压电陶瓷驱动金属橡胶纹波超高压精密流量阀的研究

提出了采用压电陶瓷与金属橡胶两种材料来设计（超）高压精密流量阀并开展其机理研究：利用压电陶瓷驱动流量阀的主阀芯，以实现对阀芯与阀体开口间位移的精密控制，进而实现对阀口开口量的控制，达到对阀出口处流体流量及压力控制的目的；利用金属橡胶材料的多孔性以及减压、隔振、降噪、过滤等特点，实现对阀出口处流体脉动的平纹波处理，确保阀出口处输出流量、压力的稳定性。结合伺服控制技术，将该阀与单片机控制系统组成闭环系统，可实现对阀的出口流量、压力的自适应调节，成为压力/流量伺服阀，以此开展（超）高压精密伺服阀机理、性能以及控制方法的研究。研究金属橡胶孔隙度与阀出口压力/流量关系，建立压电陶瓷与阀出口流量、压力的机-电-液混合模型。开展压电陶瓷驱动技术、（超）高压流量/压力阀、伺服阀的流量控制、减压机理、伺服实现等的研究，对促进我国（超）高压精密液压伺服元件、伺服控制及微流体控制技术的发展，具有重要意义。

本项目采用压电陶瓷与金属橡胶两种材料来设计（超）高压精密流量阀，并开展其流量特性研究。首先完成了压电阀的设计，通过压电陶瓷驱动椭圆柔性铰链机构位移放大机构来驱动流量阀的主阀芯，以实现对阀芯与阀体开口间位移的精密控制，进而实现对阀口开口量的控制，达到对阀出口处流体流量及压力控制的目的，建立了压电陶瓷驱动电压与阀出口流量、压力的机-电-液混合模型，并完成了理论分析；然后，建立了压电陶瓷驱动的主阀芯机-电耦合模型，并对压电陶瓷驱动的主阀芯进行了有限元分析，同时，利用ANSYS的流场分析模块，开展了压电阀的流量输出特性的仿真研究，分析了压差及阀体结构等参数对压电阀流量输出特性及阀体内涡旋等的影响。设计了金属橡胶螺旋成形试验机以及金属橡胶静态特性试验装置，制作了用于压电阀出入口的金属橡胶过滤环，并对金属橡胶环进行了静态试验测试。开展了压电阀驱动控制电源的研究，采用模块化设计方法，完成了驱动电源硬件系统信号发生、信号滤波、信号放大等模块的设计、制作，并对整个驱动电源高压输出性能进行了测试；针对压电阀实验系统，设计开发了压电阀控制软件。以水为试验介质，并在水中添加纳米材料添加剂，搭建了压电阀水压实验系统，结合压电陶瓷驱动电源系统，实验系统软件、金属橡胶环等，分别开展了在0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa条件下的压电阀控制实验研究，不同驱动电压时，压电阀的流量输出特性；以及在压电阀出入水口安装不同孔隙度的金属橡胶环后，压电阀的流量输出特性。实验结果表明，压电阀的输出流量与压电陶瓷的驱动电压基本成线性，通过控制压电陶瓷的驱动电压，即可实现对压电阀输出流量的控制，这就使得压电阀具有数字比例控制特征，实现了压电阀的数字比例控制。另外，将压电阀输出流体质量测量结果反馈给压电控制系统，则可以实现对压电阀输出溶液质量的精密伺服控制。实验测试结果表明，该压电阀能实现20µl/s的流量控制精度，在压电阀出入水口安装金属橡胶环后，能在一定程度上消弱压电阀输出流体纹波特性，达到了预期的研究效果。