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简析高压叠堆压电陶瓷液压泵的驱动原理

本文所做研究利用的是压电材料的逆压电效应,对叠堆压电陶瓷材料施加电场,材料内晶体在载荷的作用下进行重新排列,产生变形,输出外力。广一水泵厂利用电场的交变特性,使其输出力呈现交变特性,压缩或者吸进液体,再利用单向阀的整流特性,将双向输出变为单向输出加以利用。


典型的混合液压泵的设计思想是靠液压泵盖头内的单向阀,利用频率整流使驱动器产生一净流出率。该单向阀的功能为流体只能通过进油孔进入液压泵室,同时流体只能通过出油孔流出泵室进入液压管路。


混合驱动器装置工作的四个不同状态描述如下,同时其图解过程如图所示。

(1)压缩:第一阶段为当施加电场时,叠堆压电陶瓷材料开始产生形变,由形变产(1)生的位移变形使活塞压缩泵腔内的流体,导致腔体内流体压强升高。若腔体内的流体压强低于推开出流阀的压强,这一过程将会一直持续。在这一过程中,由于泵腔体内流体的压强高于进流孔内流体的压强,因此进流阀会一直处于关闭状态。

(2)排油:第二阶段为当泵腔内与出油管路内之间的压强差达到打开出油阀时,流体开始从广一管道泵的泵腔流出进入管路,液压缸与出油管路相连这一侧压强随之升高,推动液压杆运动,同时使低压一侧的液体进入蓄能器。蓄能器的作用是维持低压侧的压强为恒定值。

(3)回退:第三阶段为随着电压幅值的减小,叠堆压电陶瓷的形变开始减小,活塞开始回退使泵腔内的压强开始减小,出油管路中的压强开始高于泵腔内的流体压强,出油阀关闭,而蓄能器中的压强暂时还是低于泵腔内的压强,因此,进

油阀也处于关闭状态。

(4)吸油:最后一个阶段为泵腔内的压强持续下降使其低于蓄能器内的压强,产生的压强差达到足够打开进油阀,蓄能器中的液体回流进入泵腔内。


由于交变电压使电压幅值不断变化,因此每一周期都会出现以上四个状态,其频率与施加电压的频率相同。叠堆压电陶瓷驱动器就是利用不断重复以上四个状态,推动液压杆运动,达到输出功率的目的。

图1:混合驱动器工作状态

混合驱动器工作状态

广一水泵厂选用柱形高压叠堆压电陶瓷,根据不同需要购买了其中两个型号,分别为Pst1000/25/60和Pst1000/35/60,型号符号中“1000”表示标准驱动电压为0〜1000V。

表1:物理参数及性能参数表

最大/标称位移

长度

直径

静电容量

刚度

谐整频率

(um)15%

(mm)

(mm)

(nF)±20%

(N/um)±10%

(kHz)

80/60

75

25

1250

300

20

其中Pst1000/25/60能产生的最大推力为25000N,Pst1000/35/60能产生的最大推力为50000N,另外标称行程是在驱动电压为0〜1000V的条件下的位移行程,若需达到最大行程位移,则驱动电压需为-200V〜1000V。因此在0〜1000V的电压驱动下,Pst1000/25/60具有的最大驱动力为18000N,Pst1000/35/60具有的最大驱动力为36000N。根据厂家提供的其实际压电片叠堆长度均为54mm,直径亦为封装好的叠堆压电陶瓷直径,非实际压电片的直径参数。由于叠堆压电陶瓷材料在工作时会产生大量的热,因此若想延长使用寿命,建议驱动电压为0〜800V。为叙述方便,后文分别用025叠堆压电陶瓷和045叠堆压电陶瓷代替Pst1000/25/60和Pst1000/35/60两种叠堆压电陶瓷。


复合材料的发展与应用程度和相关加工工艺成熟度紧密相关,因加工工艺或其他不确定因素的影响,实际上单层压电片的性能存在不同,经封装叠堆后的叠堆陶瓷其实际能产生的位移与标称位移存在一定误差。从压电材料具有压电效应的基本理论出发,介绍了叠堆压电陶瓷的基本思想,其核心思想为将压电陶瓷片在电场作用下产生的微小形变进行叠加产生大位移,再结合压电陶瓷片驱动力大的特点加以利用。推导了叠堆压电陶瓷在零形变情况下所需施加的外力,也叫锁定力,其大小即为叠堆压电陶瓷能产生的最大驱动力;同时得到在零外力施加状态下,叠堆压电陶瓷能产生的最大形变5。锁定力与自由行程5%是叠堆压电陶瓷的两个基本性能参数,对相关设计具有重要参考作用。


详细介绍了典型混合液压驱动器的工作过程及原理,叠堆压电陶瓷利用电压的交变特性,不断产生力与形变吸进和压缩泵腔内的液体,推动液压缸内的液压杆运动,将电能转换为机械能,达到对外做功的目的。同时,液压泵泵腔体积十分微小,为有助于吸进液体,因此管路需要一定的预冲压,并保持整个管路系统封闭。


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点击次数:  更新时间:2018-01-12 09:03:17  【打印此页】  【关闭