轻量化、低泄漏的压电晶体伺服阀

原文：

Johan Persson, Andrew Plummer, Chris Bowen, Ian Brooks

译者：腾益登

总结

我们将介绍一种新型的两级航空航天伺服阀，该阀采用3D打印的钛合金阀体，以及一个小的压电驱动阀芯作为其先导级，并具有电气主级位置反馈。该设计方法有望提供重量轻，泄漏少和更精确的阀芯定位。此外，它还可以提高制造自动化程度，从而降低成本，提高重复性并减少废料的产生。

背景

典型的单通道（窄体式客机）客机上约有40个伺服阀，是电液驱动和燃油控制系统中的关键控制组件。减轻重量，降低制造成本并通过减少泄漏来提高效率是新伺服阀设计的关键驱动力。如果可以获得可接受的材料性能，则使用增材制造（AM）生产伺服阀体可在重量和制造人工成本方面提供显着的好处，并提供额外的设计自由度。使用传统制造方法制造复杂的内部流道被证明非常困难单。 AM还为在阀内集成新颖的传感和执行单元提供了新的机会。

阀先导级是指力矩马达以及喷嘴挡板，喷射管或偏转射流放大器，并提供致动以移动主阀芯（第二级）。力矩马达的安装非常耗时且昂贵，需要大量的人工干预。如果没有非常精确地调整，则先导级放大器可能无法提供稳定的操作，并且会通过喷嘴或射流持续产生流量损失（和功率损失）。基于此，有必要寻找一种替代方法，以提供一种适合自动化制造的更具成本效益，可靠，低泄漏的替代方法。本文的重点是采用AM制造的新型两阶段伺服阀设计，该设计结合了压电致动和电气阀芯位置反馈。为了减少泄漏，先导级使用了一个小的阀芯，而不是传统的喷嘴挡板，喷射管或偏转喷射放大器。

阀的设计

阀先导级是一个小阀芯，由压电环形弯曲器直接驱动（图1）。环形弯曲器是扁平的环形盘，其根据所施加的电压的极性以凹入或凸出的方式变形。在图2中可以看到执行器弯曲效果的一个例子。之所以选择这种执行器配置，是因为与相同质量的叠堆执行器相比，环形弯曲器执行器显示出更大的位移，与同类尺寸的矩形弯曲器相比刚度更高。

 

图 1. 先导级示意图

图2. 压电环形弯曲器：左-变形，右-电气连接

阀中使用了Noliac CMBR08多层环形弯曲机。它的直径为40mm，厚度为1.2mm，自由位移为±115μm，阻挡力为±39N。弯曲机在其外缘周围被夹紧在一个柔性安装架中，并通过轮毂和轴连接到先导级阀芯。如图3的横截面图所示，该阀已合并到两级阀中。完整的阀如图4所示。浸在液压油中的弯曲机连接到LVDT，以便在运行期间监控位置。主阀芯位置通过第二个LVDT进行闭环控制；使用比例积分位置控制器补偿压电滞后等非线性因素。

图 3. 阀断面示意图

图 4. 产品样机

增材制造

阀体包含复杂的流体通道。它们需要具有足够强度和刚度以承受较高的液压压力（例如350bar），并且即使压力变化和温度变化较大（典型条件为-54°C至+ 150°C）也要保持出色的尺寸精度。阀芯周围的间隙或节流边的公差约为几微米。节流边与高速流体（通常大于100m / s）接触，并且易于腐蚀。当前，阀体通常由铝或钛制成，并带有非常耐磨的马氏体不锈钢（440C）衬套，以形成节流边。

增材制造为制造复杂的阀体提供了机会，该阀体的重量要低得多，仅在必要时添加材料，并且具有成本效益，重复性高且材料浪费少的优点。可以优化几何形状以满足上面列出的严格要求，而无需常规的减材制造约束。

该阀原型是在Renishaw AM250机器上使用钛合金（Ti6Al4V）制造的，该机器使用粉末床熔融激光熔化工艺。尽管仍需要进行研究以确保其特性和质量适合于航空航天应用，但是众所周知，使用这种材料可以成功实现激光熔化。尤其是，疲劳寿命受表面光洁度和微观结构的影响，并且仍在研究构建过程参数和热处理的影响。飞行执行器出现认证问题，使用增材制造制造安全关键零件需要开发新标准。

对于伺服阀和其他复杂的液压执行元件，AM的应用有望缩短开发周期，减少材料的库存成本，提高液压效率，减轻重量并提供新的维修机会。图5更详细地显示了AM阀体。仍需要使用坚固的不锈钢衬套来实现所需的节流边磨损性能。图6说明了如何使用CT扫描对AM零件进行内部检查。

图 5 – AM阀体原型

图 6 –阀体CT扫描3轴视图

测量性能

静态和动态阀性能均经过测试。静态的，在210 bar的供油压力和连接的油缸端口的情况下，最大流量刚好高于70 L / min，零位的泄漏流量约为0.1 L / min。

控制信号的低频满量程循环表明，环面弯曲机的磁滞约为20％，这是压电执行器的典型值。但是，对于主阀芯整个运动范围的类似测试显示出线性关系，因为闭环控制器成功补偿了压力执行器的滞后现象。

阀芯运动对环面弯曲机控制信号的动态响应取决于：功率放大器带宽及其电流极限；与先导级运动相关的阻尼，惯性和流动力；先导级和主级之间的可压缩性和流量限制；作用在主阀芯上的阻尼力和流动力及其惯性，以及先导级作用在主阀芯端部区域的压力差。

图7是从样品阀测得的频率响应，表明动态响应与相同尺寸的常规阀相似。

图 7 – 频率响应 (210bar供油压力)

结论

一种新型的航空伺服阀已被样品制造，其主体是通过激光熔化钛粉（Ti6Al4V）制造的，并具有低泄漏的压电致动先导级。商业化之前需要进一步开发，但是该方法有望提供：

• 由于优化的AM结构，重量轻且尺寸减小，

• 通过消除力矩马达的电磁特性，提高了可重复性和可靠性，

• 与传统的机械反馈阀相比，阀芯位置控制更好：更精确，更快，对环境变化（例如温度）更不敏感，一个阀与另一个阀之间的可变性更小，并提供“智能”健康监控，

• 提高制造自动化程度，提高可重复性并降低成本，

• 通过减少材料浪费来提高制造资源效率，

• 减少了先导级泄漏，减少了功率损耗。

功能要求已满足。耐久性要求也已通过液压和材料疲劳测试得到了验证，但是在获得认证之前还需要进行其他研究。电反馈的使用也是主要飞行控制的新突破，安全情况需要得到证明。

关于在液压流体中工作的压电致动器的保护和耐用性的进一步研究正在进行中。减小压电放大器的尺寸也将需要解决。减材制造作为AM零件的精加工工序是必要的，因而加材和减材工艺的更好集成是另一个研究重点。