CN101324227A - 一种高频四联组合液压泵及控制方法 - Google Patents

一种高频四联组合液压泵及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于液压泵制造和控制技术，涉及对基于压电陶瓷的变量泵的改进。该泵包括四联压电陶驱动机构，四联活塞缸增压机构，喷嘴挡板阀换向机构，导油油路。其中四联压电陶驱动机构利用压电陶瓷将电能转化为机械能，带动四联活塞缸增压机构中的四个活塞作往复运动，同时通过横臂带动杆式柔性铰链将位移放大，用来驱动相邻活塞的喷嘴挡板阀的开关以控制相关的油路，四个压电陶瓷在四路相应的驱动信号下按照一定的规律伸缩，这使得油液可以源源不断地被吸入和压出。如果改变四路控制信号的相位，可以方便的改变吸压油的方向。本发明采用柔性铰链喷嘴挡板结构控制油路，充分的发挥了压电陶瓷的高频率高能量密度的特性，与已有的滑阀换向结构相比，降低了加工的难度，减少了成本。这种四联泵的结构也使得该泵具有一定的余度。

Description

一种高频四联组合液压泵及控制方法
技术领域
本发明属于液压泵制造和控制技术，涉及对液压泵原理的改进，以及对压电陶瓷的驱动和控制。
背景技术
基于智能材料的液压泵在工程机械、起重运输、冶金、航空航天、船舶、生物、医药等领域都有着广泛的应用前景，这种新型的基于智能材料的泵主要都是采用的压电陶瓷或者磁滞伸缩材料(包括超磁滞伸缩材料)来驱动的，由于压电陶瓷和磁致伸缩材料具有频响快，输出力大，能量密度高等特点，因此基于智能材料的泵很被看好。这种泵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，并有两个同频率工作的开关阀来对油路进行切换，以保证泵的正常工作。由于这种开关阀的频率较高，被动阀(单向阀)很难达到那么高的频率，因此一般采用智能材料驱动的主动阀来给油路进行换向，而这样又需要两块单独的智能材料来驱动主动阀，相当于一共采用了三块智能材料来实现了一个泵腔的吸压油。本专利提出一种方法，该方法采用四块智能材料来实现了四个泵腔的吸压油，并通过控制两组信号的相位便能控制泵油的方向，并使得该泵具有一定的余度，有效的提高了泵的效率并延长了泵的寿命。
发明内容
本发明的目的是：提供一种能量密度高，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：一种高频四联组合液压泵，其硬件主要包括：四联压电陶瓷驱动机构，四联活塞缸增压机构，喷嘴挡板阀换向机构，导油油路，其特征在于，四联压电陶瓷驱动机构中的压电陶瓷堆将电能转换成机械能对外做功，在驱动活塞吸压油的同时还通过横臂驱动喷嘴挡板阀控制相邻泵腔的油路的通断，四个压电陶瓷通过四套独立的放大电路驱动，四套放大电路由一个控制器进行统一的控制，让四个压电陶瓷进行有规律的周期性伸缩，使得喷嘴挡板阀换向机构配合着活塞增压机构工作，将油液源源不断被的压出。
本发明的优点是：与普通的小型液压泵相比，在相同的功率下体积更小，有较高的能量密度，工作频率高，能方便实现双向泵油，换向速度快，控制流量方便。由于在智能材料驱动泵活塞工作的同时还控制的阀的开关，相当于四套压电陶瓷机构驱动了四个压缩腔工作，与以往的需要独立的智能材料来驱动阀的结构相比，提高了智能材料的利用效率。
附图说明
图1是单组压电陶瓷驱动活塞和喷嘴挡板阀的结构图。
图2是杆式柔性铰链挡板的零件图
图3是四组活塞压缩腔和喷嘴挡板阀之间相互关系的结构原理图。
图4是每个周期对四个压电陶瓷所加的时间-电压信号图。
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：四联压电陶瓷驱动机构，四组利用压电陶瓷的大输出力，高运动频率的特性，将电压信号装换为机械往复运动输出；四联活塞缸增压机构，四组活塞液压缸结构，靠活塞的往复运动来改变压缩腔内的容积；喷嘴挡板阀换向机构，将压电陶瓷输出的位移放大并驱动喷嘴挡板阀在每个周期内为相邻的压缩腔的油路换向；导油油路，将压缩腔与相应的换向阀连接，并将低压油液引入，高压油液导出的油路。
其中四联压电陶瓷驱动机构主要包括：压电陶瓷叠堆6，它将电能转换成位移输出；球面顶块7，它的顶部是一个凸球面，其曲率半径和输出杆3下表面的凹球面曲率半径正好配合，可以将压电陶瓷稍微偏离轴线的位移输出传递给输出杆3；泵座4，起到支撑压电陶瓷叠堆6的作用；输出杆3，将位移和力输出；横臂8，将输出杆的输出引出，用于驱动两个喷嘴挡板阀；碟型弹簧2，用来给压电陶瓷叠堆6进行预紧；后端盖5，和泵座4用细牙螺纹连接，用来顶紧压电陶瓷叠堆6的尾端，调节它可以调整输出杆3的位置；前端盖1，和泵座4用细牙螺纹连接，调整它可以调节碟型弹簧2的预紧力。
其中四联活塞缸增压机构主要包括：活塞14，它和输出杆3固接，在输出杆的作用下作往复直线运动，改变压缩腔的体积，将低压油吸入，将高压油排出；四联泵缸15，与四个活塞配合吸压油，并起到支撑喷嘴挡板阀的作用。
其中喷嘴挡板阀换向机构主要包括：杆式柔性铰链挡板12，包括输入端单耳16、柔性铰链17、金属支撑隔膜18、固定端单耳19、延长杆20和挡板端面21，起到了放大位移，密封油液，关闭喷嘴的作用；连接杆9，将横臂的位移传递到杆式柔性铰链挡板12的输入端；紧缩螺母13，用来固定和调整连接杆9和杆式柔性铰链挡板12的输入端的相对位置，从而可以调节挡板和喷嘴的相对位置；螺钉10，用来将杆式柔性铰链挡板12固定在四联泵缸15上；喷嘴10，安装在四联泵缸15上，与杆式柔性铰链挡板12一起构成喷嘴挡板阀；o型密封圈22，用来压紧密封油液。
其中导油油路主要包括：四联泵缸15中的压缩腔与相应的换向阀连接的油路，以及将低压油液引入，高压油液导出的油路。
下面详细介绍一个周期中给压电陶瓷4加上如图4所示的电压信号后泵的工作情况，具体将一个周期分为八个阶段，四个压缩腔和八个换向阀的关系如图3所示。
第I个阶段，一号压电陶瓷叠堆处于伸长状态，V1a阀和V1b阀处于打开状态，二号压电陶瓷叠堆处于收缩状态，V2a阀和V2b阀处于关闭状态，四号压电陶瓷叠堆收缩，将油液从V1a阀吸入P4。
第II个阶段，一号压电陶瓷叠堆处于伸长状态，V1a阀和V1b阀处于打开状态，二号压电陶瓷叠堆处于收缩状态，V2a阀和V2b阀处于关闭状态，三号压电陶瓷叠堆伸长，将油液从V1b阀压出P3。
第III个阶段，三号压电陶瓷叠堆处于伸长状态，V3a阀和V3b阀处于打开状态，四号压电陶瓷叠堆处于收缩状态，V4a阀和V4b阀处于关闭状态，一号压电陶瓷叠堆收缩，将油液从V3a阀吸入P1。
第IV个阶段，三号压电陶瓷叠堆处于伸长状态，V3a阀和V3b阀处于打开状态，四号压电陶瓷叠堆处于收缩状态，V4a阀和V4b阀处于关闭状态，二号压电陶瓷叠堆伸长，将油液从V3b阀压出P2。
第V个阶段，二号压电陶瓷叠堆处于伸长状态，V2a阀和V2b阀处于打开状态，一号压电陶瓷叠堆处于收缩状态，V1a阀和V1b阀处于关闭状态，三号压电陶瓷叠堆缩短，将油液从V2a阀吸入P3。
第VI个阶段，二号压电陶瓷叠堆处于伸长状态，V2a阀和V2b阀处于打开状态，一号压电陶瓷叠堆处于收缩状态，V1a阀和V1b阀处于关闭状态，四号压电陶瓷叠堆伸长，将油液从V2b阀压出P4。
第VII个阶段，四号压电陶瓷叠堆处于伸长状态，V4a阀和V4b阀处于打开状态，三号压电陶瓷叠堆处于收缩状态，V3a阀和V3b阀处于关闭状态，二号压电陶瓷叠堆收缩，将油液从V4a阀吸入P2。
第VIII个阶段，四号压电陶瓷叠堆处于伸长状态，V4a阀和V4b阀处于打开状态，三号压电陶瓷叠堆处于收缩状态，V3a阀和V3b阀处于关闭状态，一号压电陶瓷叠堆伸长，将油液从V4b阀压出P1。
由于所有的a阀阀口都由导油油路连接到低压腔，所有的b阀阀口都由导油油路连接到高压腔，因此重复这个周期的动作，油液被不断地从低压腔压向高压腔，从而实现泵油的过程。
实现以上过程的控制信号有以下特点：第一路信号和第二路信号相位相差180度，为一组信号；第三路信号和第四路信号相位相差180度，为第二组信号。第一组信号相位超前第二组信号相位90度。
如果将两组信号的关系改为第一组信号相位滞后第二组信号相位90度，那么该泵泵油的方向便会反向。

Claims (2)

1、一种高频四联组合液压泵，其硬件主要包括：四联压电陶瓷驱动机构，四联活塞缸增压机构，喷嘴挡板阀换向机构，导油油路，其特征在于：
压电陶瓷堆将电能转换成机械能对外做功，在驱动活塞吸压油的同时还通过横臂驱动喷嘴挡板阀控制相邻泵腔的油路的通断，具体为1号压电陶瓷驱动1号泵P1，同时控制3号泵P 3的a阀V 3a和4号泵P4的b阀V4b；2号压电陶瓷驱动2号泵P2，同时控制3号泵P3的b阀V3b和4号泵P4的a阀V4a；3号压电陶瓷驱动3号泵P 3，同时控制1号泵P1的b阀V1b和2号泵P2的a阀V2a；4号压电陶瓷驱动4号泵P4，同时控制1号泵P1的a阀V1a和2号泵P2的b阀V2b。
横臂输出的位移经过柔性杠杆放大后驱动喷嘴挡板，柔性杠杆的支点由环形金属隔膜构成，金属隔膜起到支撑和密封油液的作用。柔性杠杆的输入端有正反两个工艺槽，起到柔性铰链的作用，使得柔性杠杆在转动的过程中输入端的平面与调节螺母的端平面始终保持平行。
八个柔性杠杆和四个泵活塞均安装在四联泵缸上，柔性杠杆的安装端面通过螺钉与四联泵缸紧固，其间有o型圈紧压密封，所有的油路均分布在四联泵缸一个零件内，避免了由于零件之间油路连接密封不好而导致的泄漏。
2、一种高频四联组合液压泵的控制方法，其特征在于：
控制信号为四路占空比为3/8的周期PWM信号，每路信号驱动一块压电陶瓷叠堆，控制该压电陶瓷带动活塞以及喷嘴挡板阀工作。
控制信号的具体实施方法为第一路信号和第二路信号相位相差180度，为一组信号；第三路信号和第四路信号相位相差180度，为第二组信号。第一组信号和第二组信号的相位相差90度。
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