劉 楠，童大鵬，孫青柯

(海軍士官學校,安徽 蚌埠 233012)

0 引言

高壓共軌系統(tǒng)具有噴射壓力高、噴油速率可調(diào)的特點，已成為當前柴油機燃油噴射系統(tǒng)的主流[1-2]?；趬弘娞沾刹牧夏鎵弘娦膲弘娋w疊堆是一種微/納米級的超精密執(zhí)行器件，與電磁閥相比，具有體積小、輸出力大(>1000N)及響應速度快(<0.05ms)等優(yōu)點[3]，可更好地實現(xiàn)了靈活多變的高壓力燃油噴射[4-6]。作為噴油器內(nèi)部電-機轉(zhuǎn)換的關鍵執(zhí)行機構，壓電執(zhí)行器的動態(tài)特性直接關系著噴油器噴射過程的好壞[7]。

由于執(zhí)行器的應變量較小，為增大工作行程，往往需要施加強電場進行驅(qū)動；同時在較高的工作頻率下，受到環(huán)境溫度和自生熱的影響[8]，執(zhí)行器溫度在工作中會發(fā)生較大變化；為適應不同的系統(tǒng)軌壓，壓電執(zhí)行器的載荷也會發(fā)生相應的改變，因此壓電執(zhí)行器處于變溫(-30℃～150℃)、變負載(60MPa～200MPa)和強電場(>1.5kV/mm)的熱-電-力工作場中[9]。在變化的熱-電-力工作場中，壓電材料鐵電疇的翻轉(zhuǎn)與運動會出現(xiàn)較強的非線性和遲滯性[10]，使壓電執(zhí)行器的性能參數(shù)發(fā)生較大變化。從前期壓電陶瓷材料性能試驗發(fā)現(xiàn)，不同外場下的陶瓷材料的壓電性和介電性隨溫度變化十分明顯[11-12]，這使得壓電疊堆執(zhí)行器在噴油器內(nèi)部復雜熱-電-力場中的動態(tài)特性發(fā)生了較大的改變，其輸出位移和響應速度都會受到影響，不利于驅(qū)動電路和補償控制電路的設計開發(fā)。

本文對研制的壓電執(zhí)行器在不同熱-電-力場下的等效電容、電阻以及介質(zhì)損耗角正切值等電參數(shù)和位移特性進行試驗研究，探究溫度和負載對壓電執(zhí)行器電特性的內(nèi)在影響機理，為壓電噴油器內(nèi)部執(zhí)行器的穩(wěn)定控制奠定基礎。

1 試驗系統(tǒng)與方法

電容量、介質(zhì)損耗角正切值等電參數(shù)為壓電驅(qū)動器的基本參數(shù)。電容量對于壓電執(zhí)行器輸出特性具有極大的影響，壓電驅(qū)動器電容量越大時，儲能能力越強，驅(qū)動器輸出力越大，但是其電容量過大大，又會使充放電時間很長，驅(qū)動響應速度大幅度減小。

利用Agilent4263B LCR測試儀對不同溫度和負載下的壓電執(zhí)行器電容量和損耗角正切值等電參數(shù)進行測量，測試裝置如圖1所示，測試電壓為1000mV，頻率為1kHz。

采用XSI3000 LVDT測微儀檢測執(zhí)行器靜態(tài)位移，把執(zhí)行器放置于左側臺架的固定板上，將測微儀的測量探頭無負載地垂直接觸壓電執(zhí)行器的上端，通過控制器給定驅(qū)動電壓由0V逐漸上升至150V，再由150V降至0V，單向的升壓和降壓過程各采集100個測試點，測試裝置如圖2所示。

力場加載是通過在裝載壓電執(zhí)行器的固定夾具內(nèi)部安裝相同剛度、不同厚度的彈簧片實現(xiàn)的，熱場的加載是通過將壓電執(zhí)行器置于恒溫干燥箱中實現(xiàn)的。通過控制恒溫箱分別到-20℃、20℃、60℃、100℃和120℃，并保持恒定溫度10～15min，調(diào)節(jié)負載分別為0N、300N、500N、700N、900N。試驗采用的恒溫裝置如圖3所示。

2 壓電執(zhí)行器選型與測試

壓電執(zhí)行器由多層壓電陶瓷片疊加而成，機械上采用串聯(lián)的方式，由于壓電陶瓷片的極化方向為執(zhí)行器的軸向，因此所有陶瓷片位移增量之和即為執(zhí)行器的輸出位移。各陶瓷片之間采用絕緣材料進行隔離，外部電極為銀-鋰合金，通過固態(tài)燒結而成。本文研制了三組不同尺寸規(guī)格的壓電執(zhí)行器，如圖3所示為壓電執(zhí)行器的制備過程示意圖，圖4所示分別為執(zhí)行器的結構示意圖及封裝后的實物圖，該執(zhí)行器兩端分別為接線槽座和球面型頂頭，采用對中夾具實現(xiàn)兩端部件與壓電疊堆執(zhí)行器的安裝，側面采用環(huán)氧樹脂封裝隔離燃油，其基本性能參數(shù)見表1。

表1 壓電執(zhí)行器基本參數(shù)

通過對三組壓電執(zhí)行器在常溫下的電參數(shù)和靜態(tài)特性進行測試，測得的電參數(shù)和靜態(tài)位移如表2所示，可以看出，執(zhí)行器長度相同時，電容值隨橫截面積增加而增大，介質(zhì)損耗變化不明顯，執(zhí)行器的形變量約為其長度尺寸的0.1%。

表2 常溫下執(zhí)行器電參數(shù)和動態(tài)位移測試結果

對于壓電執(zhí)行器來說，一方面，作用面積增加使得電容增大，執(zhí)行器充放電時間增加，導致其動態(tài)響應會有所變慢；另一方面，由表1可知，作用面積的增加使得執(zhí)行器的輸出力會有所增加。

針對現(xiàn)有噴油器內(nèi)部的驅(qū)動控制閥，如圖5所示，當燃油系統(tǒng)壓力為180MPa時，球閥下端受腔室高壓燃油的作用面直徑為1.8mm，所受作用力為254N，考慮到額外的彈簧預緊力和壓力振蕩，球閥開啟所需執(zhí)行器推力設為300N。球閥升程為40μm，對于常規(guī)壓電執(zhí)行器來說，其應變量約為厚度的0.1%。為了保證球閥能夠完全打開，綜合考慮到壓電執(zhí)行器的輸出位移、輸出力和響應時間的要求，本文選取尺寸規(guī)格為5×5×54mm的壓電執(zhí)行器開展相關研究，其零位移推力可達1400N，負載300N下輸出位移可達42μm，既能滿足噴油器內(nèi)部對球閥推動力的要求，又能夠?qū)崿F(xiàn)較大的位移輸出。

3 試驗結果分析

3.1 溫度的影響

按照試驗步驟，測得不同溫度下的壓電執(zhí)行器電參數(shù)如表3所示，試驗過程中保持壓電執(zhí)行器的負載300N不變。

表3 不同溫度下壓電執(zhí)行器的電參數(shù)

圖6示為壓電執(zhí)行器電參數(shù)隨溫度的變化，隨溫度升高至120℃，壓電執(zhí)行器材料內(nèi)部疇的翻轉(zhuǎn)和可逆翻轉(zhuǎn)加強，執(zhí)行器的電容增加了7μF，呈現(xiàn)類似拋物線的增加趨勢，等效電路中等效電阻減小了約37%。同時隨著溫度升高，壓電執(zhí)行器的介質(zhì)損耗角正切值顯著增加，溫度由-20℃增加至120℃，損耗角正切值增加約149%。

不同溫度下壓電執(zhí)行器電參數(shù)的改變會進一步影響位移輸出，在采取單峰值電流驅(qū)動方式且驅(qū)動電路無補償控制的情況下，隨溫度升高，等效電阻的減小和電容的增大會使得執(zhí)行器充放電峰值電流升高(見圖7)，而電容的增加又會使充放電速度的減緩，兩者綜合影響了執(zhí)行器的動態(tài)輸出位移，從表2看出，驅(qū)動電壓為120V，溫度由-20℃升高至100℃時，輸出位移增加了27.9%。當溫度升高至120℃時，執(zhí)行器的輸出位移有所下降，是由于陶瓷材料工作溫度達到居里溫度附近，材料性能變差導致的。

由此可知，在噴油器內(nèi)部執(zhí)行器位移不可測的情況下，受柴油機工作溫度影響，基于電壓反饋的噴油器高精度控制方式不夠可靠，需進一步考慮其他控制方式，如電荷控制或者壓電陶瓷位移自感知等方法。

3.2 負載的影響

按照試驗步驟，測得不同負載下的壓電執(zhí)行器電參數(shù)如表4所示，試驗過程中保持壓電執(zhí)行器的工作溫度為20℃不變，圖9所示為壓電執(zhí)行器電參數(shù)隨負載的變化。

表4 不同負載下的壓電執(zhí)行器電參數(shù)

由圖8可知，隨著負載增加，壓電執(zhí)行器的電容有所增大，施加的負載由0N增加到900N時，壓電執(zhí)行器電容增加了34.5%，損耗角正切值先增加隨后略微降低。

從壓電理論方面分析負載對執(zhí)行器電參數(shù)的影響機理，當在壓電執(zhí)行器兩端施加電場和負載時，根據(jù)經(jīng)典壓電方程，得到單層陶瓷片的位移量δ3為：

(1)

上式可得：

(2)

壓電執(zhí)行器兩端產(chǎn)生的電荷為：

(3)

(4)

即：

Q3=d33F3+CV3

(5)

式中，C為壓電陶瓷片的電容。

由式(2)和(5)得到壓電執(zhí)行器的總位移量和電荷為：

(6)

Qn=nQ3=n(d33F3+CV3)=dnF3+CnV3

(7)

式中，n為壓電執(zhí)行器的陶瓷片數(shù)量；Kn=k/n為執(zhí)行器剛度系數(shù)；dn=nd33為壓電執(zhí)行器的等效壓電系數(shù)；Cn=nC為壓電執(zhí)行器的等效電容。

由式(7)可知，在外電場和力場作用下壓電執(zhí)行器產(chǎn)生的全部電荷分為兩部分：一部分是負載產(chǎn)生的感應電荷；另一部分是由于材料的介電性而使得壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的電荷。當負載不為0時，負載作用使得壓電執(zhí)行器沿運動方向開始收縮，使得其位移減小，而電場的作用是使壓電執(zhí)行器位移增加。同時，在驅(qū)動電壓一定的條件下，負載的增加使得電極表面的總電荷數(shù)減小，導致執(zhí)行器工作過程中的充放電速度有所下降，充放電時間增加，而通常在執(zhí)行器等效RC電路中，電容器進行充電的時間常數(shù)τ可通過式(8)計算得到，可知在等效電阻減小的情況下，如果充電時間常數(shù)增加，則表明執(zhí)行器等效電容的增大。

τ=RCn

(8)

如果考慮到負載作用導致壓電執(zhí)行器產(chǎn)生的自感應電場，公式(6)中的電場電壓則變?yōu)閂i=V-ΔV，其中，V=Qn/Cn為執(zhí)行器兩端外電場；ΔV=dnF3/Cn為外力作用使得執(zhí)行器產(chǎn)生的自感應電場，則由式(6)可進一步得到壓電執(zhí)行器的位移輸出為：

(9)

(10)

如圖9所示為不同負載下壓電執(zhí)行器的靜態(tài)位移曲線，可以看出，隨負載增加，壓電執(zhí)行器靜態(tài)位移減小，遲滯回線包絡面積減小，表明了負載增加使得壓電執(zhí)行器的遲滯性降低，執(zhí)行器機械損耗減少。當施加外部電場的電壓為150V時，負載由0N加載到900N，執(zhí)行器輸出位移減小了29.5%。

總的來說，負載的增加使得壓電執(zhí)行器的靜態(tài)位移減小，然而在壓電執(zhí)行器工作時，我們通常需要對其施加一定的負載，一是避免執(zhí)行器在高速響應過程中壓電陶瓷片彈性振蕩而發(fā)生膜片間的斷裂，二是減小壓電陶瓷片與兩端電極之間的間隙，提高壓電執(zhí)行器剛度，避免間隙電容影響其工作性能。

4 結論

本文建立了壓電執(zhí)行器多場耦合加載試驗系統(tǒng)，對自行研制的壓電執(zhí)行器在熱-電-力多場下的電學特性進行了試驗研究，為基于壓電執(zhí)行器參數(shù)自感知的高精度反饋控制研究提供技術支持。結果表明：

(1)自行研制的壓電執(zhí)行器能夠滿足噴油器內(nèi)部球閥位移量和推力的要求；

(2)隨溫度升高至120℃，壓電執(zhí)行器的電容增加了7μF，呈現(xiàn)類似拋物線的增加趨勢，等效電路中等效電阻減小了約37%，損耗角正切值增加約149%，導致充放電電流峰值增加，輸出位移增加27.9%；

(3)負載由0N增加到900N時，壓電執(zhí)行器電容增加了34.5%，損耗角正切值先增加隨后略微降低，遲滯回線包絡面積減小，壓電執(zhí)行器的遲滯性降低，執(zhí)行器機械損耗減少，此外，負載由0N加載到900N，執(zhí)行器輸出位移減小了29.5%。