作为电液伺服控制系统核心控制部件的电液伺服阀,是连接电气系统和液压系统的桥梁,其性能直接影响着整个电液伺服控制系统的控制精度、响应速度、可靠性和使用寿命,因此研制控制精度高、响应速度快、可靠性高的电液伺服阀对提高电液伺服控制系统的性能有着重要意义。随着新型功能材料的发展,出现了具有输出力大、能量密度高、可靠性高、分辨精度高、频带宽及响应速度快等优点的新型电-机转换器,如基于压电材料和超磁致伸缩材料的电-机转换器。将这些新型电-机转换器应用在电液伺服阀中来提高电液伺服阀的性能是目前电液伺服阀研究和发展的一个重要方向。在此研究思路的指导下,本文将超磁致伸缩电-机转换器和射流液压放大器相结合,设计出了超磁致伸缩射流伺服阀,并通过多学科及多物理场协同优化、物理机理建模、计算机仿真、有限元数值模拟等技术对超磁致伸缩射流伺服阀的基础理论进行了深入研究,最后采用实验的方法对所研制超磁致伸缩射流伺服阀的静、动态性能进行了测试。本文的主要研究工作可分为六部分:第一部分总结和分析了超磁致伸缩电-机转换器和超磁致伸缩电液控制阀的国内外研究现状,得出了研制超磁致伸缩射流伺服阀的关键技术及研究难点。第二部分论述了超磁致伸缩材料的应用特性及超磁致伸缩射流伺服阀结构优化方法。首先介绍了超磁致伸缩材料的应用特性,并基于此应用特性提出了超磁致伸缩射流伺服阀的具体结构。接着采用多物理场分析方法对其结构进行了优化设计,通过磁路建模和磁场数值模拟得出,当超磁致伸缩棒长度大于其直径时,轴向磁场不均匀度大于径向磁场不均匀度,在线圈内径和长度接近棒的尺寸时,电磁结构较优;通过传热建模分析和温度场数值模拟可知,在油源与环境温度相等且超磁致伸缩棒外部油液流速大于0.1m/s时,可以使其温升控制在0.1℃以下,超磁致伸缩电-机转换器的热误差控制在0.1μm;以液压能传递效率最大对射流液压放大器进行建模优化的结果表明,最优射流结构参数为:射流喷嘴锥角取13.4°,两接收孔夹角取30°,接收孔与射流喷嘴的面积比为1.6,射流喷嘴到接收面的距离为喷嘴直径的0.63倍。第三部分论述超磁致伸缩电-机转换器的非线性建模理论。基于复数磁导率和磁化强度的关系模型、磁致伸缩模型以及集总参数的等效动力学模型建立了计涡流和磁滞的超磁致伸缩电-机转换器非线性动态模型。通过仿真和实验得出,在控制电流变化范围为-0.25A~0.25A时,GMA输出位移为-3.4μm~3.4μm;控制电流在额定范围内变化时,即-1A~1A,GMA输出位移约为-25μm~25μm;在单位控制电流作用下,GMA输出位移为20.2μm,其阶跃响应的上升时间约为3ms,调节时间约为6ms;当控制电流为0.5A时,GMA输出位移为10μm,其上升时间约为1.32ms,调节时间小于4ms;在控制电流幅值为1A时,超磁致伸缩电-机转换器的频宽约为150Hz,在控制电流幅值为0.25A时,其频宽可达550Hz。第四部分介绍了超磁致伸缩电-机转换器的驱动和前馈逆补偿控制技术。首先,依据超磁致伸缩致动器驱动电源和阀用伺服放大器的要求设计了伺服阀用超磁致伸缩电-机转换器驱动器,并对其性能进行了测试,测试结果表明:在额定负载下,所设计驱动器的线性度约为3.3%;在输出电流2A时,其上升时间小于0.5ms;在幅值为1V的简谐信号输入下,其幅频宽可达2k Hz。接着基于磁化能量损耗和复数磁导率虚部的函数关系,建立了计磁滞、涡流和附加损耗影响的超磁致伸缩电-机转换器非线性动态模型及其逆模型,并基于逆模型构建了前馈逆补偿控制器,对其输出位移的相位滞后进行迟滞补偿。实验表明,在补偿器的作用下,超磁致伸缩电-机转换器输出位移的相位滞后明显减小。第五部分为射流液压放大器模型及其流场数值模拟。首先详细介绍射流液压放大器的结构和工作原理,并给出了通流面积的计算公式。基于动量定理和节流理论分别建立了射流液压放大器的模型,并对其压力特性、流量特性及压力-流量特性进行了仿真分析,仿真表明:在接收孔直径取0.8mm,射流喷嘴直径取0.6mm,射流喷嘴到接收面的距离取0.5mm时,基于节流理论所建模型的最大无因次恢复压力为0.65,最大无因次恢复流量为0.7,而基于动量定理所建模型的最大无因次恢复压力为0.8,最大无因次恢复流量为0.5;由设计参数(接收孔直径为0.8mm,射流喷嘴直径为0.6mm)下射流液压放大器压力特性和流量特性的仿真曲线可知,若射流喷嘴位移取值较小(不大于0.03mm),即使将射流喷嘴到接收面的距离扩大到等于喷嘴直径时,射流液压放大器仍能够保证最优性能。最后利用流场数值模拟软件对设计参数下射流液压放大器的仿真结果进行了验证,验证结果表明,在射流喷嘴位移小于100μm时,对于压力特性的描述,基于节流理论所建模型需乘以修正系数为2.2,基于动量定理所建模型需乘以修正系数为0.9;对于流量特性的描述,基于节流理论所建模型较准确,而基于动量定理所建模型需乘以修正系数为0.7。第六部分为对超磁致伸缩射流伺服阀性能的理论和实验研究。通过对超磁致伸缩射流伺服阀输出性能进行仿真可知,在系统供油压力为7MPa,控制电流从-1A~1A时,所设计超磁致伸缩射流伺服阀的理论输出压力为-0.6MPa~0.6MPa,理论输出流量可达-0.10L/min~0.10L/min;控制电流与输出压力(或输出流量)的关系曲线呈现出严重的迟滞,其线性度为9.8%,滞环为100%,分辨率为15.6%,零偏为0;压力特性和流量特性有着相同的理论动态响应性能,在单位阶跃控制电流的作用下,上升时间约为3ms,而当控制电流从0跃变到0.25A时,上升时间小于1ms;在控制电流幅值为0.25A时,其幅频宽可达550Hz以上,相频宽700Hz,而在控制电流幅值为1A时,其幅频宽为150Hz,相频宽约为200Hz。对所设计超磁致伸缩射流伺服阀输出压力的静态测试表明,在7MPa供油压力下,当控制电流在-1A到1A之间变化时,其输出压力的最大变化量为0.92MPa;输出压力和控制电流关系曲线的线性度约为40%、滞环约为52.8%、分辨率约为12.8%、零偏为20%。通过在驱动器前加前馈控制器进行校正,使输入量从电流变为了控制器的输入信号后,输出压力特性曲线的线性度为12%,滞环为16.8%,分辨率为10%,零偏为5.8%;在控制电流在-0.5A到0.5A之间变化时,超磁致伸缩射流伺服阀输出压力变化量约为0.37MPa,输出压力随控制电流变化曲线的线性度约为6.2%,滞环约为23%,分辨率约为3.12%、零偏为3.42%。校正后,输出压力特性曲线的线性度为5%,滞环为9.6%,分辨率为3%,零偏为2.9%。对超磁致伸缩射流伺服阀输出压力的动态测试可知,在7MPa供油压力下,控制电流从-1A跃变到1A时,输出压力变化量约为0.92MPa,其上升时间约为5ms;在控制电流从0跃变到1A时,输出压力为0.37MPa,上升时间约为3ms;在控制电流从0跃变到0.25A时,输出压力约为0.076MPa,上升时间约为1.08ms。由其输出压力的频率响应曲线可知,在控制电流幅值为1A时,其幅频宽为150Hz,相频宽为350Hz,而在控制电流幅值为0.5A,其幅频宽可达400Hz,相频宽接近500Hz。本文的研究工作得到了国家自然科学基金《超磁致伸缩执行器驱动的射流伺服阀关键技术研究(50805080)》和《面向高频大流量电液伺服阀的智能GMA的基础研究(51175243)》;航空科学基金《基于超磁致伸缩材料的高频响射流伺服阀的应用研究(20090752008)》和《基于智能GMA的高频电液放大器的基础研究(20110752006)》以及浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室2011年度开放基金《集电液转换与传感控制一体化的智能GMA的基础研究(GZKF-201116)》等项目的资助。