超磁致伸縮效應的新型液壓高速開關閥

摘 要： 文章介紹了一種新型的液壓高速開關閥，它采用了超磁致伸縮驅動器和錐體式閥芯結構。該閥具有很高的切換速度和頻率，可以用來作為大流量高速開關閥的先導控制閥，也可以在小流量回路中直接作為控制閥使用。

    關鍵詞：超磁致伸縮驅動器  液壓高速開關閥  研究

    １　引言

    在工程機械液壓系統(tǒng)中采用PWM脈沖調制的數字控制具有許多顯著的優(yōu)點，如易于與計算機連接，系統(tǒng)價格低廉、抗污染和抗干擾能力強等。但這種控制系統(tǒng)需要高速開關閥。目前國內外開發(fā)的一些高速開關閥，大多采用電磁鐵作為驅動器，因此閥的切換速度慢；壓電晶體型驅動器雖然提高了切換速度和頻率，但所需電壓高，消耗功率大。因此有必要研制新型的高速開關閥。

    近年來，國內外對于稀土鐵化物超磁致伸縮效應的應用研究受到重視。所謂的磁致伸縮效應，是指鐵磁材料和亞鐵磁材料在磁場的作用下將導致其體積和長度發(fā)生微小變化的現(xiàn)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 縮系數而稱作超磁致伸縮（giant magnetostrictive material簡寫為GMM），比較有代表性的為Terfenol-D。采用這種材料制成的線性驅動器具有多種用途，其中作為液壓控制閥的電—機械轉換裝置，具有切換速度快，頻率高，能量消耗少等特點。

    ２　開關閥的結構與工作原理

    ２．１超磁致伸縮驅動器

    超磁致伸縮驅動器的結構如圖1所示。

    中心的超磁致伸縮材料棒為北京科技大學產的TbDYFe（φ12×110），其下端用夾具固定，上端通過伸縮傳遞軸和彈簧給磁致伸縮材料加上預應力。磁致伸縮材料的周圍是產生驅動場的激勵線圈和冷卻線圈用的銅水管。外圍是磁軛（碳鋼），它與磁致伸縮材料一起構成封閉磁路，以防漏磁。伸縮傳遞軸等其它零件均由非磁性不銹鋼制成。超磁致伸縮材料內部應變與激勵磁場強度、材料特性常數、應力狀態(tài)等直接相關，其外部位移、力輸出實為磁場—彈性場相互耦合的結果。所以，適當配置機械和電氣的結構參數（主要是預壓縮應力和偏置磁場），可使超磁致伸縮材料處于最優(yōu)的機電耦合狀態(tài)，提高能量轉換效率。當采用交流電激磁時，超磁致伸縮材料在正負磁場的作用下都為伸長，其產生機械運動的頻率是外加電流頻率的兩倍，這便是所謂的“倍頻現(xiàn)象”。為使驅動器機械運動在線性區(qū)間，通常采用加一偏置磁場來消除此現(xiàn)象。但是，當驅動器采用PWM脈沖電壓激磁時，由于沒有負磁場，不會出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象，所以不需要偏置磁場。給超磁致伸縮材料施加一合適預應力的目的，一是避免磁致伸縮材料在受拉狀態(tài)下工作；二是可以增大磁致伸縮量。根據鐵磁學理論，這是由于外加應力提高了材料的飽和磁化強度，使其飽和磁致系數提高的緣故。

    ２．２開關閥的結構

    圖2所示為開關閥的整體外觀結構。通常作為液壓先導閥所需閥芯最小位移不小于0.5mm。所以對超磁致伸縮驅動器輸出的位移通過一杠桿機構進行放大。位移放大的同時，閥芯的驅動力卻減小。但由于超磁致伸縮驅動器不需要彈簧復位，閥芯驅動力只需克服摩擦力即可，所以驅動力不需要很大。