压电比例阀仿真与优化

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压电阀是利用压电材料的压电效应来实现阀动作的-种新型控制阀。气压伺服可以实现能量传递、转换、分配及有效控制。利用压电结构驱动的气动系统因其节能、无污染、结构简单、价格低廉、高速、高效、工作可靠、寿命长、适应温度范围广、工作介质具有防燃、防爆、防电磁干扰等-系列的优点而得 到迅速发展 J。本文利用压电双晶片，采用有别于传统的喷嘴挡板结构形式，运用节流原理，实现压力的比例调节。

此结构可作为压力控制单元的先导驱动单元，实现压力的精确控制，广泛应用于自控仪表等 自控系统当中。

ENT6.3软件对压电阀的结构参数进行仿真优化，获得最优的结果，为先导阀的设计、加工作理论依据，达到仿真优化的目的。

1 压电驱动器的原理与性能1.1 压电双晶片的工作原理常用的压电驱动器有压电叠堆和双晶片两种结构形式，前者结构尺寸大、驱动电压高，可获得的驱动位移孝驱动力大；后者相反，结构紧凑、驱动电压低，虽然驱动力小，但驱动位移大，更适合应用于压电阀的驱动。采用压电双晶片作为压电执行器，将两片薄压电片双面对称粘贴在-块弹性悬臂梁上，中间是弹性层，弹性层通常由钢、铝等材料制成，弹性层的上部和下部分别贴有压电陶瓷片，其中陶瓷材料采用的是压电系数较大的PZT5陶瓷片，如图 1所示。

]压电陶瓷片- 1弹性 电极图 1 外加 电压 时双 晶片弯 曲示意 图其工作原理是，当给压电双晶片施加电场时，极化方向与电场方向相同-侧的压电薄片会在长度方向收缩，而极化方向与电场方向相反-侧的压电薄片会在长度方向伸长，从而导致压电双晶片向-边弯曲；当施加相反的电场时，压电双晶片则向相反方向弯曲 。

设组成双晶片的两片完全相同，每片长为 f、宽为 、厚度为t，并假定z ，f t，外加直流电压为 ，压电层的压电常数为d 产生的位移为6。则对于 f的自由端处挠度位移 6为：3d3l Z1.2 压 电双晶片性能测试作为压电阀的核心驱动部件，压电双晶片的驱动性能对压电阀的整体设计至关重要。为此，开展了压电双晶片的性能测试，测试流程如图2所示。其中，应收稿 Et期 ：2012-09-12基金项 目：江苏势技支撑项目(BE2010191)作者简介 ：刘媛(1986-)，女，河北霸州人，硕士研究生存读 ，主要从事机电-体化方面的研究工作。

2013年第3期 液压与气动 93用 MATLAB作为上位机测试信号产生的平台，经功放驱动压电片动作；压电片产生的位移由激光传感器测量，实验结果进行处理得到压电双晶片自由端点电压- 位移的线性关系如图3所示∩见，它虽然带有-定的滞环特征，但具有 良好的驱动特性和较好的线性度 ，完全可胜任压电先导阀的比例驱动控制。

图2 电双晶片性能测试流程图暴坦图 3 压 电双晶片 自由端 的电压-位移关 系2 压电比例阀的基本结构及工作原理本文设计的压电比例阀采用差动式喷嘴挡板结构形式，其喷嘴/挡板结构由恒节流孔、双喷嘴挡板及背压室串联而成，具体结构设计如图4所示▲气口喷嘴与压电片挡板之间间隙e的变化引起通过其间隙的空气流量的变化，从而背压 P 发生变化。随着挡板间隙的增大，背压P 逐渐增大，挡板完全关闭时背压 P的压力最低 J～进气 口与压电片看作-个节流孔，其流出面积为 ，rdS，出气口的压力为：P丽e- (羞)(。- )其中，P 为进气压力；e为进气孔与压电片之间的间隙；e 为进气孔与排气孔之间的距离；d。为进气孔直径；d 为排气孔直径；c 为进气孑L与压电片组成的节流口的流量系数；c 为排气孔与压电片组成的节流口的流量系数。

P 压电片 出气口背压腔 r 进曳口图4 压电比例阀结构设计图由上式可知背压P 大致与压电片到进气孔的距离 e的平方成正比。通过对压电阀的性能分析可知压电片与腔体的侧隙，以及进气孔与排气孔的直径比是影响此阀控制性能的关键。压电片与阀体之间的侧隙过大或过蝎影响压力控制的稳态时间▲气孔与排气孔的直径比影响输出的压力范围。通过 Fluent仿真可更加快速的确定合理的结构尺寸，节省研发经费。

3 压电比例阀仿真模型建立FLUENT软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之-。FLUENT的软件设计基于CFD计算机软件群的概念”，针对每-种流动的物理问题的特点 ，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。FLUENT可用来模拟从高度不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而 FLU-ENT能达到最佳的收敛速度和求解精度 J。

1)建立三维模型在 GAMBIT中建立三维实体模型，根据不同的优化方案分别建立三维模型，并进行网格划分，同时对网格进行局部加密，生成 mesh文件导出。见图5。

图 5 三维模型 网格 图2)边界条件的设定在前面 GAMBIT绘制网格导出网格文件的时候 ，定义了四个边界。 ：① 进气口，定义为 PRESSURE-INLET(压力人口)，名称为inlet；② 排气口，定义为PRESSURE-OUTLET(压力出口)，名称为outlet；③ 出气口，由于要监测压力，外接-个腔体，定义为 WALL(壁面)，名称为 mian；④ 面壁，其余的默认为WALL，名称为WALL。

3)计算模型的选取将 mesh文件导人FLUENT中，根据计算可得到本实验的雷诺数 Re>2000，所以本实验为紊流流动。采用标准的 k- 模型 J，其控制方程为：[P警u ( ) J l JJ Z K'T Y啬 十 ) G 94 液压与气动 2013年第3期[塑o Ee 蓑未( o%1 0x1Jp ot 1， tz - J I 。-。[( o-1I塑Oy1J言[( tr 1l塑Oz1JC 景Gx-c胡式中：K为湍流脉动动能； 为脉动动能耗散率； 为流体的动力黏度；t为时间变量；G 为单位体积湍流脉动动能产生量。

4 压电比例阀参数优化及加工测试本装置主要是用电压驱动压电片产生位移，从而达到控制出口压力的目的，因此要尽量减小气源本身对装置所造成的影响，查阅相关实验文献可知，-般出进气口排气口为4，o.6 mm左右，气源压力控制在0.12MPa(相对大气压)，此时气源对压电片的影响可忽略。

所以在模拟的时候首先按 0.6/Tim模拟。通过对压电比例阀的特性分析得知，腔体侧隙以及进、排气孔径比是影响压电比例阀特性的两个重要因素。

4.1 腔体侧 隙对阀性能的影响压电双晶片尺寸：宽 12 1Tim，长50 mm，厚0.6 mm。

阀腔尺寸参数优化方案如下：方案-：阀腔体的尺寸：长 52 mlTl，宽 14 mm，高3.6 mI1；方案二：阀腔体的尺寸：长 52 mil，宽 18 mm，高3.6 mm；方案三：阀腔体的尺寸：长 52 mil，宽 22 mm，高3.6 mm。

通过对三种方案进行仿真，对比结果如图6所示，由仿真结果可见，腔体尺寸的改变对阀的输出气压影响不大，当腔体尺寸较小，压电片与阀腔的侧隙过小时，侧隙将产生节流作用使得压电片上下产生压力差，稳态时间增长。由仿真可知方案-的稳态时间为 50～ 55 s，方案二和方案三的稳态时间均为20～25 s。

：重奋；81"7 60图6 三种方案仿真结果对比图4.2 进 、排气孔径比对 阀性能的影响压电双晶片尺寸：宽 12 mm，长50 mm，厚0.6 ITlm。

进、排气孔径尺寸参数优化方案如下：方案-：进气口4，0.6 mlTl，排气 口 0.4 mm，出气口 西0.6 mm：方案二：进气口 0.6 Inm，排气 口 0.5 mnq，出气口6o.6 mlTl：方案三：进气口 .6 Inm，排气口 .6 mil，出气口 0.6 mm；方案四：进气口 0.6 film，排气口 0.7 Iilil1，出气口 .6 mil。

根据以上四种不同方案建立仿真模型进行仿真，得到的仿真结果如表 1所示。以方案三第 5组数据为例，其压力-时间仿真图，如图7所示。四种方案仿真结果对比曲线如图8。

表 1 四种方案仿真结果压电片 进气口压 出气 口压力(kPa： 稳态时间位置 力(kPa) 方案- 方案二 方案三 方案四 ( s)O.1 120 85.456 65.649 38.411 23.648 20-25O.2 12O 98.060 83.384 58.175 43.989 20-25O.3 120 104.89 87.857 67.333 48.869 20～250.4 120 106.18 90.849 71.891 53.883 20-250.5 l20 107.10 91.976 74.916 55.510 20～250.6 12O 1O7.59 93.209 75.935 58.596 20～250.7 12O 107.78 95.088 78.842 62.562 20～25O.8 12O 109.43 96.775 82.840 68.116 20～250.9 120 111.55 100.32 93.098 79.081 20～251.0 12O 116.98 114.79 110.39 100.65 20～25时间 s压力-时问曲线图7 仿真图咖咖咖 ㈣舳 加醯Bd Ⅱ五2013年第3期 液压与气动 95图 8 四种方案仿真结果对 比图由仿真结果可知，在排气孑L尺寸的变化，对稳态时间并不会造成太大影响，而对出口压力却造成较大的影响。如图8所示。压电片所处的上下两个连通的腔体可看作-个背压腔，进气和排气的流量是相等的，通过进气孔与压电片、排气孔与压电片之间的节流作用在阀腔内部形成背压▲气孔不变，当排气口减小时，使腔体的背压更明显，腔体内压力增大，反之腔体压力减校保持进、排气孔径比不变，调整进气孔大校当进、排气孔径 比保持 1：1，进气孔分别为 0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm时仿真结果如图 9a所示。当进、排气孔径比保持 6：5，进气孔分别为 0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm时仿真结果如图9b所示。

压电片位置/mm压 电片位置/mmb)进、排气孔径为6：5图9 仿真结果对比由以上仿真结果可知，改变进、排气孔径比对输出压力有较大影响，当保持进、排气孔径比不变，改变进、排气孔径大小对输出压力影响不大。当进气孔过小，使得进气流量减小，进而使响应时间延长；当进气孔过大，作用于压电双晶片上的作用力过大，将影响压电片的驱动性能。因此进气孔选择 0.6 mm比较合适。

我们希望在压电双晶片的工作范围内有较大的压力调节范围，同时保证每个位置下会有较大的压力输出，并且响应时间要短。因此经过以上各个方案对比之后，选定压电比例阀的阀腔尺寸为长 52 mm，宽18 mm，高 3.6 mm；进气 口 0.6 mm，排气 口 ，to.6mm，出气口 0.6 mm。此时输出压力高，而且变化范围大，响应迅速。

4.3 加 工 测试根据 FLUENT仿真优化得到的参数，对压电阀进行结构设计，并予以加工。对已加工的压电比例阀分别施加三角波和正弦波两种不同的信号，利用压力传感器以及数据采集卡测试压力传感器在两种不同的信号下的响应，如图 10所示。

12010080簿 2OO时间/sa)正弦波信号响应曲线6040200苗.2O.40.60O46。020之-.460。

0 2 4 6 8 10 12 14 l6 18 20时间/sb)三角波信号响应曲线图 1O 样机测试5 结论本文通过对压电双晶片的性能测试，测得其在允许电压范围内压电片产生的最大位移。以此为依据，并运用 FLUENT对压电阀的结构参数进行仿真与优化，得出以下结论：(1)改变阀腔大小对输出压力影响不大，但会影响稳态时间；(2)进、排气孔径比对输出压力大邪范围影响很大，进气孔不变，排气孔减小，输出压力增大；(3)在保持进、排气孔径比不变的情况下输出压力大型范围无明显变化。

根据仿真结果进行压电阀样机的设计、加工和实96 液压与气动 2013年第3期蓄能器对换挡离合器充油过程影响研究张 静，李和言，马 彪，张海岭Influence Oil Actuating Pressure Characteristies of Shift Clutchwith Accumulator RegulatingZHANG Jing，LI He-yan，MA Biao，ZHANG Hai-ling(北京理工大学 车辆传动国家重点实验室，北京 100081)摘 要：针对某两挡行星变速箱换挡离合器液压控制系统，在考虑液阻、液感、液容的前提下，建立了换挡离合器以及各液压元件在充油过程中的动态模型，并利用SIMULINK对其进行动态仿真。通过试验验证了所建模型的正确性与有效性，仿真和试验结果表明，液压系统中蓄能器的存在，不仅能减少换挡时间，同时也能降低换挡冲击，对于改善车辆换挡品质具有重要意义。并通过仿真计算分析了蓄能器容积对液压系统压力-流量特性的影响规律。

关键词：液压系统；换挡离合器；蓄能器；动态仿真中图分类号：TH137.5 文献标志码：B 文章编号：10004858(2013)03-0096-04引言湿式片式离合器被广泛地应用于行星变速机构中，由液压系统控制离合器的分离与结合，通过换挡离合器的交替滑摩来完成挡位的切换，因此油压特性对换挡品质的影响非常大，国内外学者就离合器液压系统的动态特性进行了大量的研究。马彪等 在忽略油道液感，考虑液阻和液容的情况下，建立了离合器充油过程数学模型，对换挡离合器结合过程动态特性进行分析。张德明l2 对湿式双离合器液压系统建立了管道动态模型，分析了油腔容积、蓄能器以及油道直径对充油特性的影响。Andreea-Elena Balau等 建立了电液驱动离合器的动态方程，并对该电液控制阀进行了详细的动力学分析，有效反映了液压系统的动态特性。

本文在考虑油道液感、液阻，以及油液可压缩性的情况下，建立了包括离合器模型、蓄能器模型、安全阀模型等的两挡行星变速液压系统仿真模型，对降挡动态过程进行仿真和试验研究。

1 液压系统数学模型液压控制系统原理图如图 1所示∝制油压的直接作用对象为换挡离合器 B活塞，而离合器 B活塞与离合器 C压板刚性连接(如图 1传动简图所示)，因此充油过程油压推动活塞使离合器 B结合的同时，也在推动压板使 c分离，此为降挡过程。泄油过程中在弹簧回复力的作用下，离合器 c压板重新压紧摩擦片使收稿 日期 ：2012-09-28基金项 目：国家部委预先研究项目(40402070106)作者简介：张静(1988-)，女，湖南岳阳人 ，硕士研究生，主要研究方向为液压系统建模与仿真 ，以及车辆动力学。

验测试，结果验证了本文仿真与优化方法的有效性，表明FLUENT仿真可为压电阀的优化设计提供依据，有效缩短了研发周期，节省了试验费用。