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关于调节阀中压电阀的发展及应用

调节阀作为液气压系统中的重要元件,实现对流体压力、流量和流向的控制,直接影响着液气压系统的工作过程和工作性能。随着液气压技术从传统应用领域向空间、信息和生物医学等新技术领域的不断拓展,对液气压系统的尺寸、控制精度、响应速度和可靠性等各个方面都提出了更高的要求。传统的控制阀较难满足这样的要求,因此对于阀的革新成为了国内外科研机构和企业的研究开发热点。

压电阀是利用压电材料的压电效应来实现阀的动作的一种新型控制阀。相对于传统的阀来说,它具有精度高、响应快、功耗小、寿命长、结构紧凑、环保节能等优点。已在一些需要精确控制的液压或气动系统中得到了应用,具有很大的应用价值和应用潜力。本文将对压电阀的工作原理及其在国内外的研究应用现状进行分析,并对压电阀的发展趋势做了展望。

1 压电阀工作原理

压电阀最早出现在20世纪90年代SIEMENS公司推出的SPIARTPS智能调节阀定位器中。它利用压电晶体的逆压电效应,在实际应用当中具有高抗震性、高可靠性、低功耗、节能等特点,完全能满足智能阀门定位器对电气—机械转换单元的要求。

图1 压电阀的工作原理

图1是比较早期喷嘴挡板式压电阀的结构图,主要由挡板、压电叠堆及背压室组成。工作时,先给压电叠堆一定的初始电压。当给压电叠堆1增加电压,同时给压电叠堆2减少电压时,挡板将做逆时针转动;当给压电叠堆1减少电压,而同时给压电叠堆2增加电压时,挡板将做顺时针转动。这样就会因为电压的控制而改变挡板与左、右喷嘴之间的距离,从而达到输出口压力变化,实现对系统的有效控制。

2 国外研究与应用现状

近年来,国外研究者通过改变压电阀的材料和结构,并结合先进的控制和传感技术,达到扩大流量调节范围、实现精确流量控制、加快响应速度和减小功率消耗等目的,尤其是针对在一些特殊场合和条件下应用的压电阀进行了研究。

2.1 改变压电阀内部结构形式

图2 微阀结构示意图

图2所示是美国研制的应用于低温试验的压电微型阀的结构简图。此压电微阀的主体由一块绝缘硅印模片和作为致动器的压电陶瓷叠堆组成。PZT堆叠驱动绝缘硅印模片,从而改变与输入输出口所在的派勒克斯耐热玻璃片之间距离而完成对流量的控制。在其外部有一块尺寸为1×1×1cm3的微型集成陶瓷封装,它所具有的零孔隙量能保证在真空环境里没有泄漏,并且与环氧树脂相结合能给整个阀提供一个完全密封的环境。该阀的特点之一在于在绝缘硅印模片朝向耐热玻璃片的一面刻印了许多50μm宽、120μm深、周长为127mm的蛇形凹槽,增加了有效的通流面积,即增加了可提供的流量范围。并且在具有凹槽的方形硅片的四个方向使用了4条弯曲的蟹型腿做为支撑,保证了有效的支撑和硅片的压电制动器的驱动下的灵活运动。实验中,在室温时该压电微阀的调节能力范围能高出同尺寸阀的几个数量级;当温度为80K或380K时,输入压力高于大气压104kPa的情况下,能成功的将流量从380mL/min调节到20mL/min。并且在工作过程中功率消耗小,响应时间小于1ms,频率宽度可达820kHz。达到了通过对冷却剂的流量控制,使系统在分布式冷却过程中达到较高的温度稳定性和较小的温度梯度。

2.2 改变流阻

图3 压电阀截面结构简图

图3所示是荷兰特文特大学开发的一种用于调节气体流量的常闭式压电阀。它通过由金属销串接起来的压电致动器驱动凸台周围的硅膜的偏斜来控制阀的流量。阀座和中间孔的一层是由硅材料做成的可变电阻层,而在其下方还含有一块形为方格形渠道的静态电阻层。气体从输入口进入方格形渠道,再通过中间孔到达阀座,在阀座上层的环绕于凸台周围的硅膜偏斜大小的控制下来改变气体流量。图4显示了该阀使用可变电阻与静态电阻相结合的方法实现了对流量的精确控制。实验空气流量测试显示,该压电阀在压力差为4bar的情况下,流量可以达到250mL/min。在阀门操作的任何阶段都可获得连续可控的气体流量,整个过程中几乎没有滞后现象出现,并且功率消耗也很低。

图4 流量速率与间隙高度的函数曲线

2.3 其他方式的研究

图5 压电微阀矩阵示意图

图6 单个压电微阀结构简图

图5和图6所示是日本开发的一种通过外部结构来实现流量精确控制的压电微阀矩阵。如图6所示,单个的压电微阀通过压电片收缩来改变气口大小,从而改变气口阀盖的吻合度,实现阀的通、断功能。压电微阀矩阵就是由很多个这样的被独立控制的压电微阀所组成的。压电微阀矩阵可以平均单个微阀所造成的误差,将整个系统的误差减小,可以相当容易地通过反馈控制来增加(或减少)通(或断)状态的阀的数量来实现精确控制,并且压电阀矩阵所能控制的流量范围与其所含的单个压电微阀个数成正比。这是与传统的通过改变压电阀内部结构或者材料来改善其性能的方式完全不同的研究方向。其中单个的压电微阀结构非常简单,但是通过数量的组合就能在整体上实现对系统的精确控制。由于压电片的尺寸非常小,要控制压电片收缩所导致的气口大小与阀盖大小不容易刚好吻合,在实际的设计当中还应当注意压电片所采用的材料,并对其进行比较全面的仿真分析和大量的实验研究。

在应用方面,压电阀被应用到了非常广泛的领域,其中涉及航空航天、临床医学、医药化学、微机电制造等领域。如应用于临床检测的自推进式内窥镜操纵器中的压电阀可以满足在高压环境下工作的需求,同时还满足系统对阀的小尺寸需求,设计者将压电阀的工作环境改为硅酮油以延长压电致动器的工作寿命,并结合特殊的结构方式为患者提供了很好的安全检测环境;压电阀在航天器混合冷气式微型喷气发动机系统的应用中,解决了热膨胀系数问题并将PZT器件老化的可能降到最低;在RFX进气系统中,对原有压电阀进行了气路修正,改善了该压电阀的性能。另外,压电阀还被应用于燃油箱的结构中、药物输送系统中、自注入式的微创技术中等。

3 国内研究与应用现状

压电阀在国内的研究和使用相对于国外来说要稍落后一些。随着液、气压系统对控制精度、响应速度、功耗等要求越来越高,压电阀在国内更多地方被应用和研究,也出现了一些国内自主研发的压电阀,下面介绍一些具有代表性的研究成果和应用。

3.1 喷嘴挡板式压电阀

国内对喷嘴挡板式压电阀进行了较多的研究,图7是一种喷嘴挡板式气体压电阀,它针对其中的柔性铰链挡板进行了设计和动力学分析,并经过实验证实,该压电阀响应时间为10ms的较快响应速度,并且其允许工作压力和输出流量都较大,解决了当前气体压电阀普遍存在的工作压力低、输出流量小的问题。

3.2 压电开关阀

国内对压电开关阀的研究也较多。浙江大学在2008年提出一种新型压电开关阀结构,利用压电晶体高频响、高输出力的特性,采用3个压电晶体执行器使阀芯在高压下高速的打开和关闭(如图8所示),结合了数字阀的功能,很好地解决了压电晶体输出位移过小的问题,并且针对压电晶体温度效应的问题对其进行了温度补偿。作者对这种压电高速开关阀建立了数学模型,并进行了仿真分析,分析结果显示此种压电高速开关阀可以实现200Hz的高速响应频率、20MPa高压的工作压力、11L/min大流量的开启和关闭。

1-阀体;2-压电堆驱动器;3-柔性铰链挡板;4-压力弹簧;5-密封薄片;6-进气喷嘴;7-出气口;8-进气口;9-微调螺钉

图7喷嘴挡板式压电阀结构示意图

图8 压电开关阀结构

3.3 微流体压电主动控制阀

图9 压电微流体控制阀的结构示意图

图10 基于压电致动的微流体主动控制阀

图9和图10是重庆大学在2008年提出的一种采用圆盘型压电振子作为致动元件的微流体主动控制阀,它通过控制圆盘形的压电致动元件来改变与其周边的过流间隙,实现对微量流体的控制。实验结果表明该微流体主动控制阀可以实现对流量的连续控制,在压电致动元件控制电压一定的条件下,可以使阀的流量与进出口压差呈现一定的关系。

3.4 其他压电式直动阀

国内的研究还有很多集中在压电直动阀上,下面主要介绍两个比较典型的例子。

图11 压电双晶片直接驱动伺服阀结构图

图12 直接驱动式压电伺服阀幅频曲线

图11是吉林大学研制的一种由压电陶瓷直接驱动的伺服阀。研制者针对其柔性铰链进行了有限元分析,并测试了这种伺服阀的幅频特性,(如图12所示),频宽为650Hz,静态特性在闭环控制下为滞环小于1%,分辨率小于0.03%,抗污染能力强。另外,由于用PZT材料的逆压电器件代替力矩马达,所以响应时间非常短;替代了电磁元件,对外界不产生电磁干扰;位移输出极高,可以完全满足现代精密高速控制系统的需要。

放大原理的直动式压电伺服阀。杠杆式的位移放大机构位于整个阀体和其上方的压电叠堆的同侧,使它们的运动方向平行,也同时使阀体的结构较为紧凑。当压电叠堆伸长使输入位移为Di时,通过柔性铰链放大杠杆放大到输出端,位移变为D0传递至阀芯,再推动弹性回复板实现滑阀的移动。在压电叠堆刚性满足动态性能要求的条件下,系统的动态性能的高低取决于弹性回复板的刚度,刚度越高,系统响应的建立时间越短,其响应速度越快。

图13 杠杆放大直动式压电伺服阀原理图

3.5 国内主要应用领域

压电阀在国内的应用涉及到很多的领域,近年来主要集中在对智能阀门定位器的研究上,如对智能阀门定位器的自主设计、智能阀门定位器在V型滤池中的应用、智能阀门定位器在气动执行器上的应用等;在托克马实验中作为送气阀的压电阀在控制准确送气量的性能上的研究,主要针对压电阀在该实验中的送气率和脉冲送气特性进行了相关的研究和测试。另外,国内还对压电阀在压强和流量方面的控制进行了一定的研究。

4 发展趋势

压电阀本身具有尺寸小、响应速度快、精度较高、容易控制等优点,其发展方向将越来越趋向于微型化、精确化、智能化,它将更多地应用于微流控、精密机械和智能控制等技术中。如在临床所需的检测设备或者是临床治疗的手术设备当中,压电阀可以满足所需尺寸较小、工作环境特殊的要求,能达到控制精确,工作风险低的目的,既能提高临床治疗的成功率,又能减少患者痛苦。同样,这些特点也能应用于航空航天、医药、微制造科技等领域,使应用系统更加的可靠、精密、可控,甚至向微型化、智能化发展。对于压电阀本身结构、工作环境以及材料的进一步研究也许能将压电阀更多地应用到现代科技的前沿领域。压电阀在现代科学技术中具有很大的发展潜力,并且将被更广泛的应用。

5 结束语

随着液气压技术向着电子化、智能化的发展,压电阀将越来越多地应用到需要精密、智能控制的系统中。相对于国外对压电阀的深入研究和在高科技方面的应用水平,国内在压电阀研究和应用方面还需加强。由于液、气压的广泛应用和压电阀自身所具备的独特优点,预示了压电阀还将会具有广泛的应用领域和巨大的发展潜力,应该加大市场推广。