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畢業(yè)設計（論文） 英文資料翻譯 題目 壓電液壓驅動器的設計和測試 摘要 本文介紹的設計方法是建設一個使用智能材料提供液壓流體動力的驅動器。在被描述的驅動器類，液壓油從硬盤頻率壓電或其他智能材料中分離輸出缸的運行頻率。這種解耦允許在高頻壓電驅動，以提取物質的最高大量能源，以及液壓缸在低頻驅動提供長沖程。然而，由于遵循流體的可壓縮性和結構性，基本阻抗匹配和流體之間的壓電很難能量轉換成加壓壓電液壓油流。在材料，機械設計，以及流體機械接口領域的基本設計權衡和重大技術問題存在爭論。提出原型設備和元件測量。介紹測試方法，測試量化泵壓力和流量，得出動力量和速度。一系列的試驗表明由智能材料提供強力長沖程驅動的裝置的可能性。 關鍵詞： 壓電，智能材料， 壓電液壓 ，驅動，電源的電線，水泵 導言 智能材料，如壓電， 磁限和電限長期應用在精確控制方面。由于其形變能力有限，這些材料通常沒有用于要求大量直線運動的驅動器。近幾十年出現(xiàn)了依靠各種技術增加來自智能材料核心的驅動力的設計。其中常見的是機械放大或轉型，如那些正在使用的杠桿和支點，并分步重復類型，例如，蠕動。最近，研究人員已經認識到整合智能材料和液體，使泵的 一個基本組成部分加以利用線性驅動的可能性。這種新方法有望實現(xiàn)長沖程高功率驅動。 與包括常規(guī)伺服液壓和各種電磁類型在內的其他類型的驅動相比，壓電液壓驅動有優(yōu)點，也有缺點。相比傳統(tǒng)液壓，主要優(yōu)點表現(xiàn)在電線方面，即消除液壓配電線路。與電磁方法相比，包括電機驅動滾珠絲杠，壓電液壓驅動提供強力液壓和潛在的更迅速的響應時間。相比于傳統(tǒng)液壓，新型驅動器在熱分布和漏油方面有不利之處。與電磁驅動器相比，盡管使用少量液壓油，新型驅動器仍然需要電氣和液壓一體化。壓電液壓驅動的這些特點中有許多和電限驅動器（ 的是相同的 ，如用在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機。壓電液壓驅動比其他 取這種能量是一項艱巨的任務，本文試圖描述許多當前發(fā)展努力的挑戰(zhàn)中的一些。 整體設計目標是要通過不同階段由壓電棧元件轉換電力輸入由一個驅動器輸出缸將機械動力傳到外部負載。設計始于壓電智能材料，延伸到壓電流體界面，通過閥門，并最終到輸出缸。盡管電子驅動器的驅動器在其他地方討論，但它也是一個考慮。像許多系統(tǒng)，整體設計是一項綜合性和反復的工作，單個的組件能夠被設計，但需要重新設計與其他子系統(tǒng)相配合。子系統(tǒng)和系統(tǒng)級在這 一進程中測試元件。測試以個別要素之間的互動和合作為特點。設備的總機械輸出（力量，速度，或電量）的衡量和最大化是最終目標。 本文闡述了在固液混合驅動，可說明的操作和突出的局限性方面的基本概念。提出執(zhí)行器的設計理念的下一步，和闡述各個關鍵子系統(tǒng)。審議壓電性能重要的優(yōu)先性的應用。決定加壓室的設計和描述原型器件。分析部分或全部器件特性的各種測試方法，強調每種方法的價值。本文通過測試結果和解釋對多代壓電液壓設備得出結論。 固液混合驅動 更廣泛地說，壓電液壓或智能材料液壓驅動可稱為“固液混合”驅動。能源傳送到智能材料生 產加壓流體。然后機械閥調整振蕩流體壓力促使加壓流體流動。由于有液壓蓄能器和另一個閥門，固體介質可以不在所要求的負荷時的頻率下運行。一般來說，固體驅動器運行的頻率遠高于所要求的負荷時的頻率，也許達到 100倍。 雖然理論上是吸引人的，但實際的限制會限制固液混合驅動方式的效率。特別是，流體粘度和壓縮結合活性物質的機制中所固有的損失，以限制驅動器和驅動器的總輸出功率有效帶寬。同時，如果最大功率驅動器是可用來驅動機械負荷，必須非常小心地設計使流體的輸送和輸出符合驅動器的特點。 如圖 1所示是目前發(fā)展狀況下通用的設備。圖 中，設備組成有幾個要素組成：剛度為 k 的固態(tài)要素推動面積為 活塞對工作流體加壓，流體通道通過四個閥門將加壓室與液壓輸出缸和累加器相連接。 圖 1 ：固液混合驅動器概念 圖 2顯示了混合驅動器的動作順序。閥門開口定時使加壓流體到一個輸出缸的分室。固態(tài)驅動器在沖程時，任一的輸出活塞缸的端口是直接通向累加器腔的，使得輸出活塞在每個腔內分離出不同的容積。一旦加壓沖程已經到達了極限，閥門開口就會調整，以使加壓腔從低壓輸出缸和累加器腔吸取流體。流體的這種流離從輸出活塞的一側反向移動到活塞的另一側以達 到平均流動。 前進 反向 增壓或入口 降壓或出口 圖 2 ：混合驅動器操作順序 設備的自由運行輸出速度是誘導應變器和運作的循環(huán)頻率分離的流體容積變化的結果，以輸出活塞的區(qū)域區(qū)分。腔的大小和流體性質可以調整，以實現(xiàn)在任何特定驅動因素下大范圍的力量 而，張力動作器的操作能力的基本考慮將顯示，在理論上每周期運行頻率 f = 1/其中 驅動器阻力值，δ 驅動器的最大自由誘發(fā)沖程（ “零速”壓力，即沒有流體可移動時驅動器的壓力，且Δ = 在固態(tài)驅動器的負載線力量 力 圖 3 所示。流體可壓縮性的考慮要求，固態(tài)驅動器的加壓腔有一種有限流體的動剛度。加壓腔剛度示是 β V ,其中β是流體可壓縮性。腔的流體剛度顯示了對驅動器的載荷，如圖 3 所示 ，從而降低了最高可達到的壓力和動力輸出，它們分別為 圖 3 ：混合驅動器的工作顯示損失的解釋 流體從加壓腔流動到輸出缸引起必要的壓降進一步降低了集成設備可用的輸出： 很難在實際中得到等式 1 中計算的輸出功率。實際上，等式 2 給出了特定驅動器的最大輸出功率。特別是，閥壓降，流體可壓縮性，和加壓空間的有效高度 (1)必須盡量減少，并建立各種因素下的高度下限。由于流體通道的工作需要，粘性流通過這些通道的相關損失（包括 Δ 流體的溫度、氣泡等可變性質，這些目標還遠遠沒有直接 達到。 這可能是行使模型的基于上述討論和在參考 8 中所描述的其他假設生產仿真的結果如圖 4 。該圖顯示的循環(huán)周期的壓力以及由此產生活塞的高低壓兩側的壓電。它還顯示驅動器的輸出軸的位置，因為它一段時間內增加的總體反應是低于壓電響應超過一個數(shù)量級。 圖 4 ：在啟動時產生的壓力的壓電和輸出位置以及輸出位移 通過建模表明固液混合驅動器的最大驅動力的基本限制不僅包括固態(tài)驅動因素固有的物理限制（例如剛度，沖程，穩(wěn)定的運行頻率），而且還限制了工作流（例如壓縮，蒸汽壓力）。隨著固態(tài)驅動因素的 工作頻率的增加，液體空穴的可能性是輸出功率增加的主要限制因素。 參考 8提供一個簡單的表達式可以實現(xiàn)在最大輸出功率下估計運行頻率： 其中 用器件的典型參數(shù)值， 兆帕（ 725磅） ， 約是 740 赫茲。這種裝置的有限空蝕最大輸出功率也取決于工作流體的內在可壓縮性，以及作用于驅動器的外部載荷。 顯然，有必要精心設計閥門來糾正工作流體的高頻率加壓。閥門必須運行在高頻率，尤其是，他們必須有足夠的速度和開放領域在增壓室的入口通道形成低壓降。一系列的閥門和流體加壓的 幾種方法已在將被介紹的設備中做過測試。 驅動器概念 智能材料液壓傳動的主要部分的基本概念如圖 1所示。這一概念連同設計的實物照片在框形圖 5中顯示出來。該器件從外部接口獲得電力和指令并傳回遙感數(shù)據(jù)（例如加載或位移）狀態(tài)或安全信息。微控制器或低端數(shù)字信號處理器 (行必要的計算，以配合指令，傳送遙感信息，規(guī)范驅動和閥門定時。高功率放大器驅動主要的智能材料驅動器，低功率放大器驅動里的任何活躍閥門。主要的加壓驅動器壓縮加壓室中的流體，并且閥門迅速傳送流體進出腔體、蓄電池和輸出設備。輸出驅動器活塞驅動頻率范圍為內 部驅動器驅動頻率的 1/100 到 1/50。驅動器輸出驅動負載，和傳輸全球遙感數(shù)據(jù)，如旗幟角度，是提供給嵌入式控制器。 圖 5 ：智能材料液壓混合動力驅動器的基本架構 執(zhí)行器基本上是一個泵，有時被稱為增壓和閥門（ 加上一個輸出設備。這兩個子系統(tǒng)之間的耦合是重要的，沒有考慮輸出驅動器和負載的泵的設計會導致效率低下。最一般的設計中，無論是首要驅動器的頻率和振幅都可以通過該系統(tǒng)調節(jié)不同的流量和壓力。從總體效率的角度來看這是最好調節(jié)此驅動器的方法，而不是故意限制通過閥的流量，增大大的壓降，和作為熱源釋放能 量。 機械腔體所起的作用是安裝其他的組成部分，存留和傳送流體。腔體必須為流體密封留有余量，腔體必須盡量減少，特別是在附近的主要流體壓縮室。腔體也有起到傳熱的次要作用，且必須包含可應用依賴安裝的手段。整體形狀不像軸是可以接受的，與 顯然，內部流體路徑的長度應限于對高帶寬操作，通道的寬度或直徑也應盡量減少。傳送通道里少量的流體是可取的，就像沒有限制和壓降的自由流體。對工作流來說，高體積彈性模量和低粘度是首選。在實際中，有效的流體體積彈性模量受到存在的氣量的影響。最后，如上述情況 ，設備應盡量在壓力差或預置的情況下操作。 整個驅動器的關鍵要素很大程度上是閥門。通過閥門的壓降限制帶寬和整體輸出功率，與其中進口閥是最關鍵的。在研制中，一些主動和被動的閥已被測試。高速被動閥性能較差，但機構很簡單。被動閥結構有許多選擇。積極閥門必須在最低限度下提供方向控制，扭轉輸出設備的流體流向，以改變輸出方向。主動閥開啟和關閉的時機對高效率運作是至關重要的，一定程度上，每個周期無慣性扭轉時閥的形狀是首選。 壓電材料和制動器 在過去 20 年設備的發(fā)展和演變中，壓電驅動器的使用已被公認為是不同于許多“智能結構” 的應用。高能量密度和高能量傳遞是基本的需求，而不是精確定位或振動控制。 混合驅動器需要智能材料應用在主要壓力和某些架構，作為一種手段來推動積極閥。由于多種原因，選擇壓電材料優(yōu)于其他的選擇。相比于有尺寸和壓電帶寬要求的形狀記憶材料，因此，在高頻下提供壓力的能力是應首先考慮的。相比于磁限 ，壓電在材料里產生較低的能量密度，而當包括輔助領域線圈時產生更大的密度。相比于電限，壓電材料和驅動器有更多的選擇?？捎眯源蟮枚?。但是，對分析、建模和設計的一無所知將排除任一智能材料。 在壓電材料中，重要的數(shù)量是功率密度，即單位 體積或單位質量產生的機械功率輸出量。機械能轉換為電能的機電耦合系數(shù)應該是高的。因為重要的不僅僅是設備的一次性運作，還因為驅動方式需要許多周期，其他因素也很重要。介電損耗有非常重要的三個原因。首先，它表明從電能輸入到機械輸出轉換的能源浪費。第二，在持續(xù)高驅動時產生的熱量可能會導致材料退化。最后，熱量必須被驅動器體消散一部分。高居里溫度也是可取的，以便在高溫環(huán)境中作業(yè)驅動器自加熱使溫度進一步提高。與控制其他高功率應用的這些特性相反，如這里提到的之一，共同側重于壓電系數(shù) 壓電材料將用于設備的堆棧器配置。這堆棧應該是機械僵硬，即夾層薄薄的一點或端蓋。然而，堆棧形狀可以優(yōu)化產生非常匹配流體介質的剛度。它應該是機械的不平，且無內部制造壓力。它必須能夠承受較高的熱，及運作超過十億周期的電力和機械應力環(huán)境。此應用至少需要一些其他方面的周期。設想在 2000赫茲運作 140小時的驅動器試驗超過 10億周期。 加壓室設計 與壓電液壓驅動器一樣，壓電泵的目標是把電力轉換為流體動力。能量轉換的實現(xiàn)有兩個主要步驟。首先，壓電材料在一個小腔中加壓液壓油。然后，閥門調整振蕩壓力使加壓流體流動。然而，從壓 電里轉換每個周期的大部分能能量需要壓電和流體之間的阻抗匹配（圖 6）。圖中可用能量的總量在具體的例子中大約是 周期。這種驅動器如果運作在 2000赫茲將產生 1000 瓦。 圖 6 ：特定負載剛度對壓電每個周期的能量 雖然可用的功率很大，但壓電的高剛度和流體的可壓縮性的阻抗匹配實際上難以實現(xiàn)。作為一個例子，液壓油缸的計算剛度表明了難以提供一個負載從壓電中每個周期轉換最多能量（圖 7）。結果表明，即使是小流體腔，有限剛度也減少了每個周期從壓電中獲得能量。 圖 7 ：液壓油缸的典型剛度 此外，金屬腔里流體剛度、缸體剛度還降低了裝置的性能。研究缸體剛度設計的影響，壓電泵被制造以決定最高獲取的壓降（圖 8）。在此設計，智能材料把流體由設備的一側輸送到遠端。壓電泵將流體輸送到完全封閉的腔室，并在阻壓力的遠端腔室產生壓升（圖 9）。腔室和流體腔的有效剛度以阻壓力的值表示（圖 10）。 圖 8 ：液壓油增壓測試的設計 圖 9 ：測試液壓油增壓的實驗裝置 圖 10 ：有壓電材料的流體增壓測試結果 一般來說，純粹的液壓油的體積彈性模量就是 獨立壓力。然而，大多數(shù)液壓油有一定的溶氣量，從而導致液體混合物的有效體積模量在低壓變化。為了盡量減少溶氣量的影響，高壓力降低了液體中的空氣的體積分數(shù)。通常在阻壓力測試之前，外部液壓泵從進口加壓產生的壓力通常在 250 到 1000 磅之間。然而，通常任何最低限度在 700磅以上能改善設備的性能。 設備等級測試和結果 一些原型驅動裝置已被開發(fā)和測試。每代設備都增加重要數(shù)據(jù)，如一體化程度、帶寬或功率輸出。從單個壓電棧到完整的機械功率輸出的測量，設備以不同層次的一體化來區(qū)分。在單元的流體動力生產核心，即泵，和輸出機械動力的 完整驅動器之間的一個主要區(qū)分已確定。 通常情況下，壓電泵的第一次測試是測量裝置的阻壓力（圖 11 ）。在這種情況下，所有外部閥門關閉，壓電是在低頻啟動。小流量泵增加出口的壓力，直到達到阻壓力。阻壓力試驗衡量總體設備剛度，這對量化看到的壓電負載阻抗是非常重要的。然后，充分開放從出口到進口的閥門確定設備的無負載流量。在這種情況下，多個壓電的驅動頻率下的流量被記錄。該點的頻率增加不會增加提供了一個該器件最大工作頻率的估計的流量。然后，部分關閉閥門節(jié)流可以測量多個驅動頻率下的壓力與流量。這是壓電液壓泵純電阻負荷下的功 率的一種測量方法。 圖 11 ：用來定性力量與速度的實驗測試系統(tǒng) 下一個測試是一個彈簧加載器采用液壓驅動的壓電泵（圖 12 ） 。由于液壓執(zhí)行器壓縮彈簧，在棒中沖程的速度被記錄。這一次測試將會給出設備的全部力量 13 ），隨著彈簧壓縮，負荷增加而速度減小。這個測試然后記錄多個工作頻率下在力量與速度的性能出現(xiàn)最大功率時的頻率。 圖 12 ：用來確定裝置力量速度性能的彈簧負載 圖中，該驅動器被驅動是從一個極端（高速，低力）到另 一個極端（低速，高力）。值得注意的是，力量和速度關系的結果是功率，并且最大功率輸出是在最大速度的大約 50 ％達到。具體數(shù)據(jù)顯示為內部驅動頻率的 400赫茲。特殊裝置已經被驅動到 600 赫茲，而另一些已經到 1千赫以上。 圖 13 ：壓電液壓驅動器的彈簧負載測試結果 42 W 的輸出功率是令人鼓舞的，該設備的輸出功率與每個原型一起繼續(xù)增加。然而，被測的功率大約是把唯一的基本流體損失理想化預測所得的 40更新的模型獲取更多的流體損失和更準確地預測。該設備的未來版本將嘗試速度和力量的 雙輸出，將比總輸出功率翻兩番。 結論 本文提出了一個驅動的概念，即利用智能材料，如壓電，結合液壓傳動制造緊湊型混合動力裝置。智能材料常常被用于低力量定位或振動控制，但它們內在的優(yōu)勢之一是它們固有的高能量或功率密度。這可以利用多種方式開發(fā)，本文描述的就是其中之一。 基本建模考慮對這一類型壓電液壓驅動器作了介紹。解釋了基本的操作，并綜述了粘度、壓縮和內部閥開口不足的限制。特別適合于實際的設備已提交。對關鍵分系統(tǒng)和部件進行了討論，并且突出了在每個子系統(tǒng)和互動的子系統(tǒng)的設計中重要因素的考慮。解決了有關壓電材料和驅動 器的問題。 對實現(xiàn)高內部壓力的設計考慮進行了討論。在這種類型的設備中激烈壓電驅動器和短柱流體之間的匹配阻抗是至關重要的。本文指出了幾種類型的試驗，和闡述了設備的全面安裝測試。提出了一個設備典型的結果，和目前正處于發(fā)展的其他高速設備。 鳴謝 本文介紹了驅動器在國防部高級研究計劃局緊湊型混合驅動項目資助下的發(fā)展，該項目與空軍研究實驗室簽訂了合同。作者感謝主辦者以及格雷戈 ? 包爾斯、布萊恩 ? 赫巴特和理查 ? 華納的貢獻。 參考文獻 1. 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