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《机床与液压》2003 No 3 · 312 ·
高速开关阀压电驱动器的性能研究 2
金国庆1 , 方昌林2
(江苏大学, 江苏镇江 212013)
摘要: 压电式高速开关阀相对广泛应用的电磁铁式高速开关阀具有响应更快的特点, 但其可靠性一直是使其不能广泛应用的
重要因素。本文讨论分析了高速开关阀关键部件- 压电驱动器的可靠性问题, 从压电陶瓷的电疲劳, 驱动器本身设计, 到高速开
关阀的驱动电源, 从内到外地分析了影响驱动器的可靠性问题, 并提出了相应解决办法。
关键字: 可靠性; 电疲劳; 粘结; 驱动电源
中图分类号: TH137·52 ; TN384 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 3881 (2003) 3 - 213 - 3
0 前言交变电场作用下, 经几周后, 其电滞回线从矩形变成
高速开关阀由于其具有响应速度快, 抗污染能力螺旋桨叶形, Pr 和 Ps 都有明显降低, Merz 和 Ander
强、与电子电路配合好等特点而被广泛应用于汽车以 son 在单晶 BaTiO3 中也观察到类似的现象。压电陶瓷
及各种各样的液压系统中。驱动器是高速开关阀中的在大交变电场循环作用下, 其内部畴壁运动, 引起大
关键性部件, 对驱动器的研究, 也就理所当然成为国位移, 同时材料内部结构、电场和机械应力分布等发
内外专家学者追逐的热点。目前高速开关阀驱动器有生改变, 影响压电陶瓷电性能。Takennobu SAKAI 发现
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多种形式, 主要包括: 电磁铁式、力矩马达式和压电 PZT 陶瓷在 10 次循环后, 机电耦合系数 kp 从初始约
T
晶体式。虽然电磁铁式高速开关阀目前应用最为广 0. 65 下降至 0. 5 , 但是相对介电常数ε33/ε0 变化不
泛, 但要产生较大的吸力需要较大的安匝数, 容易导大。A. Levstik 报道 PLZT 陶瓷在 2 × 104 次循环后,
[1 ]
致电磁阀发热, 结构复杂, 体积较大, 而且电场下 Pr 、复介电常数ε33 、复压电常数 d33及机电耦合系数
电磁阀的回滞等因素影响电磁阀的响应速度难以进
, K31开始下降, EC 只有少许变化; 而复弹性柔顺系数
一步提高; 力矩马达式开关阀虽然响应速度较高, 但
s11 、电致伸缩系数 Q12 、电品质因数 Qe 、机械品质因
结构复杂, 加工困难; 压电晶体式开关阀具有响应速
数 Qm 和机电品质因数 Qme 与循环次数无关。实验观
度极快功耗少体积小等特点而被广泛研究在国
, , , 察还表明, 在电疲劳试样中, 常有分散的微裂纹存
外已经大量用于柴油机电控燃油喷射系统。多层压电在[2 ] 。
驱动器因驱动电压低, 能量密度高, 响应速度块, 使(2) 压电陶瓷电疲劳影响因素
用寿命长, 而在实际中应用广泛。对于影响压电陶瓷电疲劳的因素, 国内外多有研
由于众所周知的压电材料在驱动电场下的非线究, 但是也得出了不少相互矛盾的结论, 综合以往的
性, 驱动器的可靠性就显得极为重要。本文首先从驱研究结果, 认为以下因素对压电陶瓷的电疲劳有影
动器的微观结构出发, 讨论分析了压电陶瓷的电疲劳响。
特性, 以及影响压电陶