1、 PDF外文：http:/ 中文 2200 字 附件 C：译文 压电陶瓷活塞驱动液压泵的发展 G. W. Woodruff 学校机械工程学院，乔治亚理工学院（乔治亚，亚特兰大）30332-0405 William S. Oates, Lisa D. buck 和 Christopher S. Lynch 【摘要】 压电材料在高频率和大型电场工作时可以产生非常高的功率密度。在马达中利用次功率密度只会由压电材料产生很小的行程。行程的整改是为了得到一个高功率密度的设备。这一点已经通过用一个活塞驱动液压泵来实现了。更改流体动力
2、也已通过使用止回阀实现。泵的设计和特性详情已经得到。压电堆栈的热力循环在压电泵中的应用也已阐明。 【引言】 许多应用智能材料需要庞大的力量和大的位移。单行程器可以在一个很小的距离内产生一个很大的力。超声波马达利用共振波来趋势轴旋转。其结果是固态马达做得非常小，但是，只具有很低的扭矩输出。分布重复设备依靠 压电直接驱动能力工作时低于共振频率。这两个设备分别是直线电机和液压泵。本文对液压泵的发展和性能进行了详细的讨论。 一、分步重复执行器 分步重复执行器利用压电的高频率性能。压电致动器在每个过程中只能做数量有限的工作。用与执行器阻抗相匹配的负载使工作量达到最
3、大化。在单位时间内的能量就是工作量。而这个能量可以通过提高频率来增加。 该系统利用一个堆栈执行器来控制液压泵里的活塞。系统以提高到频率的潜力为重点来弥补堆栈的小排量问题。通过在泵中增加一个入口和出口单向阀来纠正流体流动以得到直线运动的液压执行器。此外，为了 实现泵的进程，利用了机械载荷和液压压力来保证堆栈的情况受到压缩。在现行系统中， 9.5mm（ 3/8”）口径的驱动器可以到达 280 N (62 Ibs.)的阻力和 7.25 cm/sec (2.86 in/s)的自由变速。 二、压电液压工作周期 C2 Mauk, Menchaca, an
4、d Lynch 2的成果阐明了压电液压泵设计的效率。该压电液压泵的效率将会通过一个完整的热力学工作周期来说明。 理论上，液压泵的压电量输出应该是匹配弹簧负载压电阻抗的两倍。在经典的阻抗匹配中，一个弹簧原件代表这个负载会被压电陶瓷的 直接驱动所代替。如图 1所示，动作是力的作用和实际位移的结果。最大压电负载的阻力可以得到 (bF)。自由位移和零载荷是的最大应变 ( o )是紧密关联的。实际负荷将存在介于这两个极端。 在压电液压应用中，使用流体装置可以使每个周期的工作量加倍，见图 2。首先，为驱动活塞向前以增加泵内压力的堆栈执行器提供一个电压。在匹配负载的阻抗下，这个力是封
5、锁力的一半。然后，单向阀打开，允许流体在恒力下流动。电场开始在 A 点下降。流体压力开始下降使系统回到平衡。然后，在 O 点，进口单向阀打开，为泵的另一个周期的开始提供流体。 图 2 的工作周期可以用来改进由堆栈执行器的电流输入和机械输出之间比率所定义的效率方程。压电材料和热力循环制定的法则应当用于确定效率。 该组成法则由方程（ 14）得出： Eij ijkl kl kij kS s T d E (1) Ti ikl kl ik kD d T E
6、 (2) Eij ijkl kl kij kT c S e E (3) Si ikl kl ik kD e S E (4) 图 1 压电陶瓷的经典阻抗匹配 C3 在固定电场中，ijS是应变分量、ijT是应力分量、 kE 是电场分量、 iD 是电位移分量、 Eijkls是执行分量、 Eijklc是刚度分量。在固定应力下， ikld 是压电分量、 Tik 是介电常数。在固定应变下，kije是压电分量、 Sij是介电常数。 电场 /电位移图和应力 /应变图是通过制定的法则来一起用于确定理论效率的。如图 3，应力 /应变图的工作周期类似于图 2 中的力 /位移的工作周期。效率是基于一个完整的可逆热力循环。电场 /电位移曲线如图 4 所示。 电流工作完成的是电场 /电位移图中，平行四边形的区域。 Mauck, Menchaca, 和 Lynch 2,3证明，制定的法则、应力 /应变图和电场 /电位移图一起应用效率是理论值的 100%。其假定了可逆热力循环与路径无关。 图 2 压电液压工作周期 图 3 压电液压泵周期应力 /应变图
