一、引言

    氣動技術(shù)很重要的一個發(fā)展方向是：節(jié)能、低功耗、小型化、精密化、高速化及長壽命。為了使氣動元件或控制系統(tǒng)實現(xiàn)以上的目標(biāo)，很多研究機(jī)構(gòu)和公司從不同的方面進(jìn)行著努力。比如對傳統(tǒng)氣動閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的革新，或提高其配件的性能指標(biāo)，及引進(jìn)新的材料和技術(shù)等。

    傳統(tǒng)的氣動換向閥中大量使用了電磁鐵作為電－機(jī)械轉(zhuǎn)換級，其把電控制信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械的位移，推動閥芯，實現(xiàn)氣路的切換或氣體壓力、流量的比例控制。作為電－機(jī)械轉(zhuǎn)換級的電磁鐵有價格低廉，操作使用方便等優(yōu)點；但其也有很多缺點：如功耗大、響應(yīng)速度不夠快、存在發(fā)熱及有電磁干擾等。

    把壓電材料的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換特性引入到氣動閥中，作為氣動閥的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換級，這是一項不同于傳統(tǒng)氣動閥的全新技術(shù)。采用了壓電技術(shù)的氣動閥在性能上有著傳統(tǒng)氣動閥無可比擬的優(yōu)勢。本文對壓電技術(shù)作了簡要介紹，并討論了壓電技術(shù)在氣動閥中應(yīng)用的方法，*后介紹了采用壓電技術(shù)的氣動閥的性能特點及其典型應(yīng)用。

    二、壓電效應(yīng)簡介

    對于晶體構(gòu)造中不存在對稱中心的異極晶體，加在晶體上的張緊力、壓應(yīng)力或切應(yīng)力，除了產(chǎn)生相應(yīng)的變形外，還將在晶體中誘發(fā)出介電極化或電場。這一現(xiàn)象被稱為正壓電效應(yīng)；反之，若在這種晶體上加上電場，從而使該晶體產(chǎn)生電極化，則晶體也將同時出現(xiàn)應(yīng)變或應(yīng)力，這就是逆壓電效應(yīng)。兩者通稱為壓電效應(yīng)。1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)了電氣石的壓電效應(yīng)，從此開始了壓電學(xué)的歷史。壓電式氣動換向閥即是利用壓電逆效應(yīng)而研制的。

    三、壓電技術(shù)在氣動閥中的應(yīng)用

    1、微型直動式換向閥

    利用壓電材料在電場作用下的變形，來實現(xiàn)氣動閥閥口的開啟和關(guān)閉，這樣就可以做成微型直動式換向閥。如下圖所示的微型二位三通換向閥，1口為進(jìn)氣口，2口為輸出氣口，3口為排氣口，閥中間的彎曲部件為壓電材料組成的壓電片。當(dāng)沒有外加電場作用時，閥處于圖1狀態(tài)：進(jìn)氣口關(guān)閉，輸出氣口2經(jīng)排氣口3通大氣。當(dāng)在壓電閥片上外加控制電場后，壓電閥片產(chǎn)生變形上翹，上翹的壓電閥片關(guān)閉了排氣口3，同時進(jìn)氣口1和輸出氣口2連通。這樣就完全實現(xiàn)了傳統(tǒng)二位三通電磁換向閥的功能。

    2、壓電式電氣比例調(diào)壓閥

    壓電材料的變形量正比于施加在其上的電場強(qiáng)度，利用這一特點，可以開發(fā)出比例調(diào)壓閥。如圖3所示，施加不同的控制電壓到壓電閥片上，壓電閥片產(chǎn)生不同的彎曲變形量，這樣就在進(jìn)氣口1與輸出氣口2之間及輸出氣口2與排氣口3之間形成不同的氣流阻力，從而在輸出氣口2的得到不同的氣體壓力。圖4顯示了輸出氣口2的壓力隨控制電壓變化的曲線。

    由于壓電閥片在變形過程中不受機(jī)械摩擦力，且壓電閥片有響應(yīng)快功耗低的特點，基于壓電閥片的電氣比例調(diào)壓閥很多性能優(yōu)于傳統(tǒng)的比例調(diào)壓閥。例如其沒有死區(qū)，壓力可以從零開始連續(xù)調(diào)節(jié)；其響應(yīng)快，可滿足高速系統(tǒng)的應(yīng)用要求；其功耗低，可由電池或太陽能直接驅(qū)動。

    3、壓電閥為先導(dǎo)的氣動換向閥

    把微型壓電閥作為先導(dǎo)級，對其氣體流量及壓力進(jìn)一步放大，就可以得到符合各種標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸的壓電式氣動閥，同樣，其很多性能特點都優(yōu)于傳統(tǒng)的電磁閥。

    四、壓電式氣動閥的獨特優(yōu)勢及其應(yīng)用

    相對于傳統(tǒng)的電磁氣動閥，采用壓電技術(shù)的換向閥，有功耗低、響應(yīng)快及沒有電磁影響等優(yōu)點，所以其開辟了很多氣動技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域。

    1、各種壓力或力精確、連續(xù)控制場合的應(yīng)用

    采用壓電式的電氣比例調(diào)壓閥，可取代手動調(diào)壓閥，實現(xiàn)力或壓力的實時、精確連續(xù)自動控制，可應(yīng)用于各種工業(yè)自動化領(lǐng)域，例如張緊力控制、激光切割或焊接設(shè)備、玻璃切割或研磨設(shè)備、玻璃容器密封檢測等等。

    2、智能閥門定位器及呼吸機(jī)上的應(yīng)用

    智能閥門定位器為氣動閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，其要求氣動元件響應(yīng)快、功耗低。壓電式氣動閥可完全滿足其性能要求，利用壓電閥的快速響應(yīng)特性，通過PWM控制，可得到優(yōu)越的控制性能。

    醫(yī)療呼吸機(jī)同樣對氣動控制系統(tǒng)有極高且嚴(yán)格的性能要求，壓電式氣動閥在此領(lǐng)域也有獨特的應(yīng)用

    3、與現(xiàn)場總線的配合使用

    在工業(yè)自動化及過程控制領(lǐng)域，現(xiàn)場總線技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用。由于壓電閥沒有電磁影響，且功耗低，可由數(shù)據(jù)信號直接驅(qū)動，所以其和現(xiàn)場總線有良好的配合接口。

    4、本安防爆場合的應(yīng)用

    由于壓電式氣動換向閥功耗很低，所以其可以做到別的本安防爆要求，使用在各種防爆場合。

    五、總結(jié)

    壓電式氣動換向閥是把壓電技術(shù)引入到氣動閥中的一項新技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的氣動閥，其有功耗低、響應(yīng)快、沒有電磁干擾、壽命長及不會發(fā)熱等優(yōu)點。其在工業(yè)及過程自動化控制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用。

    參考文獻(xiàn)

   【1】液壓氣動密封行業(yè)信息專刊匯編第二卷2003年11月
   【2】張福學(xué)等編著，壓電鐵電應(yīng)用285例，國防工業(yè)出版社，1987年3月版
   【3】賀爾碧格公司產(chǎn)品資料

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動化儀表有限公司