CN103016434A - 基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动伺服阀 - Google Patents

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Abstract

本发明属于液压气动伺服控制技术领域，发明了一种新型的基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动伺服阀。压电陶瓷驱动液压位移放大结构的大活塞，在小活塞上得到放大的的位移输出，推动滑阀阀芯运动。相比传统的电液伺服阀，具有如下优点：1.位移放大作用，克服了以往压电陶瓷材料输出位移小的缺点，便于实现大流量伺服阀的制造；2.膜片式大活塞设计，避免了传统活塞大质量、大惯性负载对压电陶瓷驱动器的输入位移和动态响应速度的影响；3.膜片式活塞惯性小，固有频率高，动态性能高；4.椭圆形柔性铰链膜片的设计，同时保证强度和刚度要求；5.小活塞与阀芯非固连，同轴度容易保证，避免固连结构同轴度问题带来的摩擦、卡紧的现象。

Description

基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动伺服阀
技术领域
本发明属于液压气动伺服控制技术领域，涉及一种新型的基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动伺服阀。
背景技术
电液伺服系统在航空、航天、工业及国防应用等方面有着举足轻重的地位和不可替代的作用。电液伺服阀作为电液伺服系统中的核心控制元件，其性能及可靠性对整个伺服系统影响巨大。传统的先导级伺服阀难以取得高的动态响应，对油液的清洁度要求较高。现有的压电陶瓷直接驱动伺服阀一般阀芯位移很小，控制流量很小，难以满足实际应用的要求。
发明内容
本发明为解决现有伺服阀工作当中存在的问题，针对压电陶瓷驱动器输出位移很小、输出力大的特点，设计了一种液压微位移放大结构，并在此基础上设计了压电陶瓷直接驱动阀，实现了大流量、高频响的要求。具有很高的应用价值。
本发明的技术方案：
本发明设计的基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动阀采用压电陶瓷驱动器驱动液压微位移放大结构，推动伺服阀阀芯运动，同时压缩蝶形弹簧，为反向运动时提供回复力。阀芯装有位移传感器，实现阀芯位置的闭环控制，具有很高的精度和分辨率。
所设计的液压微位移放大结构是基于容积控制的原理。该结构由大活塞、小活塞、密闭容腔和压力调节及测量装置组成。大活塞端输入一定的位移，改变密闭容腔内油液的体积和压力形态，在小活塞端就会产生与大活塞端输入位移成一定比例的放大的位移输出。放大倍数接近大、小活塞的面积比。通过设计和调节密闭容腔的初始压力及初始体积，可以使液压微位移结构获得合适的输入、输出刚度以及很高的动态特性。
所设计的液压微位移放大结构的大活塞采用膜片式的结构，避免了采用传统活塞结构形式带来的大质量、大负载的问题。而柔性铰链式的膜片结构可以在保证强度的同时，使刚度更小，从而取得较大的输入位移。
本发明的优点是：
1.结构简单，加工精度低，控制方式灵活，便于实现余度。
2.液压位移放大结构的设计放大了压电陶瓷驱动器的输出位移，放大倍数接近大小活塞的面积比，使阀的控制流量增加。
3.整体结构采取非固连式结构，避免了压电陶瓷与运动件连接时，由于拉伸或扭转带来的故障和损坏。
4.膜片式结构相比传统的活塞结构，降低了质量、惯性力负载和摩擦力。提高了压电陶瓷输出能力，同时提高了密封性能。
5.柔性铰链膜片相比刚性膜片，解决了刚度和强度矛盾的问题。同时具有很高的动态频率。
附图说明
图1是本发明基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动阀整体结构图。
图2是本发明液压微位移放大结构的原理图。
图3是本发明柔性铰链膜片式大活塞的结构图和剖视图。
图4是本发明动密封式小活塞的结构图和剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的液压微位移放大式压电陶瓷直接驱动阀做进一步详细说明。
本发明设计了一种基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动阀，其结构图如图1所示，该伺服阀主要包括电涡流式位移传感器、功率滑阀、液压微位移放大结构和压电陶瓷四部分。
图1中，压电陶瓷驱动液压微位移放大结构的大面积活塞运动，在小面积活塞上得到与面积比成比例的放大的位移输出，驱动功率滑阀阀芯运动。功率滑阀另一端有电涡流式位移传感器，用来采集阀芯位置信号，对阀芯位移进行闭环控制。
图2为液压位移放大结构的原理图。大面积活塞运动一段位移，改变密闭腔内流体的压力及体积形态，同时压力的变化将驱动小面积活塞产生与大面积活塞运动位移成一定比例的放大了的位移输出。
图3左中所示为柔性铰链膜片式大活塞的结构图。与传统的刚性活塞不同，采用的是膜片式的活塞结构，若采用传统的刚性活塞，由于动密封的要求，活塞的厚度和质量不能做到很小，高速运动时，压电陶瓷驱动器需要克服很大的惯性力以及密闭腔内流体作用在活塞上的压力。该负载合力过大会大大降低压电陶瓷驱动器的输出位移和动态响应速度。采用膜片式的结构，降低了活塞的质量，消除摩擦力，同时膜片初始位置的弹性变形力可以有效的抵消作用其上面的密闭腔内流体的压力。最终降低压电陶瓷驱动器的负载，同时提高密闭腔的密封性能。
图3右中所示为柔性铰链膜片式大活塞的剖视图。刚度和强度是膜片主要的两个性能指标，刚性的膜片，其刚度和强度都主要由膜片厚度决定，但互相矛盾。要保证刚度小，最大允许变形量大于压电陶瓷驱动器最大位移输出的情况下，膜片的厚度会很小，从而导致刚度很低，工作中容易损坏。图3所示的柔性铰链膜片可以很好的解决刚度和强度矛盾的问题。中间为硬芯式的圆盘平膜结构，与外侧固定端相连的是柔性铰链式的变形结构。通过结构设计和参数优化，既可以保证其刚度和强度，同时可以获得很高的固有频率。
图4为小活塞的结构剖视图。其输出力小、输出位移很大，采用膜片式的结构难以获得满意的结果，由于其面积和质量很小，负载力不是很大，因此采用传统的刚性活塞结构。活塞一端与密闭腔相连，密闭腔内液体的压力作用于其上，推动活塞运动，同时另一端采用球型头、非固连式结构，推动滑阀阀芯运动。球型的点接触结构可以保证阀芯不受侧向及旋转方向的力，避免阀芯卡紧等现象。采用中空的结构降低其质量和负载力。活塞的外端加工精度很高，与动密封结构相接触，保证活塞运动时，系统的密封性能。

Claims (8)

1.一种新型的基于液压放大的压电陶瓷直接驱动伺服阀，其特征在于：利用面积大小不同的两个活塞，密封一段液体，通过压力调节、监测装置调节密闭腔内液体的压力。压电陶瓷与大面积活塞点接触，小面积活塞与滑阀阀芯直接相连。当压电陶瓷通电伸长时，推动大面积的活塞运动，挤压封闭腔内的流体。通过压力和体积变化将运动传递到小面积的活塞上，使其推动滑阀阀芯运动，同时挤压阀芯另一端的蝶形弹簧。当压电陶瓷收缩时，液压密封腔内形成“负压力差”以及蝶形弹簧提供阀芯反方向的运动力。使滑阀阀芯完成两个方向的运动。滑阀阀芯与压电陶瓷的位移具有比例对应关系，其比例大小为大小两个活塞的面积比。本发明的结构包括：1、柔性铰链膜片；2、液压密闭腔；3、动密封小活塞；4、压力调节、测量装置。 
2.根据权利要求书1所述的大面积活塞采用柔性铰链膜片结构，其特征在于：柔性铰链膜片圆盘形结构，上、下表面加工有对称的椭圆槽。采用铍青铜的材料。柔性铰链膜片可以实现两个方向的运动，与驱动器接触，由于其特殊的铰链结构，尺寸小、无运动摩擦、刚度小。很好的解决了大面积活塞的驱动问题，降低了压电陶瓷驱动器的负载和密封的难度。使得驱动端可以获得较大的位移输出和较高的动态响应。 
3.根据权利要求书1所述的液压密闭腔，其特征在于：液压密闭腔内的流体受大活塞的挤压产生压力和体积的变化，液压密闭腔的 体积不应过大，以免影响放大结构的动态性能。 
4.根据权利要求书1所述的动密封小活塞，其特征在于：小活塞在密闭腔油液压力的作用下推动阀芯运动，小活塞与活塞壁采用动密封的形式。密封压力和速度。 
5.根据权利要求书1所述的压力调节、监测件，其特征在于：液压密闭腔内的压力大小对系统性能有重要影响，集压力调节与检测于一体的调节装置，具有调节密闭腔内油液压力的作用，同时上端的压力传感器可以实时监测密闭腔内油液的压力。 
6.根据权利要求书1所述的基于液压放大的压电陶瓷直接驱动伺服阀，其特征在于：具有常规压电陶瓷直驱阀的优点，同时由于液压微位移放大机构的作用，使得阀芯位移放大，滑阀控制流量增大。 
7.根据权利要求书1所述的基于液压放大的压电陶瓷直接驱动伺服阀，其特征在于：压电陶瓷与滑阀阀芯之间加入液压位移放大环节，压电陶瓷与柔性铰链膜片式大活塞之间采取非固连式结构，小活塞与滑阀阀芯采取非固连结构。避免了压电陶瓷驱动器与阀芯直接固连时，由于拉力及扭转所带来的压电陶瓷故障。 
8.根据权利要求书1所述的基于液压放大的压电陶瓷直接驱动伺服阀，其特征在于：大活塞和小活塞的面积比接近位移的放大倍数。 
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