CN101275549B - 一种基于智能材料的高频无阀泵 - Google Patents

Abstract

本发明属于液压泵制造技术，涉及对传统液压泵工作原理的改进。该新型泵主要包括智能材料驱动放大机构，金属膜片振动增压机构，吸油油路，排油止回油路。其中智能材料驱动放大机构将智能材料输出的高频振动能量经过弧型柔性铰链对振幅放大后驱动金属膜片振动增压机构，圆形的金属膜片的中部受迫振动产生向外扩散的环形横波，该金属膜片的上下表面和泵腔的上下碟形表壁分别形成两组向外移动的封闭容腔，这两组容腔将油液源源不断地由低压腔压向高压腔，从而实现了泵油的作用。由于这种结构，该泵在每个振动周期泵油的时候避开了传统往复泵需要液压阀对油路进行换向而导致的工作频率不能太高的瓶颈，使得智能材料的高频特性能够充分的应用到液压泵的制造领域中来。

Description

一种基于智能材料的高频无阀泵

技术领域

本发明属于液压泵制造技术，涉及对传统液压泵原理的改进。

背景技术

液压泵在工程机械、起重运输、冶金、航空航天、船舶、生物、医药等领域有着广泛的应用，随着智能材料特别是压电陶瓷和超磁致伸缩次材料的出现以及其性能的逐渐提高，近几十年来国内外研究了很多种基于智能材料的液压泵，目前这种液压泵在很多领域有了一定的应用，但是由于现有的这种泵流量较小，其应用并不广泛。究其原因，已有的基于智能材料的液压泵都是采用往复泵的原理制造的，他们是利用智能材料的伸缩或振动来驱动一个压缩腔吸油和压油，这种结构需要一个换向阀，在压缩腔工作的每一个周期给油路进行两次换向，以保证泵的正常工作。而换向阀一般有两种实现的方案，其中一种是采用单向阀(被动阀)来限制油的流动方向，但是由于单向阀的开合频率一般只有几十赫兹，个别性能优越的也只能达到100赫兹，这使得这种泵的工作频率也只能在100赫兹以内；另外一种是采用主动阀，主要是利用智能材料驱动的比例阀或者开关阀，这种方案从理论上可以以较高的频率工作，但是由于存在一定的加工难度以及一些其他原因，使得目前采用这种方案研制的泵工作频率也不太高。智能材料的特点是能量密度大，工作频率高(可以达到10千赫兹)，但是压缩行程小，在较低的工作频率下材料本体不能发挥出能量密度大的优势。为了智能材料，特别是压电陶瓷堆和超磁置伸缩棒能够更好的应用到液压泵中，本专利提出一种不使用换向阀对油路进行换向的基于智能材料的液压泵，以避开阀的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是：提供一种体积小，能量密度高，结构紧凑简单，工作频率高的小型液压泵。

本发明的技术方案是：一种基于智能材料的高频无阀泵，其硬件主要包括智能材料驱动放大机构，金属膜片振动增压机构，吸油油路，排油止回油路。其中智能材料驱动放大机构将智能材料输出的高频振动能量经过弧型柔性铰链对振幅放大后驱动金属膜片振动增压机构，圆形的金属膜片的中部受迫振动产生向外扩散的环形横波，该金属膜片的上下表面和泵腔的上下碟形表壁分别形成两组向外移动的封闭容腔，这两组容腔将油液源源不断地由低压腔压向高压腔，从而实现了泵油的作用。吸油油路将低压油导入到低压腔，排油止回油路将高压腔的油液导出并防止高压油的回流。

本发明的优点是：基于智能材料的液压泵与普通的小型液压泵相比，在相同的功率下体积小，能量密度高，工作频率快，控制流量方便；本发明与现有的基于智能材料的液压泵相比，由于采用了新的原理，避开了单向阀频率的瓶颈，省掉了用于驱动主动阀的智能材料，使结构更简单，加工更容易，控制方法更简单，更利于发挥智能材料的高频特性，从而进一步提高了这种泵的能量密度。

附图说明

图1是基于智能材料的高频无阀泵的结构图。

图2是泵体的详细结构图

图3是泵腔的增压原理图

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

本液压泵在硬件上主要包括：智能材料驱动放大机构，金属膜片振动增压机构，吸油油路，排油止回油路。

智能材料驱动放大机构，利用智能材料将电能转换为机械振动能，并对机械位移进行放大输出的机构；金属膜片振动增压机构，利用金属膜片的振动产生环形横波，实现从低压腔向高压腔泵油的功能的机构；吸油油路，连接吸油接口和低压腔，并保证上下低压腔压力相等的油路；排油止回油路，连接排油接口和高压腔的油路，并实现在金属膜片停止振动后阻断排油接口的油回流的功能。

其中智能材料驱动放大机构主要包括：智能材料6，用来将电能转换为机械振动能；弧型柔性铰链8，用来放大机械位移和给智能材料产生回复力；调节螺钉7，用于调节弧型柔性铰链8对智能材料6的预紧力；连接杆4，用来将机械振动能量传递给金属隔膜2；锁紧螺母5，用来调节和锁紧连接杆4和弧型柔性铰链8之间的螺纹连接；底座9，用来安装和支撑弧型柔性铰链8和整个泵体。

其中金属膜片振动增压机构主要包括：金属膜片2，在连接杆4的带动下产生环形横波，将油液从低压腔压向高压腔；压片12，两片压片安装在金属膜片中央处，用来夹持金属膜片2；螺母22，与连接杆的螺纹配合，将两片压片夹紧；上泵体1和下泵体3，形成整个容腔，并构成油路；密封圈10，用于下泵体3和连接杆4的密封；密封圈15，用于上泵体1和下泵体3的密封。

其中吸油油路主要包括：进油接头26，用于连接外部油路；密封垫圈25，用于密封接头26和下泵体3的密封；进油通道24，用于将油液导入到下低压腔13；T型导油孔11，用于连通上低压腔23和下低压腔13，保证上下低压腔的压力相等。

其中排油止回油路主要包括：出油接头18，用于连接外部油路；止回钢球19，用于防止油液回流；预紧弹簧20，用于预紧止回钢球19；密封垫圈21，用于密封出油接头18和上泵体1；高压腔14，用于收集高压油；出油通道16，用于将高压腔14的油液导出。

下面详细介绍一下该液压泵的工作原理：智能材料6在电信号的驱动下高频振动，带动弧型柔性铰链8发生周期性的形变，弧型柔性铰链8的两个弧端输出位移经过放大的振动能量，两个弧端一端作为固定端固定在底座9上，另一个弧端和连接杆4相连，将振动能量传递给金属膜片2。圆形金属膜片2的中心在连接杆4的带动下作往复运动，从而产生以圆心为振源，向四周扩散的环形横波，如图3所示。沿半径方向上的波形出现波峰波谷的个数由金属膜片2的厚度，半径以及振动的频率决定。横波的每个波峰与下泵体3形成一个环形的容腔，每个波谷与上泵体1也形成一个环形的容腔27。如果没有上下泵体的限制，金属膜片2产生的波形29如图3所示，由于有上下泵体的限制，产生了波形28，这种波形增加环形容腔27的密封性，使得高压腔14能够形成更高的压力。上泵体1和下泵体3的内壁互成一个角度，形成两个对扣在一起的碟形表面，这种结构使得环形容腔27向外移动，其环形周长变大时，容积的大小可以得到补偿。容腔的移动使得油液从上低压腔23和下低压腔13不断地被压向高压腔14，这使得低压腔的压力降低，高压腔14的压力升高。低压腔压力的降低使得油液能通过进油接头26经过通道24被吸入到低压腔；高压腔14压力的升高使得油液能经过出油通道16顶开止回钢球19从出油接头18流出。当该泵停止工作以后金属膜片2停止压油，止回钢球19在预紧弹簧20的作用下堵住油路，不让高压油回流。

Claims (1)

1.一种基于智能材料的高频无阀泵，其硬件主要包括：智能材料驱动放大机构、金属膜片振动增压机构，其特征在于：

其中智能材料驱动放大机构主要包括：智能材料(6)，用来将电能转换为机械振动能；弧型柔性铰链(8)，用来放大机械位移和给智能材料产生回复力；调节螺钉(7)，用于调节弧型柔性铰链(8)对智能材料(6)的预紧力；连接杆(4)，用来将机械振动能量传递给金属膜片(2)；锁紧螺母(5)，用来调节和锁紧连接杆(4)和弧型柔性铰链(8)之间的螺纹连接；底座(9)，用来安装和支撑弧型柔性铰链(8)和整个泵体，

其中金属膜片振动增压机构主要包括：金属膜片(2)，在连接杆(4)的带动下产生环形横波，将油液从低压腔压向高压腔；压片(12)，两片压片安装在金属膜片中央处，用来夹持金属膜片(2)；螺母(22)，与连接杆的螺纹配合，将两片压片夹紧；上泵体(1)和下泵体(3)，形成整个容腔，并构成油路；用于下泵体(3)和连接杆(4)的密封的密封圈(10)；用于上泵体(1)和下泵体(3)的密封的密封圈(15)，

智能材料(6)在电信号的驱动下高频振动，带动弧型柔性铰链(8)发生周期性的形变，弧型柔性铰链(8)的两个弧端输出位移经过放大的振动能量，两个弧端一端作为固定端固定在底座(9)上，另一个弧端和连接杆(4)相连，将振动能量传递给金属膜片(2)，圆形金属膜片在智能材料的驱动下中间的部分高频振动，在膜片方向形成向外扩散的环形横波，产生横波的金属膜片与泵体壁形成环形的封闭的容腔向外移动，将油液从低压腔输送到高压容腔，泵腔的上下表面互成一定的角度，上下表面的距离随着半径的变大而线性的减小，形成一个碟形的泵腔，金属膜片在泵腔内对称的振动，连接智能材料驱动放大机构和金属膜片的连接杆上的T型导油孔使得金属膜片上下的油液压力平衡，液压油在金属膜片的两侧同时被压向高压腔。

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