超磁致伸缩效应的新型液压高速开关阀
关键词：超磁致伸缩驱动器 液压高速开关阀 研究
１ 引言
在工程机械液压系统中采用PWM脉冲调制的数字控制具有许多显著的优点，如易于与计算机连接，系统价格低廉、抗污染和抗干扰能力强等。但这种控制系统需要高速开关阀。目前国内外开发的一些高速开关阀，大多采用电磁铁作为驱动器，因此阀的切换速度慢；压电晶体型驱动器虽然提高了切换速度和频率，但所需电压高，消耗功率大。因此有必要研制新型的高速开关阀。
近年来，国内外对于稀土铁化物超磁致伸缩效应的应用研究受到重视。所谓的磁致伸缩效应，是指铁磁材料和亚铁磁材料在磁场的作用下将导致其体积和长度发生微小变化的现象。把Ni和Co加Fe到稀土中所形成的一些化合物和非晶合金，因具有很大的磁致伸 缩系数而称作超磁致伸缩（giant magnetostrictive material简写为GMM），比较有代表性的为Terfenol-D。采用这种材料制成的线性驱动器具有多种用途，其中作为液压控制阀的电—机械转换装置，具有切换速度快，频率高，能量消耗少等特点。
２ 开关阀的结构与工作原理
２．１超磁致伸缩驱动器
超磁致伸缩驱动器的结构如图1所示。
中心的超磁致伸缩材料棒为北京科技大学产的TbDYFe（φ12×110），其下端用夹具固定，上端通过伸缩传递轴和弹簧给磁致伸缩材料加上预应力。磁致伸缩材料的周围是产生驱动场的激励线圈和冷却线圈用的铜水管。外围是磁轭（碳钢），它与磁致伸缩材料一起构成封闭磁路，以防漏磁。伸缩传递轴等其它零件均由非磁性不锈钢制成。超磁致伸缩材料内部应变与激励磁场强度、材料特性常数、应力状态等直接相关，其外部位移、力输出实为磁场—弹性场相互耦合的结果。所以，适当配置机械和电气的结构参数（主要是预压缩应力和偏置磁场），可使超磁致伸缩材料处于优的机电耦合状态，提高能量转换效率。当采用交流电激磁时，超磁致伸缩材料在正负磁场的作用下都为伸长，其产生机械运动的频率是外加电流频率的两倍，这便是所谓的“倍频现象”。为使驱动器机械运动在线性区间，通常采用加一偏置磁场来消除此现象。但是，当驱动器采用PWM脉冲电压激磁时，由于没有负磁场，不会出现倍频现象，所以不需要偏置磁场。给超磁致伸缩材料施加一合适预应力的目的，一是避免磁致伸缩材料在受拉状态下工作；二是可以增大磁致伸缩量。根据铁磁学理论，这是由于外加应力提高了材料的饱和磁化强度，使其饱和磁致系数提高的缘故。
２．２开关阀的结构
。通常作为液压先导阀所需阀芯小位移不小于0.5mm。所以对超磁致伸缩驱动器输出的位移通过一杠杆机构进行放大。位移放大的同时，阀芯的驱动力却减小。但由于超磁致伸缩驱动器不需要弹簧复位，阀芯驱动力只需克服摩擦力即可，所以驱动力不需要很大。
开关阀是由现有的一种二位二通电磁阀改造而成的，其内部结构如图 3 所示。
弹簧 3 的作用是消除位移放大杠杆及其它配合处的间隙，所以不需要很大的刚度系数。
３ 开关阀的特性试验
开关阀的特性试验主要包括磁致驱动器的静态电流—输出位移、输出力及开关阀的开启和关闭时间试验，其原理框图如图4 所示。试验在恒温隔振的条件下进行。
３．１磁致驱动器的静态电流—输出位移、输出力试验
磁致伸缩棒的预压力为 820N，即当输入电流为零时，由于作用力与反作用力的相等关系，此时磁致驱动器输出力也为 820N。当输入电流为1550mA时，输出力达 980N，此时位移输出为40μm。由于材料存在着磁滞，位移和力输出曲线在激磁电流正反向时不重合。但对于由 PWM 信号控制的开关阀，其本身就不是线形元件，所以不要求驱动器具有线性，只要求当激磁电流反向减小为0 时，驱动器的输出位移也等于零。对于磁滞，也可以在每一个正向PWM控制信号结束时，通过程序反向加一负值电压以消除剩磁。
３．２开关阀的开启与关闭时间
开关阀的开启和关闭时间对阀的静动态性能都有重要的影响，由试验来测定开关阀的开启和关闭时间可通过测定其应变阶跃响应进行。信号发生器给开关阀输入一方波信号，然后通过应变测试装置测得其响应曲线，如图 6 所示。
由图可知，应变响应的上升时间和下降时间基本相等且仅为 0.5ms左右，而这一时间就是开关阀的开启和关闭时间。
４ 结束语
通过上述试验结果可知，采用超磁致伸缩驱动器的液压高速开关阀，可以获得更短的切换时间和更高的开关频率，并且功率消耗很低。因此在用于液压系统的 PWM 控制时能够获得更高的控制精度和经济效益。本文只是初步的研究，对于进一步的应用尚有一些问题需要解决，如：磁致伸缩材料的磁滞、输出位移的放大及温度的影响等。但应该看到这是一种很有发展前景的液压高速开关阀。