CN103867628B - 一种使用形状记忆合金的液压缓冲装置 - Google Patents

Abstract

一种使用形状记忆合金的液压缓冲装置，利用伪弹性形状记忆合金拉杆的单轴拉伸进行耗能和复位，通过液压装置中大活塞与小柱塞的面积比实现位移放大的功能。当形状记忆合金拉杆发生一个较小的变形，即大活塞相对液压缸发生一个较小的位移时，与外界联接的小柱塞就会相对液压缸发生一个较大的位移，实现对外界冲击的缓冲作用。本发明一方面缓冲行程大，另一方面形状记忆合金杆应力状态简单、均匀，相变利用率高，能量耗散大。缓冲过程作用力稳定，可及时复位，可连续重复使用，适用于军用、民用的重要装备的缓冲保护。

Description

一种使用形状记忆合金的液压缓冲装置

技术领域

本发明涉及一种缓冲装置，尤其是涉及一种利用形状记忆合金耗能和复位的液压缓冲装置。

背景技术

在机械、车辆及抗震建筑中大量的使用缓冲装置。最简单的缓冲装置就是弹簧，但是通常其阻尼系数较低，不能很快的衰减震荡，容易造成多次冲击等问题，需要与其它阻尼部件复合使用。依照缓冲器与速度、位移的关系，可以大致分为速度型、位移型及混合型缓冲器。速度型缓冲器如常见的油压缓冲器，作用力在不同冲击速度下差距较大，超出一定速度限制时会出现缓冲力过大的情况。利用金属弹塑性变形、摩擦力等原理进行缓冲耗能的装置，属于位移型缓冲器，在汽车防撞、建筑物抗震等领域使用较多，但通常难以实现自动复位，限制了使用范围。

形状记忆合金是一种应用较为广泛的智能材料，其变形受温度和应力的双重控制。当其温度高于马氏体向奥氏体相变的完成点时，材料处于伪弹性状态，可以提供为普通钢材弹性限数十倍的可恢复相变应变，及与之对应的应力平台，且在加卸载过程中滞回耗能。当温度低于马氏体向奥氏体相变的起始温度时，材料处于形状记忆状态，此时的力学性质类似于弹塑性，当加载超过一定变形时，会有残余应变，但是通过加热处理可以恢复到初始的状态。形状记忆状态有更低的应力平台，并且加载过程的能量可以几乎全部吸收。根据这一特性，出现了多种利用形状记忆合金进行缓冲、耗能的装置，主要是利用合金丝的拉伸机制，但是这些装置普遍缓冲行程较小，难以应用于工程实践。而还有一些设计试图利用记忆合金构件如合金梁、合金壳的弯曲变形机制进行缓冲耗能，虽然可以获得相对较大的行程，但是材料只在局部充分相变，利用率较低。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种使用形状记忆合金的液压缓冲装置，充分了发挥形状记忆合金的变形与耗能能力，具有大行程、稳定出力、可回复等性能的液压缓冲装置。

本发明技术解决方案：一种使用形状记忆合金的液压缓冲装置，基本措施是：在传统的油压缓冲器的基础上，利用伪弹性形状记忆合金拉杆的单轴拉伸进行耗能和复位，通过液压装置中大活塞与小柱塞的面积比实现位移放大的功能。当形状记忆合金拉杆发生一个较小的变形，即大活塞相对液压缸发生一个较小的位移时，与外界联接的小柱塞就会相对液压缸发生一个较大的位移，实现对外界冲击的缓冲作用。

本发明，一种使用形状记忆合金的液压缓冲装置，主要包括液压缸体，液压油，大活塞、小柱塞、形状记忆合金拉杆、紧固螺母等部件。液压缸体一端有一面积较小的密封孔，与小柱塞配合，在这一端的周围还有对称分布的安装孔，另一端有一面积较大的密封孔，与大活塞配合，两个密封孔的面积比为5～15倍左右。大活塞的一端周围也有对称分布的安装孔，与液压缸体上的安装孔对应。形状记忆合金拉杆两端有螺纹，中间平行段直径小于两端螺纹段的直径，平行段与螺纹段之间平滑过渡。将整个液压缸体内的空腔注满液压油，形状记忆合金拉杆两端分别通过紧固螺母固定在液压缸体和大活塞的安装孔。当外界冲击通过小柱塞传入时，液体压力促使大活塞和液压缸体发生相对位移，带动形状记忆合金拉杆发生拉伸变形，起到缓冲的作用。卸载时，形状记忆合金拉杆变形恢复，带动整个装置回到初始位形。在形状记忆合金拉杆的拉伸与卸载过程中，产生应力和应变的滞回曲线，消耗冲击能量。同时，小柱塞在液压缸中的运动也会起到一定的阻尼耗能作用，调整小柱塞头部的形状，或者在液压缸中设置其它的限流装置，可以调节液体阻尼力的大小。

本发明的一种改进是，一种分离式形状记忆合金液压缓冲装置，所述装置由缓冲液压缸，耗能液压缸和联接管件三个部分构成，装置所有空腔均注满液压油；缓冲液压缸包括小活塞和小液压缸体，安装在需要缓冲保护的位置；耗能液压缸包括大液压缸体，大活塞，形状记忆合金拉杆，紧固螺母，安装在其它任何方便的位置；大液压缸体的一端周围有对称分布的安装孔，另一端有一面积较大的密封孔，与大活塞配合；大活塞的一端周围也有对称分布的安装孔，与大液压缸体上的安装孔对应；形状记忆合金拉杆两端分别通过紧固螺母固定在液压缸体和大活塞的安装孔；大活塞与小活塞的有效面积比为5～15；小液压缸体和大液压缸体上各有一油孔与联接管件装配，实现缓冲液压缸与耗能液压缸的联通。工作时，在外界冲击作用下，缓冲液压缸的小活塞和小液压缸体发生相对位移，部分液压油通过联接管件压入耗能液压缸，导致大活塞和大液压缸体发生相对位移，形状记忆合金拉杆被拉伸，实现缓冲、耗能作用；外界冲击结束以后，形状记忆合金拉杆恢复原状，带动大活塞和大液压缸体回复到原来位置，部分液压油通过联接管件重新流入缓冲液压缸，促使小活塞和小液压缸也恢复到初始位置。所述装置的缓冲液压缸，根据小活塞和油孔的相对位置，可以是压缩型，即在小活塞和小液压缸体相对压缩时将液压油排出，压入耗能液压缸；也可以是拉伸型，即在小活塞和小液压缸体相对拉伸时将液压油排出，压入耗能液压缸；还可以是压缩型和拉伸型串联，构成拉压型，即相对初始位置发生任何的位移均可将液压油排出，压入耗能液压缸。

还可以对本发明装置进行另外一种智能化的改进。在液压缸体上安装速度探测器，用来检测外界冲击的速度，从而判定冲击正在发生或者已经结束；使用常温下处于形状记忆状态的形状记忆合金拉杆，在形状记忆合金拉杆上贴应变片用于检测拉杆变形，并包裹加热电阻；速度探测器和应变片的信号输入到控制器，根据预定算法输出对加热电路的控制信号；所述预定算法实现为：等待状态下，形状记忆合金拉杆保持为形状记忆状态，判定冲击已经结束后，若检测到形状记忆合金拉杆有残余变形，则启动加热装置，直到形状记忆合金拉杆变形恢复，系统重新恢复为等待状态。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）在本发明装置中，形状记忆合金拉杆处于单轴拉伸状态，应力状态简单、均匀，材料利用率高。相比其它直接使用形状记忆合金丝拉伸耗能的装置，位移有了显著提高，有利于工程实际使用。通过改变两个活塞的面积比，可以灵活调整装置的出力大小和行程。对不同的冲击速度，作用力不会有显著变化，不会出现缓冲力过大的情况。当加载结束时，材料发生逆相变，没有残留变形，装置完全复位，可重复连续使用。

（2）本发明的一种改进形式，即分离式结构，可以减小缓冲液压缸的径向尺寸，使之容易安装到相对狭小的空间，而耗能液压缸可以安装到其它方便的位置。分离式结构还便于进行模块化的设计，可以方便的设计出压缩型、拉伸型及拉压型等多种型号，也方便从市场上采购相关部件，减少加工量。

（3）本发明的另一种智能化改进在上述基础上，使用形状记忆状态的记忆合金拉杆，在缓冲过程中下并不立即恢复，外界冲击能量被完全吸收，避免造成二次冲击，判定冲击结束以后再根据拉杆变形情况加热恢复。

附图说明

图1为本发明的一个基本型号的实施例：形状记忆合金液压缓冲装置的结构示意图;

图2为本发明的一种改进后的实施例：分离式压缩型形状记忆合金液压缓冲装置;

图3为本发明中分离式缓冲装置的压缩型缓冲液压缸;

图4为本发明中分离式缓冲装置的拉伸型缓冲液压缸

图5为本发明中分离式缓冲装置的拉压型缓冲液压缸

图6为本发明的另一种改进后的实施例：智能型形状记忆合金液压缓冲装置。

图中：1-液压缸体，1A-大液压缸体，2-液压油，3-大活塞，4-小柱塞，4A-压缩型小活塞，4B-拉伸型小活塞，5-形状记忆合金拉杆，6-紧固螺母，7A-压缩型小液压缸体，7B-拉伸型小液压缸体，7C-拉压型小液压缸体，8-联接管件，9-转接管，101-速度探测器、102-外界冲击物、103-应变片、104-加热电阻、105-控制器、106-加热电源。

具体实施方式

下面结合技术方案和参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明的一种基本型号的实施例，一种使用形状记忆合金的液压缓冲装置，如图1所示，包括液压缸体1，液压油2，大活塞3、小柱塞4、形状记忆合金拉杆5、紧固螺母6等部件。

液压缸体1一端中心有一面积较小的密封孔，与小柱塞4配合，在这一端周围还有对称分布的安装孔，另一端为一面积较大的密封孔，与大活塞3配合，大活塞与小柱塞的的面积比，也就是大密封孔与小密封孔的面积比为5～15倍左右。大活塞3一端边缘有呈圆周对称分布的安装用阶梯孔，分布位置与液压缸体1的安装孔对应。小柱塞4一端有凸台，用于限位。形状记忆合金拉杆5两端有螺纹，与紧固螺母6配合，起固定作用，形状记忆合金拉杆5的中间平行段直径小于两端螺纹段的直径，平行段与螺纹段之间平滑过渡，保证不出现应力集中。

如图1，将小柱塞4插入液压缸体1的较小的密封孔中，有凸台的一端朝里，大活塞3插入液压缸体1的另一个密封孔中，将整个液压缸空腔注满液压油2，协调大活塞3上的系列阶梯孔和液压缸体上的系列通孔，使之处于同轴的位置，形状记忆合金拉杆5穿过对应的安装孔，两端用紧固螺母6拧紧固定。

当外界冲击通过小柱塞4传入时，液体压力促使大活塞3和液压缸体1发生相对位移，带动形状记忆合金拉杆5发生拉伸变形，起到缓冲的作用。卸载时，形状记忆合金拉杆5变形恢复，带动整个装置回到初始位形。在形状记忆合金拉杆5的拉伸与卸载过程中，产生应力和应变的滞回曲线，消耗冲击能量。同时，小柱塞4在液压油2中运动时也会产生一定的液体阻尼力，辅助耗能，调整小柱塞4端部凸台的形状，或者在液压缸体1中设置其它的限流装置，可以调节液体阻尼力的大小，这部分属于传统油压缓冲器的内容，此处不再赘述。

本发明的一种改造后的实施例：分离式形状记忆合金液压缓冲装置，包括缓冲液压缸、耗能液压缸及联接管件等三个部分，根据缓冲液压缸的不同，可以有压缩型、拉伸型和拉压型三种型号，下面以图2所示的分离式压缩型形状记忆合金液压缓冲装置为例进行详细说明。图2中，压缩型小活塞4A和压缩型小液压缸体7A构成压缩型缓冲液压缸，安装在需要缓冲的位置，负责对外出力。大液压缸体1A，大活塞3，形状记忆合金拉杆5，紧固螺母6组成耗能液压缸，可以安装在其它任何方便的地方。大液压缸体1A的一端周围有对称分布的安装孔，另一端有一面积较大的密封孔，与大活塞3配合；大活塞3的一端周围也有对称分布的安装孔，与大液压缸体1A上的安装孔对应；形状记忆合金拉杆5两端分别通过紧固螺母6固定在大液压缸体1A和大活塞3的安装孔；大活塞3与压缩型小活塞4A的有效面积比为5～15；压缩型小液压缸体7A和大液压缸体1A上各有一油孔与联接管件8装配，实现缓冲液压缸与耗能液压缸的联通。工作时，在外界冲击作用下，缓冲液压缸的压缩型小活塞4A和压缩型小液压缸体7A发生相对位移，部分液压油通过联接管件8压入耗能液压缸，导致大活塞3和大液压缸体1A发生相对位移，形状记忆合金拉杆5被拉伸，实现缓冲、耗能作用；外界冲击结束以后，形状记忆合金拉杆5恢复原状，带动大活塞3和大液压缸体1A回复到原来位置，部分液压油通过联接管件8重新流入缓冲液压缸，促使压缩型小活塞4A和压缩型小液压缸体7A也恢复到初始位置。

所述分离式缓冲装置的缓冲液压缸，根据小活塞和小液压缸油孔的相对位置，可以是压缩型的，如图3所示，即在压缩型小活塞4A和压缩型小液压缸体7A相对压缩时将液压油排出，压入耗能液压缸；也可以是拉伸型，如图4所示，即在拉伸型小活塞4B和拉伸型小液压缸体7B相对拉伸时将液压油排出，压入耗能液压缸；还可以是压缩型和拉伸型串联，构成拉压型，如图5所示，拉压型小液压缸体7C有两个缸室，分别装配压缩型小活塞4A和拉伸型小活塞4B，两个液压油出口，通过转接管9共用一个出口与联接管件8接口，当压缩型小活塞4A、拉伸型小活塞4B相对初始位置有任何移动时，液压油2通过联接管件8压入耗能液压缸，起到缓冲耗能的作用。

本发明的另一种改造后的实施例，智能型形状记忆合金液压缓冲装置，如图6。在图1所示的基本型的实施例的基础上增加了一些部件，具体的改动包括：在液压缸体1上安装速度探测器101，用来检测外界冲击物102的速度，以此判定冲击正在发生或者已经结束。使用常温下处于形状记忆状态的拉杆5，在拉杆5上贴应变片103，并包裹加热电阻104，加热电阻104与加热电源106形成回路。速度探测器101和应变片103的信号输入到控制器105，根据预定算法输出对加热电源106的控制信号，通过加热电阻104的工作实施对拉杆5的温度控制。

本改进后的实施例中涉及到的具体控制算法为：等待状态下，形状记忆合金拉杆5保持为形状记忆状态，当速度探测器101检测到冲击发生，并判定冲击已经结束，若应变片103检测到残余变形，则控制器105启动加热电源106，加热电阻104开始工作，直到形状记忆合金拉杆5的变形恢复，系统恢复为等待状态。

总之，本发明通过形状记忆合金杆与液压装置的结合，一方面缓冲行程大，另一方面形状记忆合金杆应力状态简单、均匀，相变利用率高，能量耗散大。缓冲过程作用力稳定，可及时复位，可连续重复使用，适用于军用、民用的重要装备的缓冲保护。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种使用形状记忆合金的液压缓冲装置，其特征在于：所述装置包括液压缸体，大活塞、小柱塞、形状记忆合金拉杆、紧固螺母；液压缸体一端有一面积较小的密封孔，与小柱塞配合，在这一端的周围还有对称分布的安装孔，另一端有一面积较大的密封孔，与大活塞配合，两个密封孔的面积比为5～15倍；大活塞的一端周围也有对称分布的安装孔，与液压缸体上的安装孔对应；将整个液压缸体中的空腔注满液压油，形状记忆合金拉杆两端分别通过紧固螺母固定在液压缸体和大活塞的安装孔。

2.一种分离式形状记忆合金液压缓冲装置，其特征在于：所述装置由缓冲液压缸，耗能液压缸和联接管件三个部分构成，装置所有空腔均注满液压油；缓冲液压缸包括小活塞和小液压缸体，安装在需要缓冲保护的位置；耗能液压缸包括大液压缸体，大活塞，形状记忆合金拉杆，紧固螺母，安装在其它任何方便的位置；大液压缸体的一端周围有对称分布的安装孔，另一端有一面积较大的密封孔，与大活塞配合；大活塞的一端周围也有对称分布的安装孔，与大液压缸体上的安装孔对应；形状记忆合金拉杆两端分别通过紧固螺母固定在液压缸体和大活塞的安装孔；大活塞与小活塞的有效面积比为5～15；小液压缸体和大液压缸体上各有一油孔与联接管件装配，实现缓冲液压缸与耗能液压缸的联通；工作时，在外界冲击作用下，缓冲液压缸的小活塞和小液压缸体发生相对位移，部分液压油通过联接管件压入耗能液压缸，导致大活塞和大液压缸体发生相对位移，形状记忆合金拉杆被拉伸，实现缓冲耗能作用；外界冲击结束以后，形状记忆合金拉杆恢复原状，带动大活塞和大液压缸体回复到原来位置，部分液压油通过联接管件重新流入缓冲液压缸，促使小活塞和小液压缸也恢复到初始位置。

3.根据权利要求1或2所述的液压缓冲装置，其特征在于：所述形状记忆合金拉杆两端有螺纹，中间平行段直径小于两端螺纹段的直径，平行段与螺纹段之间平滑过渡。

4.根据权利要求1或2所述的液压缓冲装置，其特征在于：在权利要求1所述液压缸体上，或者在权利要求2所述的小液压缸体上，安装速度探测器，用来检测外界冲击的速度，从而判定冲击正在发生或者已经结束；使用常温下处于形状记忆状态的形状记忆合金拉杆，在形状记忆合金拉杆上贴应变片用于检测拉杆变形，并包裹加热电阻；速度探测器和应变片的信号输入到控制器，根据预定算法输出对加热电路的控制信号；所述预定算法实现为：等待状态下，形状记忆合金拉杆保持为形状记忆状态，判定冲击已经结束后，若检测到形状记忆合金拉杆有残余变形，则启动加热装置，直到形状记忆合金拉杆变形恢复，系统重新恢复为等待状态。