原文：Johan Persson*, Andrew Plummer *, Chris Bowen*, Ian Brooks*.
摘要
我們將介紹一種新型的兩級航空航天伺服閥，該閥具有經過增材製造的鈦合金主體，以及一個很小的壓電驅動的閥芯作為先導級，並具有電氣主級位置反饋。 該設計方法有望提供重量輕，洩漏少和更精確的閥芯定位。 此外，它可以提高製造自動化程度，從而降低成本，提高重複性並減少廢料的產生。 閥的設計，操作和測量性能將在下面討論。
背景
典型的單通道客機上約有40個伺服閥，是電液促動和燃油控制系統中的關鍵控制組件。減輕重量，降低製造成本並通過減少洩漏來提高效率是新型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，則使用增材製造（AM）生產伺服閥體可在重量和製造人工成本方面提供顯著的好處，並提供額外的設計自由度。使用傳統制造方法制造複雜的內部流道非常困難。它還為在閥內集成新穎的感應和驅動裝置提供了新的機會。
閥先導級是指力矩馬達以及噴嘴擋板，射流管或偏轉射流放大器，並提供驅動力以移動主閥芯（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，並且會通過噴嘴或射流持續產生流量損失（和功率損失）。因此，需要尋找一種以提供一種適合自動化製造的更具成本效益，可靠，低洩漏的替代方法。
本文的重點是使用AM製造的新型兩級伺服閥，該設計結合了壓電驅動和閥芯位置電氣反饋。為了減少洩漏，先導級使用了一個小的閥芯，而不是常規的噴嘴擋板，射流管或偏轉噴射放大器。
閥的設計
閥先導級是一個小閥芯，由壓電環形彎曲面直接驅動（圖1）。 彎曲面是扁平的環形盤，其根據所施加的電壓的極性以凹入或凸出的方式變形。 驅動器彎曲效果的一個例子可以在圖2中看到。之所以選擇這種驅動器配置，是因為與相同質量的堆棧執行器相比，環形彎曲面驅動器表現出更大的位移，並且與同類規格矩形曲面產品相比，其剛度增加更大。
圖1 先導級示意圖
圖2 壓電環形彎曲面：左-變形，右-帶有電氣連接的Noliac CMBR08
閥體中使用了Noliac CMBR08多層彎曲面。 它的直徑為40mm，厚度為1.2mm，自由位移為±115μm，阻力為±39N。 環形彎曲面在其外緣周圍被夾緊在一個柔性安裝架中，並通過輪轂和軸連接到先導級閥芯。 如圖3的橫截面圖所示，該閥已集成到兩級閥中。完整的閥如圖4所示。浸在液壓油中的彎曲面連接到LVDT，以便在運行期間監控位置變化。 主閥芯位置由第二個LVDT測量，可實現閉環控制。 使用比例積分位置控制器補償壓電滯後等非線性現象。
圖3 閥設計截面圖
圖4 閥體樣品的製造
增材製造
閥體包含複雜的流體通道。它們需要具有高強度和剛度以承受較高的液壓壓力（例如350bar），並且即使壓力變化和溫度變化較大（典型規格為-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（通常大於100m / s）相鄰，並且容易發生腐蝕磨損。目前，閥體通常由鋁或鈦製成，並帶有非常耐磨的馬氏體不鏽鋼（440C）襯套，以形成節流邊。
增材製造為製造複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，並且具有成本效益，重複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，而無需常規的減法制造約束。
該閥原型是在Renishaw AM250機器上使用鈦合金（Ti6Al4V）製造的，該機器使用粉末床熔融激光熔化工藝。儘管仍需要進行研究以確保其特性和質量適合於航空航天應用，但是眾所周知，使用這種材料可以成功實現激光熔化。特別是，疲勞壽命受表面光潔度和微觀結構的影響，並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，使用增材製造製造安全關鍵零件需要開發新標準。
對於伺服閥和其他複雜的液壓執行元件，AM的應用有望縮短開發週期，減少材料的庫存成本，提高液壓效率，減輕重量並提供新的維修機會。
圖5更詳細地顯示了AM閥體。仍需要使用堅固的不鏽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 初始原型的AM主體
圖6 AM閥體CT掃描的三軸視圖
實測性能
靜態和動態閥門性能均經過測試。靜態地，在210 bar的供油壓力和連接油缸油口的情況下，最大流量剛好高於70 L / min，從壓力油口到回油口的洩漏流量約為0.1 L / min。
控制信號的低頻滿量程循環表明，彎曲環面的磁滯約為20％，這是壓電驅動器的典型值。然而，由於閉環控制器成功地補償了彎曲環面的滯後現象，對主閥芯整個運動範圍進行的類似測試顯示出線性關係。
閥芯運動對彎曲環面控制信號的動態響應取決於：功率放大器頻寬及其電流極限；與先導級運動相關的阻尼，慣性和液動力；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是從最終原型測得的頻率響應，表明動態響應與相同規格的常規伺服閥閥相似。
圖7 閥頻率響應（210bar供油壓力）
結論
一種新的航空伺服閥已經制造出樣品，其主體是通過激光熔化鈦粉（Ti6Al4V）製造的，並具有低洩漏的壓電驅動先導級。商業化之前需要進一步開發，但是該方法有望提供：
由於優化了AM結構，重量更輕，尺寸更小，
通過消除力矩馬大提高了可重複性和可靠性，
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，並提供“智能”健康監測功能，
提高了製造自動化水平，提高了可重複性並降低了成本，
通過減少材料浪費來提高資源效率，
減少了先導級洩漏，減少了功率損耗。
該閥已滿足功能要求。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。
關於在液壓油中工作的壓電執行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。減法加工作為AM零件的精加工工序是必要的，而加減法的更好集成是另一個研究重點。
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