CN102155570B - 一种超磁致伸缩驱动的气动高速开关阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超磁致伸缩驱动的气动高速开关阀，包括超磁致伸缩驱动器和开关阀。所述超磁致伸缩驱动器包括外壳、驱动线圈、线圈骨架、顶杆、超磁致伸缩棒、上导磁体、碟簧、导磁套、下导磁体、调节螺栓。所述开关阀包括阀口板、悬臂梁阀芯、悬臂梁盖、阀盖、密封垫，其中悬臂梁同时起到位移放大和充当阀芯的作用，且能实现自动回复。尺寸优化过的矩形变截面梁结构，使阀芯受力更加合理，且减小了等效质量。线圈骨架所采用热膨胀系数接近于超磁致伸缩棒的材料，抑制了温升对阀口输出的影响。本发明具有体积小、流量大、频响高、工作性能稳定等显著特点。

Description

一种超磁致伸缩驱动的气动高速开关阀

技术领域

本发明涉及一种气动高速开关阀，尤其是涉及一种超磁致伸缩驱动的气动高速开关阀。

背景技术

气动高速开关阀因成本低、抗污染能力强、重复精度高、功率质量比大以及切换迅速等优点，在喷气织机、包装装配及农产品色选系统等工业领域中获得了广泛的应用。同时，气动高速开关阀在PWM工作模式下的比例控制特性，使其有了替代价格高昂的气动比例伺服阀，用于实现低成本伺服控制的可能性。由于开关阀在PWM控制模式下所表现出的本质特征为非线性离散电－气转换器，加上气体自身的可压缩性，阀口的压力和流量特性存在严重的脉动现象，这很大程度上影响了控制系统的精度和稳定性，大量研究者通过采用不同的控制策略来对此进行补偿与修正，以期达到提高控制精度目的。但是，开关阀本身的特性决定了其流量脉动是无法完全消除的，只有尽量提高开关阀速度才能减小流量脉动。故提高高速开关阀的速度，不仅有利于喷气织机、吹气甄别等直接利用气流通断状态工作的设备显著提高生产效率，而且有利于克服其本征流量具有的离散非线性特性，使PWM控制能获得的线性流量范围更宽，流量线性度也更高，从而最终获得更高精度的伺服控制效果。

经过多年的研究和发展，国外的传统高速开关阀相关技术已经比较成熟，但由于受到传统电磁铁－衔铁结构自身等的限制，其响应频率始终徘徊在1000Hz以下，进一步提高工作频率可能性较小。

超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material，简写为GMM）是指具有极大磁致伸缩应变的一类金属键化合物，具有低磁场驱动下产生的应变值高、能量密度高、工作温度范围广等优点，特别是其响应时间仅百万分之一秒，可工作在极高频率下。因此，把超磁致伸缩材料引入气动高速开关阀中，可以从根本上提高气动开关阀的响应频率。

发明内容

本发明的目的是利用超磁致伸缩材料响应速度快、输出力大、并可在低磁场强度下动作等特性，提供频响高，流量大的一种超磁致伸缩驱动的气动高速开关阀。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

包括超磁致伸缩驱动器和开关阀；其中：

1）超磁致伸缩驱动器：包括外壳、驱动线圈、工字形线圈骨架、顶杆、超磁致伸缩棒、上导磁体、碟簧、导磁套、下导磁体和调节螺栓；外壳内同轴安装导磁套，导磁套内装有绕有驱动线圈的工字型骨架，下导磁体台阶小端插入工字型骨架下端中心孔中，工字形线圈骨架下端与下导磁体台阶大端面连接，调节螺栓装在下导磁体内，超磁致伸缩棒置于工字型线圈骨架中心孔内，超磁致伸缩棒下端与调节螺栓接触，上导磁体下端插入工字型线圈骨架上端中心孔中，上导磁体上端装有顶杆，超磁致伸缩棒上端与上导磁体下端接触，碟簧小径端与上导磁体接触；

2）开关阀：包括阀口板、悬臂梁阀芯、悬臂梁盖、阀盖和密封垫；阀口板开有上端小而下端大的阶梯中心孔，阀口板一侧面开有腰形阀口，腰形阀口外侧开有径向出气孔，阀口板安装在外壳上端面，碟簧大径端与阀口板大中心孔上端面接触，所述顶杆装在阀口板小中心孔内，悬臂梁盖盖在悬臂梁阀芯的固定端与阀口板上不开腰形阀口的一端连接，悬臂梁阀芯的自由端盖在腰形阀口上，阀口板上面经密封垫与阀盖连接，阀盖上开有进气孔。

所述的上导磁体、导磁套和下导磁体构成导磁回路。

所述的顶杆、悬臂梁阀芯和悬臂梁盖构成位移放大机构。

所述的下导磁体、调节螺栓、上导磁体和碟簧构成预压调节机构。

所述的悬臂梁阀芯为一矩形截面变截面形式楔形的悬臂梁，固定端与自由端厚度比为1.5~2。

本发明具有的有益效果是：

1）体积小，结构紧凑；

2）采用悬臂梁机构对阀芯位移放大，加大阀的流量，最大流量大于80L/min，且采用尺寸优化过的矩形变截面梁结构，使阀芯受力更加合理，延长使用寿命；

3）悬臂梁本身还同时起到阀芯的作用，简化了结构，使阀的固有频率大于2000Hz；

4）悬臂梁阀芯与阀口板阀口面为平面接触，形成金属平面密封，同时利用气体背压，是密封性能更好；

5）采用无磁合金钢作为线圈骨架对阀进行热膨胀补偿，从而很好地抑制了温升对阀性能的不利影响，保证阀能适应各种恶劣的工作环境，并且长时间连续稳定工作。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是本发明的位移放大示意图；

图3是图1中A部分的局部放大图；

图4是图1中B部分的局部放大图；

图5是图1中C部分的局部放大图。

图中各标号相应名称：1.下导磁体，2.驱动线圈，3.外壳，4.线圈骨架，5.阀口板，6.密封垫，7.阀盖，8.悬臂梁阀芯，9.顶杆，10.上导磁体，11.悬臂梁盖，12.碟簧，13.超磁致伸缩棒，14.导磁套，15.调节螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明包括超磁致伸缩驱动器和开关阀，其中：

1）超磁致伸缩驱动器：包括外壳3、驱动线圈2、工字形线圈骨架4、顶杆9、超磁致伸缩棒13、上导磁体10、碟簧12、导磁套14、下导磁体1和调节螺栓15；外壳3内同轴安装导磁套14，导磁套14内装有绕有驱动线圈2的工字型骨架4，下导磁体1台阶小端插入工字型骨架4下端中心孔中，工字形线圈骨架4下端与下导磁体1台阶大端面通过螺纹连接，调节螺栓15装在下导磁体1内，超磁致伸缩棒13置于工字型线圈骨架4中心孔内，超磁致伸缩棒13下端与调节螺栓15接触，上导磁体10下端插入工字型线圈骨架4上端中心孔中，上导磁体10上端与顶杆9过盈连接，超磁致伸缩棒13上端与上导磁体10下端接触，碟簧12小径端与上导磁体10接触；

2）开关阀：包括阀口板5、悬臂梁阀芯8、悬臂梁盖11、阀盖7和密封垫6；阀口板5开有上端小而下端大的阶梯中心孔，阀口板5一侧面开有腰形阀口，腰形阀口外侧开有径向出气孔，阀口板5安装在外壳3上端面，碟簧12大径端与阀口板5大中心孔上端面接触，所述顶杆9装在阀口板5小中心孔内，悬臂梁盖11盖在悬臂梁阀芯8的固定端与阀口板5上不开腰形阀口的一端螺纹连接，悬臂梁阀芯8的自由端盖在腰形阀口上，阀口板5上面经密封垫6与阀盖7连接，阀盖7上开有进气孔。

所述的上导磁体10、导磁套14和下导磁体1构成导磁回路。皆由导磁材料DT4制成。

所述的顶杆9、悬臂梁阀芯8和悬臂梁盖11构成位移放大机构。

所述的下导磁体1、调节螺栓15、上导磁体10和碟簧12构成预压调节机构。

所述的悬臂梁阀芯8使用弹簧钢材料制成，为一矩形截面变截面形式楔形的悬臂梁，固定端有孔用于悬臂梁阀芯固定，固定端较厚，与自由端厚度比为1.5~2。阀芯与位移放大机构合二为一。

所述的阀口板5、线圈骨架4、顶杆9均由和超磁致伸缩材料热膨胀系数接近的无磁合金钢4J78制成。

下导磁体1上端和上导磁体10下端各有一超磁致伸缩棒13限位用的圆槽，上导磁体10为阶梯轴状。

所述的顶杆9头部呈一圆锥形。

本发明的工作原理：

结合图1、图2、图3、图4、图5，在有预压力的作用下，超磁致伸缩棒13能获得更大的输出应变，通过拧动调节螺栓15，在碟簧12的作用下，给超磁致伸缩棒13施加预压力，同时，推动顶杆9接触到悬臂梁阀芯8的下表面。驱动线圈2接外电路产生激励磁场，超磁致伸缩棒13在驱动线圈2产生的激励磁场作用下，输出应变和力，通过上导磁体10传递到顶杆9，推动悬臂梁阀芯8产生位移，经过悬臂梁阀芯8的位移放大作用后，打开阀口，气体从阀盖7上的进气孔进入，从阀口板5上的出气孔流出；当励磁电流为零，超磁致伸缩棒13在没有外磁场作用下，恢复原长，顶杆9和上导磁体10在碟簧12的力作用下复位，悬臂梁阀芯8依靠自身的变形力复位，同时在气体背压作用下，悬臂梁阀芯8下底面和阀口板5阀口平面紧紧贴合，形成平面密封，达到密闭阀口的作用。阀口板5和阀盖7在螺纹力作用下紧压密封垫6，从而密封整个阀。

超磁致伸缩棒13在工作时会发热，因发热导致的热变形位移输出相对其可控位移而言将处于同一数量级，线圈骨架4所采用的材料的热膨胀系数接近于超磁致伸缩棒13的热膨胀系数，线圈骨架4和超磁致伸缩棒13同时受热，产生相等的热伸长，从而抵消超磁致伸缩棒13热伸长的输出，使得到的输出位移基本上是由于驱动线圈2产生磁场作用下的超磁致伸缩棒13的磁致伸缩位移。

Claims (5)

1.一种超磁致伸缩驱动的气动高速开关阀，其特征在于：包括超磁致伸缩驱动器和开关阀；其中：

1）超磁致伸缩驱动器：包括外壳（3）、驱动线圈（2）、工字型线圈骨架（4）、顶杆（9）、超磁致伸缩棒（13）、上导磁体（10）、碟簧（12）、导磁套（14）、下导磁体（1）和调节螺栓（15）；外壳（3）内同轴安装导磁套（14），导磁套（14）内装有绕有驱动线圈（2）的工字型线圈骨架（4），下导磁体（1）台阶小端插入工字型线圈骨架（4）下端中心孔中，工字型线圈骨架（4）下端与下导磁体（1）台阶大端面连接，调节螺栓（15）装在下导磁体（1）内，超磁致伸缩棒（13）置于工字型线圈骨架（4）中心孔内，超磁致伸缩棒（13）下端与调节螺栓（15）接触，上导磁体（10）下端插入工字型线圈骨架（4）上端中心孔中，上导磁体（10）上端装有顶杆（9），超磁致伸缩棒（13）上端与上导磁体（10）下端接触，碟簧（12）小径端与上导磁体（10）接触；

2）开关阀：包括阀口板（5）、悬臂梁阀芯（8）、悬臂梁盖（11）、阀盖（7）和密封垫（6）；阀口板（5）开有上端小而下端大的阶梯中心孔，阀口板（5）一侧面开有腰形阀口，腰形阀口外侧开有径向出气孔，阀口板（5）安装在外壳（3）上端面，碟簧（12）大径端与阀口板（5）大中心孔上端面接触，所述顶杆（9）装在阀口板（5）小中心孔内，悬臂梁盖（11）盖在悬臂梁阀芯（8）的固定端，悬臂梁盖（11）与阀口板（5）上不开腰形阀口的一端连接，悬臂梁阀芯（8）的自由端盖在腰形阀口上，阀口板（5）上面经密封垫（6）与阀盖（7）连接，阀盖（7）上开有进气孔。

2.根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩驱动的气动高速开关阀，其特征在于：所述的上导磁体（10）、导磁套（14）和下导磁体（1）构成导磁回路。

3.根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩驱动的气动高速开关阀，其特征在于：所述的顶杆（9）、悬臂梁阀芯（8）和悬臂梁盖（11）构成位移放大机构。

4.根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩驱动的气动高速开关阀，其特征在于：所述的下导磁体（1）、调节螺栓（15）、上导磁体（10）和碟簧（12）构成预压调节机构。

5.根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩驱动的气动高速开关阀，其特征在于：所述的悬臂梁阀芯（8）为一矩形变截面的悬臂梁，固定端与自由端厚度比为1.5~2。

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