羅 樟，朱玉川

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016)

0 引言

高速開(kāi)關(guān)閥作為一種數(shù)字閥，因其具有抗污染，重復(fù)性好，非線性現(xiàn)象對(duì)數(shù)字閥控制系統(tǒng)影響小等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射，汽車(chē)與飛機(jī)剎車(chē)等領(lǐng)域，通常由脈寬調(diào)制(PWM)數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)占空比輸出離散化流量[1]。目前,市場(chǎng)上的高速開(kāi)關(guān)閥多采用電磁鐵作為其電-機(jī)轉(zhuǎn)換器，其工作頻率通常低于50 Hz。與電磁式高速開(kāi)關(guān)閥相比，將智能材料應(yīng)用在高速開(kāi)關(guān)閥上，可以提高其頻響與流量輸出精度，如文獻(xiàn)[2-3]中的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器分別利用壓電疊堆和超磁致伸縮材料驅(qū)動(dòng)，其工作頻寬大于400 Hz，響應(yīng)時(shí)間小于1 ms。

應(yīng)用于高速開(kāi)關(guān)閥驅(qū)動(dòng)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(lì)下其形狀或狀態(tài)會(huì)發(fā)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(kāi)關(guān)閥的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器。

1 智能材料及其電-機(jī)轉(zhuǎn)換器

壓電材料在施加一定的電壓時(shí)會(huì)發(fā)生形變?？梢岳脡弘姴牧献鳛橐簤嚎刂崎y的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器，圖 1為郭亞子等設(shè)計(jì)的基于壓電疊堆的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器原理圖，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)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(tài)下，其電極和疊堆間的粘接層易脫落，將導(dǎo)致壓電疊堆擊穿損壞。

圖1 壓電電-機(jī)轉(zhuǎn)換器

磁致伸縮材料在磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生一定形變，不施加磁場(chǎng)時(shí)磁致伸縮材料恢復(fù)原形，具有響應(yīng)快，輸出力大及能量傳輸功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。圖2為楊旭磊等設(shè)計(jì)的基于超磁致伸縮材料的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器，其響應(yīng)時(shí)間小于1 ms，在實(shí)驗(yàn)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(fā)熱。

圖2 磁致伸縮電-機(jī)轉(zhuǎn)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(fā)生相變，可以為液壓控制閥提供一定的驅(qū)動(dòng)力。但是溫度控制難度相對(duì)較大，且響應(yīng)時(shí)間過(guò)大[4]。

磁控形狀記憶合金通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)控制孿晶變異體的重新調(diào)整定向，而使磁控形狀記憶合金宏觀上發(fā)生形變[5]。與溫控形狀記憶合金相比其響應(yīng)速度快，與壓電和磁致伸縮材料相比其應(yīng)變大，且兼?zhèn)淞舜髴?yīng)變和響應(yīng)速度較快的優(yōu)點(diǎn)。但其形變不能自動(dòng)恢復(fù)需施加外力，且居里溫度相對(duì)較低[6]。圖3為Adapta Mat公司的一款磁控形狀記憶合金作動(dòng)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(dòng)器

磁流變液在外加磁場(chǎng)的作用下，可以從牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)檎承粤黧w，撤去磁場(chǎng)后可以恢復(fù)為牛頓流體[7-8]。磁流變液高速開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)工作介質(zhì)需替換為磁流變液，目前的磁流變液可控流量較小，且穩(wěn)定性差限制了其應(yīng)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(dǎo)致高速開(kāi)關(guān)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(jù)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(jiàn)圖4)。它具有無(wú)機(jī)械摩擦，動(dòng)作靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[11]，但通常要達(dá)到相應(yīng)的放大倍數(shù)都要做成多級(jí)放大，其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易疲勞損壞及帶載能力差等缺點(diǎn)[12]。

圖4 柔性鉸鏈放大

壓曲放大機(jī)構(gòu)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(shù)越高。智能材料有兩種布置方式。布置在中間時(shí)如圖 5所示，當(dāng)智能材料伸長(zhǎng)或縮短時(shí)壓曲放大機(jī)構(gòu)的輸出形式分別為收縮和擴(kuò)張；智能材料布置在兩側(cè)時(shí)(見(jiàn)圖6),壓曲放大機(jī)構(gòu)輸出形式與布置在中間時(shí)相反[10]。壓曲放大機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工精度要求不高的特點(diǎn)。但該放大機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的反力較大，輸出力偏小。

圖5 中間布置式

圖6 兩側(cè)布置式

液壓放大機(jī)構(gòu)是一個(gè)密閉的容腔(見(jiàn)圖7)，里面充有液體，驅(qū)動(dòng)裝置推動(dòng)液壓放大裝置的大活塞動(dòng)作，擠壓液壓放大裝置容腔內(nèi)液體，在容腔內(nèi)產(chǎn)生一定的壓力，從而推動(dòng)液壓放大裝置中的小活塞動(dòng)作，由于兩活塞面積不同，工作時(shí)小活塞的位移大于大活塞的位移，在不考慮腔內(nèi)液體體積壓縮量時(shí)，大、小活塞的位移之比與其面積之比成反比；液壓放大機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承載能力高，放大倍數(shù)為直徑之比的平方，可在一定的體積內(nèi)達(dá)到更大的放大倍數(shù)[13-14]。但是液壓放大裝置存在泄漏、動(dòng)態(tài)性能較差等問(wèn)題。

圖7 液壓放大原理圖

2 高速開(kāi)關(guān)閥基本原理

高速開(kāi)關(guān)閥的控制信號(hào)為數(shù)字信號(hào),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(kāi)關(guān)閥主要由電-機(jī)轉(zhuǎn)換器、閥芯和閥套組成。在工作時(shí)由上位機(jī)將控制程序?qū)胂挛粰C(jī)，下位機(jī)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)通過(guò)控制電源(一般通過(guò)繼電器控制電源或通過(guò)功率放大器將下位機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)放大)驅(qū)動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥電-機(jī)轉(zhuǎn)換器，電-機(jī)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成閥芯的動(dòng)作，其閥芯始終處于兩端極限位置，故高速開(kāi)關(guān)閥閥芯通常只有兩位，其中兩位兩通的高速開(kāi)關(guān)閥最常見(jiàn)。

圖8 高速開(kāi)關(guān)閥控制原理圖

單個(gè)高速開(kāi)關(guān)閥的控制方式一般有PMW、脈頻調(diào)制(PFM)和脈數(shù)調(diào)制(PNM)等方式，或上述控制方式的復(fù)合控制。高欽和等針對(duì)高速開(kāi)關(guān)閥流量控制存在的死區(qū)和飽和區(qū)的問(wèn)題，利用PFM和PWM相結(jié)合的控制方式，使其控制流量線性化[16]。為提高高速開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)特性，張斌等在傳統(tǒng)PWM控制的基礎(chǔ)上，提出了三電壓控制，降低了閥芯的開(kāi)啟時(shí)間[17]。

多個(gè)不同控制流量高速開(kāi)關(guān)閥集成的控制方式為脈碼調(diào)制(PCM)。2015年,Matti Linjama設(shè)計(jì)了數(shù)字式液壓閥系統(tǒng)(DVS)將4組126個(gè)高速開(kāi)關(guān)閥集成在一個(gè)油路塊中，油路塊采用PCM控制方式(見(jiàn)圖9)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CETOP3伺服閥或比例閥[18]。

圖9 DVS油路塊

3 智能材料驅(qū)動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥

3.1 磁致伸縮高速開(kāi)關(guān)閥

Hirohisa等提出了一種超磁致伸縮材料(GMM)驅(qū)動(dòng)的共軌比例噴油器，利用3對(duì)長(zhǎng)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(wěn)定，并且兩組棒狀結(jié)構(gòu)在套筒中串聯(lián)耦合，這種結(jié)構(gòu)可以在一定軸向尺寸下獲得更大的位移，但該結(jié)構(gòu)增大了閥的徑向尺寸。GMM棒在套筒中的排布關(guān)系如圖 10所示。該噴油器中的高速開(kāi)關(guān)閥閥芯最大開(kāi)口為50 μm，開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)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(guān)系

石延平等提出了一種大流量高速開(kāi)關(guān)閥，該閥采用二級(jí)控制，其中先導(dǎo)閥(見(jiàn)圖11)利用兩個(gè)磁致伸縮棒，通過(guò)杠桿放大機(jī)構(gòu)分別驅(qū)動(dòng)閥芯和閥套，從而增大閥的通油面積，為便于裝配，活動(dòng)閥套設(shè)計(jì)為分體式。該閥的切換時(shí)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(dǎo)閥結(jié)構(gòu)

2013年,馬孝忠以超磁致伸縮致動(dòng)器和高速開(kāi)關(guān)閥為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了新型的高速開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖 12)，該高速開(kāi)關(guān)閥采用多通流面閥芯結(jié)構(gòu)，閥芯由超磁致伸縮材料直接驅(qū)動(dòng)，在閥芯上開(kāi)有寬為1 mm，深度為閥芯長(zhǎng)度的一半且為均勻布置的2個(gè)環(huán)形槽，在閥芯均勻布置多個(gè)小孔以溝通環(huán)形槽進(jìn)行引流，該結(jié)構(gòu)在相同閥芯位移下提高了通油面積[21]，但該閥閥芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配時(shí)由于有多個(gè)接觸面，易產(chǎn)生油液泄漏。

圖12 基于GMA的多通流面高速開(kāi)關(guān)閥

3.2 壓電疊堆高速開(kāi)關(guān)閥

壓電疊堆高速開(kāi)關(guān)閥利用壓電疊堆作為電-機(jī)轉(zhuǎn)換器，1991年，橫土真一提出一種利用壓電疊堆材料驅(qū)動(dòng)兩位三通高速開(kāi)關(guān)閥作為先導(dǎo)閥，如圖 13所示。該閥閥芯采用錐閥結(jié)構(gòu)，壓電疊堆兩側(cè)布置，一側(cè)有滑動(dòng)器，可以調(diào)節(jié)閥芯的零位，該閥的響應(yīng)速度很快，開(kāi)關(guān)時(shí)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(kāi)關(guān)閥

圖14、15為德?tīng)柛９镜牡谌曹壪到y(tǒng)DFI3壓電噴油器。壓電疊堆通過(guò)液壓放大機(jī)構(gòu)直接控制噴嘴針閥的運(yùn)動(dòng)，壓電疊堆通電時(shí)通過(guò)液壓放大機(jī)構(gòu)使針閥關(guān)閉，斷電時(shí)針閥通過(guò)高壓燃油的壓力開(kāi)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(qū)動(dòng)的兩位三通高速開(kāi)關(guān)閥,如圖16所示。該閥采用杠桿放大原理對(duì)壓電疊堆位移進(jìn)行放大，閥芯設(shè)計(jì)為擋板式結(jié)構(gòu)，與彈性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)做成一體。工作時(shí)由壓電疊堆通過(guò)彈性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擋板運(yùn)動(dòng)，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(kāi)啟時(shí)間約為0.57 ms,關(guān)閉時(shí)間約為0.3 ms,其調(diào)制頻率達(dá)1 kHz，0.5 MPa時(shí)空載流量為19.7 L/min[25]，但是該結(jié)構(gòu)的擋板打開(kāi)時(shí)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(kāi)關(guān)閥

3.3 形狀記憶合金高速開(kāi)關(guān)閥

SophieNalbach等提出一種基于溫控形狀記憶合金(SMA)的高速開(kāi)關(guān)閥(見(jiàn)圖 17)，形狀記憶合金絲拉動(dòng)閥芯動(dòng)作，閥芯靠彈簧復(fù)位。當(dāng)形狀記憶合金絲線徑為0.25 mm時(shí)其閥芯最大行程為3.5 mm，在控制電流為4 A時(shí)閥芯開(kāi)口時(shí)間小于0.3 s，閥芯最大關(guān)閉時(shí)間為0.8 s。但是當(dāng)線徑為0.5 mm時(shí)最大關(guān)閉時(shí)間達(dá)到2 s[26]。

圖17 SMA高速開(kāi)關(guān)閥

覃艷金等設(shè)計(jì)了基于磁控形狀記憶合金(MSMA)兩位三通高速開(kāi)關(guān)閥，原理圖如圖 18所示。由對(duì)稱布置的兩個(gè)磁控形狀記憶合金電-機(jī)轉(zhuǎn)換器通過(guò)差動(dòng)方式直接驅(qū)動(dòng)閥芯動(dòng)作，其中磁控形狀記憶合金的激勵(lì)磁場(chǎng)由線圈通電產(chǎn)生[27]。

圖18 磁控形狀記憶合金高速開(kāi)關(guān)閥

3.4 磁流變高速開(kāi)關(guān)閥

NORMAN M Wereley教授在混合液壓作動(dòng)器中使用磁流變液(MR)設(shè)計(jì)高速開(kāi)關(guān)閥，并利用4個(gè)磁流變液高速開(kāi)關(guān)閥構(gòu)成液壓橋路控制液壓缸運(yùn)動(dòng)[28]，其結(jié)構(gòu)原理和實(shí)物分別如圖19、20所示。在該狀態(tài)下，Q2和Q4關(guān)閉，Q3和Q1打開(kāi)，液壓缸向上運(yùn)動(dòng)。

圖19 混合液壓作動(dòng)器原理圖

圖20 混合液壓作動(dòng)器實(shí)物圖

2012年，莫子勇設(shè)計(jì)了一種基于磁流變液的高速開(kāi)關(guān)閥，采用雙線圈控制(見(jiàn)圖21)，該閥利用磁流變液作為先導(dǎo)閥控制主閥芯運(yùn)動(dòng)，主閥為二通插裝式錐閥。先導(dǎo)閥通電時(shí)，其工作間隙處磁流變液變?yōu)榻乒腆w，此時(shí)先導(dǎo)閥關(guān)閉，主閥控制腔油壓與主閥進(jìn)油口油壓相等，在彈簧力作用下，主閥閥芯關(guān)閉。先導(dǎo)閥斷電時(shí)，其工作間隙處磁流變液為牛頓流體，先導(dǎo)閥處于打開(kāi)狀態(tài)，進(jìn)油腔壓力大于控制腔壓力，主閥閥芯打開(kāi)[29]。

圖21 磁流變液插裝式高速開(kāi)關(guān)閥

3.5 國(guó)內(nèi)外智能材料驅(qū)動(dòng)的高速開(kāi)關(guān)閥對(duì)比

綜上所述，國(guó)內(nèi)、外智能材料驅(qū)動(dòng)的高速開(kāi)關(guān)閥部分參數(shù)對(duì)比如表1所示。在智能材料驅(qū)動(dòng)的高速開(kāi)關(guān)閥方面，國(guó)內(nèi)、外都進(jìn)行了大量的研究，國(guó)外在1991年就有相關(guān)方面的研究，且取得了一定的成果，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的高速開(kāi)關(guān)閥已在汽車(chē)的燃油噴射器上使用。國(guó)內(nèi)在相關(guān)方面的研究略晚，且大多都處于仿真研究階段，與國(guó)外相比還有一定的差距。對(duì)于不同智能材料驅(qū)動(dòng)的高速開(kāi)關(guān)閥，通過(guò)對(duì)比可知，利用壓電疊堆驅(qū)動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥的響應(yīng)時(shí)間最快，磁致伸縮材料次之，溫控形狀記憶合金最慢。

表1 國(guó)內(nèi)外智能材料驅(qū)動(dòng)的高速開(kāi)關(guān)閥對(duì)比

4 總結(jié)與展望

高速開(kāi)關(guān)閥可利用其高頻特性，即快速的開(kāi)關(guān)動(dòng)作而達(dá)到近似連續(xù)的流量或壓力控制效果，由于傳統(tǒng)電磁式的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器存在頻響不高，推力不足等問(wèn)題，利用智能材料作為電-機(jī)轉(zhuǎn)換器可以提高高速開(kāi)關(guān)閥的頻響和流量輸出精度。在具體應(yīng)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(lái)控制更大的流量，如通過(guò)增加閥芯通徑、增加微位移放大裝置或作為先導(dǎo)閥。對(duì)于溫控形狀記憶合金，迅速準(zhǔn)確的溫度控制較難，基本上不適合應(yīng)用于高速開(kāi)關(guān)閥。MSMA的變形率可以滿足高速開(kāi)關(guān)閥的要求，但輸出力較小，且形變需靠外力才能恢復(fù)，較大的外力可以提高頻響但會(huì)降低輸出位移，在高速開(kāi)關(guān)閥上使用需綜合考慮頻響和輸出位移，還要考慮溫度對(duì)MSMA的影響。基于MR設(shè)計(jì)的高速開(kāi)關(guān)閥無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，其結(jié)構(gòu)和加工最簡(jiǎn)單，因此閥的成本較低，但使用工作介質(zhì)MR較貴，設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮高速開(kāi)關(guān)閥和MR的成本。

本文闡述了不同類(lèi)型的智能材料電-機(jī)轉(zhuǎn)換器性能特點(diǎn)，并分析了各類(lèi)型智能材料電-機(jī)轉(zhuǎn)換器在高速開(kāi)關(guān)閥上應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，綜述了國(guó)內(nèi)外智能材料驅(qū)動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥的研究現(xiàn)狀和特點(diǎn)。