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毕业设计（论文） 英文资料翻译 题目 压电液压驱动器的设计和测试 摘要 本文介绍的设计方法是建设一个使用智能材料提供液压流体动力的驱动器。在被描述的驱动器类，液压油从硬盘频率压电或其他智能材料中分离输出缸的运行频率。这种解耦允许在高频压电驱动，以提取物质的最高大量能源，以及液压缸在低频驱动提供长冲程。然而，由于遵循流体的可压缩性和结构性，基本阻抗匹配和流体之间的压电很难能量转换成加压压电液压油流。在材料，机械设计，以及流体机械接口领域的基本设计权衡和重大技术问题存在争论。提出原型设备和元件测量。介绍测试方法，测试量化泵压力和流量，得出动力量和速度。一系列的试验表明由智能材料提供强力长冲程驱动的装置的可能性。 关键词： 压电，智能材料， 压电液压 ，驱动，电源的电线，水泵 导言 智能材料，如压电， 磁限和电限长期应用在精确控制方面。由于其形变能力有限，这些材料通常没有用于要求大量直线运动的驱动器。近几十年出现了依靠各种技术增加来自智能材料核心的驱动力的设计。其中常见的是机械放大或转型，如那些正在使用的杠杆和支点，并分步重复类型，例如，蠕动。最近，研究人员已经认识到整合智能材料和液体，使泵的 一个基本组成部分加以利用线性驱动的可能性。这种新方法有望实现长冲程高功率驱动。 与包括常规伺服液压和各种电磁类型在内的其他类型的驱动相比，压电液压驱动有优点，也有缺点。相比传统液压，主要优点表现在电线方面，即消除液压配电线路。与电磁方法相比，包括电机驱动滚珠丝杠，压电液压驱动提供强力液压和潜在的更迅速的响应时间。相比于传统液压，新型驱动器在热分布和漏油方面有不利之处。与电磁驱动器相比，尽管使用少量液压油，新型驱动器仍然需要电气和液压一体化。压电液压驱动的这些特点中有许多和电限驱动器（ 的是相同的 ，如用在联合攻击战斗机。压电液压驱动比其他 取这种能量是一项艰巨的任务，本文试图描述许多当前发展努力的挑战中的一些。 整体设计目标是要通过不同阶段由压电栈元件转换电力输入由一个驱动器输出缸将机械动力传到外部负载。设计始于压电智能材料，延伸到压电流体界面，通过阀门，并最终到输出缸。尽管电子驱动器的驱动器在其他地方讨论，但它也是一个考虑。像许多系统，整体设计是一项综合性和反复的工作，单个的组件能够被设计，但需要重新设计与其他子系统相配合。子系统和系统级在这 一进程中测试元件。测试以个别要素之间的互动和合作为特点。设备的总机械输出（力量，速度，或电量）的衡量和最大化是最终目标。 本文阐述了在固液混合驱动，可说明的操作和突出的局限性方面的基本概念。提出执行器的设计理念的下一步，和阐述各个关键子系统。审议压电性能重要的优先性的应用。决定加压室的设计和描述原型器件。分析部分或全部器件特性的各种测试方法，强调每种方法的价值。本文通过测试结果和解释对多代压电液压设备得出结论。 固液混合驱动 更广泛地说，压电液压或智能材料液压驱动可称为“固液混合”驱动。能源传送到智能材料生 产加压流体。然后机械阀调整振荡流体压力促使加压流体流动。由于有液压蓄能器和另一个阀门，固体介质可以不在所要求的负荷时的频率下运行。一般来说，固体驱动器运行的频率远高于所要求的负荷时的频率，也许达到 100倍。 虽然理论上是吸引人的，但实际的限制会限制固液混合驱动方式的效率。特别是，流体粘度和压缩结合活性物质的机制中所固有的损失，以限制驱动器和驱动器的总输出功率有效带宽。同时，如果最大功率驱动器是可用来驱动机械负荷，必须非常小心地设计使流体的输送和输出符合驱动器的特点。 如图 1所示是目前发展状况下通用的设备。图 中，设备组成有几个要素组成：刚度为 k 的固态要素推动面积为 活塞对工作流体加压，流体通道通过四个阀门将加压室与液压输出缸和累加器相连接。 图 1 ：固液混合驱动器概念 图 2显示了混合驱动器的动作顺序。阀门开口定时使加压流体到一个输出缸的分室。固态驱动器在冲程时，任一的输出活塞缸的端口是直接通向累加器腔的，使得输出活塞在每个腔内分离出不同的容积。一旦加压冲程已经到达了极限，阀门开口就会调整，以使加压腔从低压输出缸和累加器腔吸取流体。流体的这种流离从输出活塞的一侧反向移动到活塞的另一侧以达 到平均流动。 前进 反向 增压或入口 降压或出口 图 2 ：混合驱动器操作顺序 设备的自由运行输出速度是诱导应变器和运作的循环频率分离的流体容积变化的结果，以输出活塞的区域区分。腔的大小和流体性质可以调整，以实现在任何特定驱动因素下大范围的力量 而，张力动作器的操作能力的基本考虑将显示，在理论上每周期运行频率 f = 1/其中 驱动器阻力值， 驱动器的最大自由诱发冲程（ “零速”压力，即没有流体可移动时驱动器的压力，且 = 在固态驱动器的负载线力量 力 图 3 所示。流体可压缩性的考虑要求，固态驱动器的加压腔有一种有限流体的动刚度。加压腔刚度示是 V ,其中是流体可压缩性。腔的流体刚度显示了对驱动器的载荷，如图 3 所示 ，从而降低了最高可达到的压力和动力输出，它们分别为 图 3 ：混合驱动器的工作显示损失的解释 流体从加压腔流动到输出缸引起必要的压降进一步降低了集成设备可用的输出： 很难在实际中得到等式 1 中计算的输出功率。实际上，等式 2 给出了特定驱动器的最大输出功率。特别是，阀压降，流体可压缩性，和加压空间的有效高度 (1)必须尽量减少，并建立各种因素下的高度下限。由于流体通道的工作需要，粘性流通过这些通道的相关损失（包括 流体的温度、气泡等可变性质，这些目标还远远没有直接 达到。 这可能是行使模型的基于上述讨论和在参考 8 中所描述的其他假设生产仿真的结果如图 4 。该图显示的循环周期的压力以及由此产生活塞的高低压两侧的压电。它还显示驱动器的输出轴的位置，因为它一段时间内增加的总体反应是低于压电响应超过一个数量级。 图 4 ：在启动时产生的压力的压电和输出位置以及输出位移 通过建模表明固液混合驱动器的最大驱动力的基本限制不仅包括固态驱动因素固有的物理限制（例如刚度，冲程，稳定的运行频率），而且还限制了工作流（例如压缩，蒸汽压力）。随着固态驱动因素的 工作频率的增加，液体空穴的可能性是输出功率增加的主要限制因素。 参考 8提供一个简单的表达式可以实现在最大输出功率下估计运行频率： 其中 用器件的典型参数值， 兆帕（ 725磅） ， 约是 740 赫兹。这种装置的有限空蚀最大输出功率也取决于工作流体的内在可压缩性，以及作用于驱动器的外部载荷。 显然，有必要精心设计阀门来纠正工作流体的高频率加压。阀门必须运行在高频率，尤其是，他们必须有足够的速度和开放领域在增压室的入口通道形成低压降。一系列的阀门和流体加压的 几种方法已在将被介绍的设备中做过测试。 驱动器概念 智能材料液压传动的主要部分的基本概念如图 1所示。这一概念连同设计的实物照片在框形图 5中显示出来。该器件从外部接口获得电力和指令并传回遥感数据（例如加载或位移）状态或安全信息。微控制器或低端数字信号处理器 (行必要的计算，以配合指令，传送遥感信息，规范驱动和阀门定时。高功率放大器驱动主要的智能材料驱动器，低功率放大器驱动里的任何活跃阀门。主要的加压驱动器压缩加压室中的流体，并且阀门迅速传送流体进出腔体、蓄电池和输出设备。输出驱动器活塞驱动频率范围为内 部驱动器驱动频率的 1/100 到 1/50。驱动器输出驱动负载，和传输全球遥感数据，如旗帜角度，是提供给嵌入式控制器。 图 5 ：智能材料液压混合动力驱动器的基本架构 执行器基本上是一个泵，有时被称为增压和阀门（ 加上一个输出设备。这两个子系统之间的耦合是重要的，没有考虑输出驱动器和负载的泵的设计会导致效率低下。最一般的设计中，无论是首要驱动器的频率和振幅都可以通过该系统调节不同的流量和压力。从总体效率的角度来看这是最好调节此驱动器的方法，而不是故意限制通过阀的流量，增大大的压降，和作为热源释放能 量。 机械腔体所起的作用是安装其他的组成部分，存留和传送流体。腔体必须为流体密封留有余量，腔体必须尽量减少，特别是在附近的主要流体压缩室。腔体也有起到传热的次要作用，且必须包含可应用依赖安装的手段。整体形状不像轴是可以接受的，与 显然，内部流体路径的长度应限于对高带宽操作，通道的宽度或直径也应尽量减少。传送通道里少量的流体是可取的，就像没有限制和压降的自由流体。对工作流来说，高体积弹性模量和低粘度是首选。在实际中，有效的流体体积弹性模量受到存在的气量的影响。最后，如上述情况 ，设备应尽量在压力差或预置的情况下操作。 整个驱动器的关键要素很大程度上是阀门。通过阀门的压降限制带宽和整体输出功率，与其中进口阀是最关键的。在研制中，一些主动和被动的阀已被测试。高速被动阀性能较差，但机构很简单。被动阀结构有许多选择。积极阀门必须在最低限度下提供方向控制，扭转输出设备的流体流向，以改变输出方向。主动阀开启和关闭的时机对高效率运作是至关重要的，一定程度上，每个周期无惯性扭转时阀的形状是首选。 压电材料和制动器 在过去 20 年设备的发展和演变中，压电驱动器的使用已被公认为是不同于许多“智能结构” 的应用。高能量密度和高能量传递是基本的需求，而不是精确定位或振动控制。 混合驱动器需要智能材料应用在主要压力和某些架构，作为一种手段来推动积极阀。由于多种原因，选择压电材料优于其他的选择。相比于有尺寸和压电带宽要求的形状记忆材料，因此，在高频下提供压力的能力是应首先考虑的。相比于磁限 ，压电在材料里产生较低的能量密度，而当包括辅助领域线圈时产生更大的密度。相比于电限，压电材料和驱动器有更多的选择。可用性大得多。但是，对分析、建模和设计的一无所知将排除任一智能材料。 在压电材料中，重要的数量是功率密度，即单位 体积或单位质量产生的机械功率输出量。机械能转换为电能的机电耦合系数应该是高的。因为重要的不仅仅是设备的一次性运作，还因为驱动方式需要许多周期，其他因素也很重要。介电损耗有非常重要的三个原因。首先，它表明从电能输入到机械输出转换的能源浪费。第二，在持续高驱动时产生的热量可能会导致材料退化。最后，热量必须被驱动器体消散一部分。高居里温度也是可取的，以便在高温环境中作业驱动器自加热使温度进一步提高。与控制其他高功率应用的这些特性相反，如这里提到的之一，共同侧重于压电系数 压电材料将用于设备的堆栈器配置。这堆栈应该是机械僵硬，即夹层薄薄的一点或端盖。然而，堆栈形状可以优化产生非常匹配流体介质的刚度。它应该是机械的不平，且无内部制造压力。它必须能够承受较高的热，及运作超过十亿周期的电力和机械应力环境。此应用至少需要一些其他方面的周期。设想在 2000赫兹运作 140小时的驱动器试验超过 10亿周期。 加压室设计 与压电液压驱动器一样，压电泵的目标是把电力转换为流体动力。能量转换的实现有两个主要步骤。首先，压电材料在一个小腔中加压液压油。然后，阀门调整振荡压力使加压流体流动。然而，从压 电里转换每个周期的大部分能能量需要压电和流体之间的阻抗匹配（图 6）。图中可用能量的总量在具体的例子中大约是 周期。这种驱动器如果运作在 2000赫兹将产生 1000 瓦。 图 6 ：特定负载刚度对压电每个周期的能量 虽然可用的功率很大，但压电的高刚度和流体的可压缩性的阻抗匹配实际上难以实现。作为一个例子，液压油缸的计算刚度表明了难以提供一个负载从压电中每个周期转换最多能量（图 7）。结果表明，即使是小流体腔，有限刚度也减少了每个周期从压电中获得能量。 图 7 ：液压油缸的典型刚度 此外，金属腔里流体刚度、缸体刚度还降低了装置的性能。研究缸体刚度设计的影响，压电泵被制造以决定最高获取的压降（图 8）。在此设计，智能材料把流体由设备的一侧输送到远端。压电泵将流体输送到完全封闭的腔室，并在阻压力的远端腔室产生压升（图 9）。腔室和流体腔的有效刚度以阻压力的值表示（图 10）。 图 8 ：液压油增压测试的设计 图 9 ：测试液压油增压的实验装置 图 10 ：有压电材料的流体增压测试结果 一般来说，纯粹的液压油的体积弹性模量就是 独立压力。然而，大多数液压油有一定的溶气量，从而导致液体混合物的有效体积模量在低压变化。为了尽量减少溶气量的影响，高压力降低了液体中的空气的体积分数。通常在阻压力测试之前，外部液压泵从进口加压产生的压力通常在 250 到 1000 磅之间。然而，通常任何最低限度在 700磅以上能改善设备的性能。 设备等级测试和结果 一些原型驱动装置已被开发和测试。每代设备都增加重要数据，如一体化程度、带宽或功率输出。从单个压电栈到完整的机械功率输出的测量，设备以不同层次的一体化来区分。在单元的流体动力生产核心，即泵，和输出机械动力的 完整驱动器之间的一个主要区分已确定。 通常情况下，压电泵的第一次测试是测量装置的阻压力（图 11 ）。在这种情况下，所有外部阀门关闭，压电是在低频启动。小流量泵增加出口的压力，直到达到阻压力。阻压力试验衡量总体设备刚度，这对量化看到的压电负载阻抗是非常重要的。然后，充分开放从出口到进口的阀门确定设备的无负载流量。在这种情况下，多个压电的驱动频率下的流量被记录。该点的频率增加不会增加提供了一个该器件最大工作频率的估计的流量。然后，部分关闭阀门节流可以测量多个驱动频率下的压力与流量。这是压电液压泵纯电阻负荷下的功 率的一种测量方法。 图 11 ：用来定性力量与速度的实验测试系统 下一个测试是一个弹簧加载器采用液压驱动的压电泵（图 12 ） 。由于液压执行器压缩弹簧，在棒中冲程的速度被记录。这一次测试将会给出设备的全部力量 13 ），随着弹簧压缩，负荷增加而速度减小。这个测试然后记录多个工作频率下在力量与速度的性能出现最大功率时的频率。 图 12 ：用来确定装置力量速度性能的弹簧负载 图中，该驱动器被驱动是从一个极端（高速，低力）到另 一个极端（低速，高力）。值得注意的是，力量和速度关系的结果是功率，并且最大功率输出是在最大速度的大约 50 达到。具体数据显示为内部驱动频率的 400赫兹。特殊装置已经被驱动到 600 赫兹，而另一些已经到 1千赫以上。 图 13 ：压电液压驱动器的弹簧负载测试结果 42 W 的输出功率是令人鼓舞的，该设备的输出功率与每个原型一起继续增加。然而，被测的功率大约是把唯一的基本流体损失理想化预测所得的 40更新的模型获取更多的流体损失和更准确地预测。该设备的未来版本将尝试速度和力量的 双输出，将比总输出功率翻两番。 结论 本文提出了一个驱动的概念，即利用智能材料，如压电，结合液压传动制造紧凑型混合动力装置。智能材料常常被用于低力量定位或振动控制，但它们内在的优势之一是它们固有的高能量或功率密度。这可以利用多种方式开发，本文描述的就是其中之一。 基本建模考虑对这一类型压电液压驱动器作了介绍。解释了基本的操作，并综述了粘度、压缩和内部阀开口不足的限制。特别适合于实际的设备已提交。对关键分系统和部件进行了讨论，并且突出了在每个子系统和互动的子系统的设计中重要因素的考虑。解决了有关压电材料和驱动 器的问题。 对实现高内部压力的设计考虑进行了讨论。在这种类型的设备中激烈压电驱动器和短柱流体之间的匹配阻抗是至关重要的。本文指出了几种类型的试验，和阐述了设备的全面安装测试。提出了一个设备典型的结果，和目前正处于发展的其他高速设备。 鸣谢 本文介绍了驱动器在国防部高级研究计划局紧凑型混合驱动项目资助下的发展，该项目与空军研究实验室签订了合同。作者感谢主办者以及格雷戈 包尔斯、布莱恩 赫巴特和理查 华纳的贡献。 参考文献 1. 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