π×10-7H/m,μ為MSMA材料相對于空氣的磁導(dǎo)率μ≈1.5。選取外加激勵(lì)磁場強(qiáng)度為0.3 T,0.2 T作為偏置磁場,根據(jù)AdaptaMat公司提供的測試數(shù)據(jù),材料在近似求得到q=1.990 8×10-7,彈性模量Ceff=1.91×108Pa,代入公式 (5)— (7)。在控制框圖的基礎(chǔ)上,通過給系統(tǒng)設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù),用MATLAB/SIMULINK軟件搭建了仿真框圖如圖5所示。
圖4 先導(dǎo)伺服閥控制結(jié)構(gòu)框圖
圖5 SIMULINK模塊仿真框圖
在控制框圖的基礎(chǔ)上,通過給系統(tǒng)設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù),用MATLAB/SIMULINK建模,伺服閥系統(tǒng)能達(dá)到穩(wěn)定的條件如下:γ=30°~60°,Kg>6 dB。從圖6中可以看出,相位裕度γ=54°,幅值裕度Kg=9 dB,能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過計(jì)算MSMA材料和閥的相關(guān)參數(shù),用MATLAB仿真得到位移的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖7所示,先有小幅震蕩產(chǎn)生,然后受力達(dá)到平衡,位移量達(dá)近似1 mm,仿真結(jié)果驗(yàn)證了此種新型伺服閥驅(qū)動(dòng)器的可行性,滑閥由于具有一定慣量,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢,可以采用噴嘴擋板或射流管先導(dǎo)級,用磁控形狀記憶合金做電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器,提升閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
圖6 開環(huán)系統(tǒng)bode圖
圖7 位移動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖
磁控形狀記憶合金 (MSMA)由于較大的應(yīng)變,可以顯著降低相同位移驅(qū)動(dòng)器所需的機(jī)構(gòu)尺寸和質(zhì)量,其高頻的性能,可以廣泛應(yīng)用于航空航天,以適應(yīng)新產(chǎn)品開發(fā)過程中的振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)、材料疲勞試驗(yàn),有效地提高了伺服閥的性能,極大地?cái)U(kuò)大了伺服閥技術(shù)的研發(fā)視角。
盡管材料有這么突出的優(yōu)勢,但由于材料受到磁滯和溫度影響較大,目前可能不符合一些特定的工況,隨著科學(xué)技術(shù)人員的重視與研究,相信在不久的將來,磁性形狀記憶合金會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。新型功能材料的發(fā)展和應(yīng)用,給電液伺服閥的技術(shù)發(fā)展提供著新的途徑、新的契機(jī)。
[1]王鳳翔,李文君,張慶新,等.差動(dòng)式磁控形狀記憶合金執(zhí)行器研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(18):135-139.
[2]王鳳翔,張慶新,吳新杰,等.磁控形狀記憶合金蠕動(dòng)型直線電機(jī)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(7):140-144.
[3]TELLINEN J,SUORSA I,J??SKEL?INEN A,et al.Basic Properties of Magnetic Shape Memory Actuators[C].Proc.of 8th Int.Conf.on Actuator,Bremen,Germany,2002:566-569.
[4]翁光遠(yuǎn),王社良,王占鋒.磁控形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,42(5):631-636.
[5]張晶.磁控形狀記憶合金微位移執(zhí)行器模型的研究[D].沈陽:沈陽航空工業(yè)學(xué)院,2010.
[6]張慶新,張紅梅,席劍輝,等.MSMA直線驅(qū)動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,26(5):723-726.
[7]林青,張國賢,何青瑋,等.超磁致伸縮材料驅(qū)動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型[J].機(jī)電一體化,2001(6):26-29.