壓電陶瓷驅動金屬橡膠紋波超高壓精密流量閥的研究

《壓電陶瓷驅動金屬橡膠紋波超高壓精密流量閥的研究》是依託南昌大學，由陳海初擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：壓電陶瓷驅動金屬橡膠紋波超高壓精密流量閥的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳海初
• 依託單位：南昌大學

項目摘要

提出了採用壓電陶瓷與金屬橡膠兩種材料來設計（超）高壓精密流量閥並開展其機理研究：利用壓電陶瓷驅動流量閥的主閥芯，以實現對閥芯與閥體開口間位移的精密控制，進而實現對閥口開口量的控制，達到對閥出口處流體流量及壓力控制的目的；利用金屬橡膠材料的多孔性以及減壓、隔振、降噪、過濾等特點，實現對閥出口處流體脈動的平紋波處理，確保閥出口處輸出流量、壓力的穩定性。結合伺服控制技術，將該閥與單片機控制系統組成閉環系統，可實現對閥的出口流量、壓力的自適應調節，成為壓力/流量伺服閥，以此開展（超）高壓精密伺服閥機理、性能以及控制方法的研究。研究金屬橡膠孔隙度與閥出口壓力/流量關係，建立壓電陶瓷與閥出口流量、壓力的機-電-液混合模型。開展壓電陶瓷驅動技術、（超）高壓流量/壓力閥、伺服閥的流量控制、減壓機理、伺服實現等的研究，對促進我國（超）高壓精密液壓伺服元件、伺服控制及微流體控制技術的發展，具有重要意義。

結題摘要

本項目採用壓電陶瓷與金屬橡膠兩種材料來設計（超）高壓精密流量閥，並開展其流量特性研究。首先完成了壓電閥的設計，通過壓電陶瓷驅動橢圓柔性鉸鏈機構位移放大機構來驅動流量閥的主閥芯，以實現對閥芯與閥體開口間位移的精密控制，進而實現對閥口開口量的控制，達到對閥出口處流體流量及壓力控制的目的，建立了壓電陶瓷驅動電壓與閥出口流量、壓力的機-電-液混合模型，並完成了理論分析；然後，建立了壓電陶瓷驅動的主閥芯機-電耦合模型，並對壓電陶瓷驅動的主閥芯進行了有限元分析，同時，利用ANSYS的流場分析模組，開展了壓電閥的流量輸出特性的仿真研究，分析了壓差及閥體結構等參數對壓電閥流量輸出特性及閥體內渦旋等的影響。設計了金屬橡膠螺旋成形試驗機以及金屬橡膠靜態特性試驗裝置，製作了用於壓電閥出入口的金屬橡膠過濾環，並對金屬橡膠環進行了靜態試驗測試。開展了壓電閥驅動控制電源的研究，採用模組化設計方法，完成了驅動電源硬體系統信號發生、信號濾波、信號放大等模組的設計、製作，並對整個驅動電源高壓輸出性能進行了測試；針對壓電閥實驗系統，設計開發了壓電閥控制軟體。以水為試驗介質，並在水中添加納米材料添加劑，搭建了壓電閥水壓實驗系統，結合壓電陶瓷驅動電源系統，實驗系統軟體、金屬橡膠環等，分別開展了在0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa條件下的壓電閥控制實驗研究，不同驅動電壓時，壓電閥的流量輸出特性；以及在壓電閥出入水口安裝不同孔隙度的金屬橡膠環後，壓電閥的流量輸出特性。實驗結果表明，壓電閥的輸出流量與壓電陶瓷的驅動電壓基本成線性，通過控制壓電陶瓷的驅動電壓，即可實現對壓電閥輸出流量的控制，這就使得壓電閥具有數字比例控制特徵，實現了壓電閥的數字比例控制。另外，將壓電閥輸出流體質量測量結果反饋給壓電控制系統，則可以實現對壓電閥輸出溶液質量的精密伺服控制。實驗測試結果表明，該壓電閥能實現20µl/s的流量控制精度，在壓電閥出入水口安裝金屬橡膠環後，能在一定程度上消弱壓電閥輸出流體紋波特性，達到了預期的研究效果。