原文：

Johan Persson, Andrew Plummer, Chris Bowen, Ian Brooks

譯者：騰益登

總結

我們將介紹一種新型的兩級航空航天伺服閥，該閥采用3D打印的鈦合金閥體，以及一個小的壓電驅動閥芯作為其先導級，并具有電氣主級位置反饋。該設計方法有望提供重量輕，泄漏少和更精確的閥芯定位。此外，它還可以提高制造自動化程度，從而降低成本，提高重復性并減少廢料的產生。

背景

典型的單通道（窄體式客機）客機上約有40個伺服閥，是電液驅動和燃油控制系統中的關鍵控制組件。減輕重量，降低制造成本并通過減少泄漏來提高效率是新伺服閥設計的關鍵驅動力。如果可以獲得可接受的材料性能，則使用增材制造（AM）生產伺服閥體可在重量和制造人工成本方面提供顯著的好處，并提供額外的設計自由度。使用傳統制造方法制造復雜的內部流道被證明非常困難單。 AM還為在閥內集成新穎的傳感和執行單元提供了新的機會。

閥先導級是指力矩馬達以及噴嘴擋板，噴射管或偏轉射流放大器，并提供致動以移動主閥芯（第二級）。力矩馬達的安裝非常耗時且昂貴，需要大量的人工干預。如果沒有非常精確地調整，則先導級放大器可能無法提供穩定的操作，并且會通過噴嘴或射流持續產生流量損失（和功率損失）。基于此，有必要尋找一種替代方法，以提供一種適合自動化制造的更具成本效益，可靠，低泄漏的替代方法。本文的重點是采用AM制造的新型兩階段伺服閥設計，該設計結合了壓電致動和電氣閥芯位置反饋。為了減少泄漏，先導級使用了一個小的閥芯，而不是傳統的噴嘴擋板，噴射管或偏轉噴射放大器。

閥的設計

閥先導級是一個小閥芯，由壓電環形彎曲器直接驅動（圖1）。環形彎曲器是扁平的環形盤，其根據所施加的電壓的極性以凹入或凸出的方式變形。在圖2中可以看到執行器彎曲效果的一個例子。之所以選擇這種執行器配置，是因為與相同質量的疊堆執行器相比，環形彎曲器執行器顯示出更大的位移，與同類尺寸的矩形彎曲器相比剛度更高。

 

圖 1. 先導級示意圖

圖2. 壓電環形彎曲器：左-變形，右-電氣連接

閥中使用了Noliac CMBR08多層環形彎曲機。它的直徑為40mm，厚度為1.2mm，自由位移為±115μm，阻擋力為±39N。彎曲機在其外緣周圍被夾緊在一個柔性安裝架中，并通過輪轂和軸連接到先導級閥芯。如圖3的橫截面圖所示，該閥已合并到兩級閥中。完整的閥如圖4所示。浸在液壓油中的彎曲機連接到LVDT，以便在運行期間監控位置。主閥芯位置通過第二個LVDT進行閉環控制；使用比例積分位置控制器補償壓電滯后等非線性因素。

圖 3. 閥斷面示意圖

圖 4. 產品樣機

增材制造

閥體包含復雜的流體通道。它們需要具有足夠強度和剛度以承受較高的液壓壓力（例如350bar），并且即使壓力變化和溫度變化較大（典型條件為-54°C至+ 150°C）也要保持出色的尺寸精度。閥芯周圍的間隙或節流邊的公差約為幾微米。節流邊與高速流體（通常大于100m / s）接觸，并且易于腐蝕。當前，閥體通常由鋁或鈦制成，并帶有非常耐磨的馬氏體不銹鋼（440C）襯套，以形成節流邊。

增材制造為制造復雜的閥體提供了機會，該閥體的重量要低得多，僅在必要時添加材料，并且具有成本效益，重復性高且材料浪費少的優點。可以優化幾何形狀以滿足上面列出的嚴格要求，而無需常規的減材制造約束。

該閥原型是在Renishaw AM250機器上使用鈦合金（Ti6Al4V）制造的，該機器使用粉末床熔融激光熔化工藝。盡管仍需要進行研究以確保其特性和質量適合于航空航天應用，但是眾所周知，使用這種材料可以成功實現激光熔化。尤其是，疲勞壽命受表面光潔度和微觀結構的影響，并且仍在研究構建過程參數和熱處理的影響。飛行執行器出現認證問題，使用增材制造制造安全關鍵零件需要開發新標準。

對于伺服閥和其他復雜的液壓執行元件，AM的應用有望縮短開發周期，減少材料的庫存成本，提高液壓效率，減輕重量并提供新的維修機會。圖5更詳細地顯示了AM閥體。仍需要使用堅固的不銹鋼襯套來實現所需的節流邊磨損性能。圖6說明了如何使用CT掃描對AM零件進行內部檢查。

圖 5 – AM閥體原型

圖 6 –閥體CT掃描3軸視圖

測量性能

靜態和動態閥性能均經過測試。靜態的，在210 bar的供油壓力和連接的油缸端口的情況下，最大流量剛好高于70 L / min，零位的泄漏流量約為0.1 L / min。

 

控制信號的低頻滿量程循環表明，環面彎曲機的磁滯約為20％，這是壓電執行器的典型值。但是，對于主閥芯整個運動范圍的類似測試顯示出線性關系，因為閉環控制器成功補償了壓力執行器的滯后現象。

閥芯運動對環面彎曲機控制信號的動態響應取決于：功率放大器帶寬及其電流極限；與先導級運動相關的阻尼，慣性和流動力；先導級和主級之間的可壓縮性和流量限制；作用在主閥芯上的阻尼力和流動力及其慣性，以及先導級作用在主閥芯端部區域的壓力差。

圖7是從樣品閥測得的頻率響應，表明動態響應與相同尺寸的常規閥相似。

圖 7 – 頻率響應 (210bar供油壓力)

結論

一種新型的航空伺服閥已被樣品制造，其主體是通過激光熔化鈦粉（Ti6Al4V）制造的，并具有低泄漏的壓電致動先導級。商業化之前需要進一步開發，但是該方法有望提供：

• 由于優化的AM結構，重量輕且尺寸減小，

• 通過消除力矩馬達的電磁特性，提高了可重復性和可靠性，

• 與傳統的機械反饋閥相比，閥芯位置控制更好：更精確，更快，對環境變化（例如溫度）更不敏感，一個閥與另一個閥之間的可變性更小，并提供“智能”健康監控，

• 提高制造自動化程度，提高可重復性并降低成本，

• 通過減少材料浪費來提高制造資源效率，

• 減少了先導級泄漏，減少了功率損耗。

功能要求已滿足。耐久性要求也已通過液壓和材料疲勞測試得到了驗證，但是在獲得認證之前還需要進行其他研究。電反饋的使用也是主要飛行控制的新突破，安全情況需要得到證明。

關于在液壓流體中工作的壓電致動器的保護和耐用性的進一步研究正在進行中。減小壓電放大器的尺寸也將需要解決。減材制造作為AM零件的精加工工序是必要的，因而加材和減材工藝的更好集成是另一個研究重點。