CN104343928A

CN104343928A - 基于液态金属的液压传动装置

Info

Publication number: CN104343928A
Application number: CN201310329862.4A
Authority: CN
Inventors: 周远; 刘静
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-11

Abstract

本发明涉及液压传动领域，尤其涉及一种基于液态金属的液压传动装置，其包括作用于传动介质的动力源、管道（1）和设于所述管道（1）内的出力活塞（5），所述管道（1）内充注有作为传动介质的液态金属（11）。采用本发明的方案有如下优点：（1）力学性能优异，可通过控制液态金属流动来获得极为优异的大比例动力传输，液态金属的密度远高于常规流体如水、油等，因而能承载的压力比更高；（2）承载温度高，传统的水介质在100℃即会沸腾，从而导致系统性能难以持续稳定，而液态金属由于沸点可高达2300℃以上，因而本发明的系统可在极高的温度下实现液压传动。

Description

基于液态金属的液压传动装置

技术领域

本发明涉及液压传动领域，尤其涉及一种基于液态金属的液压传动装置。

背景技术

液压传动属于流体（液体和气体）传动中的一种，广泛应用于工业生产、冶金轧钢、重型施工机械、车辆动力、起重机、挖掘搬运机构、航空航天、机械自动化、日常生活、机器人、人工肌肉乃至微流控系统等机电液一体化应用领域，其水平的高低已成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志。液压传动装置中最为核心的机构在于液压传动单元。液压传动的基本原理在于利用液压泵将原动机的机械能转化为液体的压力能，在此过程中，借助于各种控制阀和管路的传递，电气控制机构适时调整和改变横截面积不同的液压管道系统内的液体流量分布和动力，来达到对各个分系统内对应单元的流量、压力及功率进行调整，进而操控工作机构的目的。

在液压传动系统各单元中，最为重要的工作介质之一是充当力传输介质的液体工质，其作用在于传递动力、润滑内部机构、降低摩擦、防锈及散热等（李松晶、阮健、弓永军，先进液压传动技术概论，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008）。迄今为止，国内外应用于液压传动系统中的液体介质均未超越传统的水、油等介质的范畴。然而，由于这类液体的自身属性，如：密度低、导热差、易蒸发变质等，相应液体介质的工作性能均远未达到理想。一些情况下，常规流体如油液易于出现污染；水则因蒸发泄露会导致液压传动失效，而且水还存在黏度低、汽化压力高等问题，在高温下不适合工作。

通常，液压传动的能力与液体介质的密度高低密切相关，密度越大，传力系统承载的动力比越高，而且，一个优异的液压传动系统往往要求液体同时具备优良的润滑、导热等特性。基于上述考虑，从有别于传统液压技术的思路出发，需提供一种概念崭新的液压传动系统，将室温附近处于液态的金属流体引入到液压传动单元内作为传输动力的工作介质，以实现性能卓越的液压传动，在此基础上可进一步制成各种复杂的动力机构。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有液压传动系统承载能力低且不适合高温工作的问题。

（二）技术方案

为达上述目的，本发明提供一种基于液态金属的液压传动装置，包括作用于传动介质的动力源、管道和设于所述管道内的出力活塞，所述管道内充注有作为传动介质的液态金属。

优选地，所述动力源为设于所述管道内的动力活塞，所述动力活塞由动力活塞驱动机构驱动。

优选地，所述液态金属为镓铟合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓锡铅合金、铋铟锡合金、铋锡合金、钠钾合金或水银。

优选地，所述管道的材质为铝、铜、不锈钢、钛、镍、镍钛合金、玻璃、陶瓷、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丁烯、ABS工程塑料、聚亚安酯、橡胶或聚二甲基硅氧烷。

优选地，所述动力源为电磁泵。

优选地，所述液态金属中添加尺寸为1-900nm的磁性纳米颗粒；所述磁性纳米颗粒为Fe、Ni、Co、Gd、Fe₃O₄、CoFe₂O₄、ZnFe₂O₄或MnZnFe₂O₄。

优选地，所述液压传动装置还包括控制机构、压力传感器和温度传感器，所述压力传感器将检测到液态金属的压力信号传递给所述控制机构，所述温度传感器将检测到液态金属的温度信号传递给所述控制机构。

优选地，所述液压传动装置还包括加热器和冷却器，所述加热器根据所述控制机构发送的加热信号对液态金属进行加热，所述冷却器根据所述控制机构发送的冷却信号对液态金属进行冷却。

优选地，所述管道内设有阀门；

优选地，所述管道设有出力活塞的一段为第一管道，所述液压传动装置包括多段并联的第一管道。

（三）有益效果

本发明采用上述技术方案提供的基于液态金属的液压传动装置，以液态金属作为传动介质，具有如下优点：

（1）力学性能优异，可通过控制液态金属流动来获得极为优异的大比例动力传输，液态金属的密度远高于常规流体如水、油等，因而能承载的压力比更高；

（2）承载温度高，传统的水介质在100℃即会沸腾，从而导致系统性能难以持续，而液态金属由于沸点可高达2300℃以上，因而本发明的方案可在极高的温度下实现液压传动；

（3）机械润滑能力强，液态金属的低黏度特性极有利于传动系统内活塞与管道之间的润滑；

（4）系统稳定可靠，寿命长，液态金属由于热导率高出常规流体数个量级，因而可高效地将液压传动系统内由于持续运动产生的热量迅速排散出去，这对于确保整个系统的安全可靠运行极为有利；

（5）节能安静，液态金属由于是优良的导电液体，因而可通过电磁方式驱动，这在节能、降低噪音和振动、提高系统可靠性和快速响应方面极有优势，此时动力活塞甚至可以省去，只需通过电磁泵即可驱动液态金属在相应管道内的运动，继而将能量传输到出力活塞输出所需的压力和功率；

（6）环保，维护方便，液态金属由于是封闭运行，因而对环境不会造成影响，且其性质稳定，易于维护，是一种十分环保、使用方便的流体传动介质。

附图说明

图1是本发明的管道呈串联型的基于液态金属的液压传动装置示意图；

图2是本发明的管道呈并联型的基于液态金属的液压传动装置示意图。

其中，1：管道；2：阀门；3：连接件；4：分隔件；5：出力活塞；6：动力活塞；7：压力传感器；8：温度传感器；9：加热器；10：冷却器；11：液态金属；12：曲柄连杆机构；13：电磁泵；14：控制机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的基于液态金属的液压传动装置作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

如图1所示，本发明的基于液态金属的液压传动装置包括作用于传动介质的动力源、管道1和设于管道1内的出力活塞5，管道1内充注有作为传动介质的液态金属1，液态金属11为在室温(18～25℃)下呈液体状态的低熔点金属，其可为镓铟合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓锡铅合金、铋铟锡合金、铋锡合金、钠钾合金或水银等，本实施例中液态金属11选择镓铟锡锌合金Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁（质量百分比为61%Ga，25%In，13%Sn，1%Zn）。液态金属11在管道1与出力活塞5形成的封闭空间内流动，因而对环境不会造成影响，且其性质稳定，易于维护，是一种十分环保、使用方便的流体传动介质。

其中，动力源为设于管道1内的动力活塞6，动力活塞6由动力活塞驱动机构（包括电机、曲柄连杆机构或凸轮与滑块的组合等能将旋转运动转化为直线运动的机构）驱动，即电机通过曲柄连杆机构等将旋转运动转化为直线往复运动带动动力活塞6运动，从而让作为传动介质的液态金属11驱动出力活塞5运动，实现机械能到液体压力能再到机械能的转换。液态金属由于具有远高于常规流体如水、油等介质的密度，因而可以承载的压力比显著优于现有技术；同时，液态金属表面张力及黏度特性也有利于传动系统内活塞与管道之间的润滑；特别是，由于液态金属热导率高出常规流体数个量级，因而可将液压传动系统内由于持续压缩、摩擦、运动等产生的热量迅速排散出去，这对于确保整个系统在高温下的安全可靠运行极为有利。

另外，液压传动装置还包括控制机构14、压力传感器7、温度传感器8、加热器9和冷却器10，压力传感器7将检测到液态金属11的压力信号传递给控制机构14，温度传感器8将检测到液态金属11的温度信号传递给控制机构14，加热器9根据控制机构14发送的加热信号对液态金属11进行加热，冷却器10根据所述控制机构14发送的冷却信号对液态金属11进行冷却。控制机构14可为可编程控制器或单片机，可根据用户需要设定或调节液态金属11的各项性能参数，以使液态金属11达到最佳的传动效果。本实施例中，控制机构14与驱动动力活塞6的电机连接，实现对液压传动装置工作过程的控制，使出力活塞5输出用户需要的压力。

管道1内设有阀门2，用于控制液态金属11的流向和流量，本实施例中的阀门2为电磁阀，电磁阀与控制机构14连接，实现对液态金属11的精确控制。

管道1为内部流道横截面非统一尺寸的结构，管道1设有出力活塞5的一段为第一管道，管道1设有动力活塞6的一段为第二管道，第一管道与第二管道的管径根据需求设定，不同的管径比得到不同的传动比，阀门2设于第二管道与第一管道之间，由此在阀门2两侧实现不同的压力传输。本实施例中第一管道与第二管道的管径比为10:1。管道1可按串联或并联形成组合，从而实现更灵活的流体压力分布和传输。如图1所示，本实施例为管道成串联型的基于液态金属的液压传动装置，第二管道与第一管道之间的过渡管道通过连接件3相连，连接件3为两端开口的筒状结构。

管道1和连接件3的横截面可为圆形、方形、三角形或不规则形状等，横截面形状根据需求设定。管道1和连接件3内部的等效直径可在1nm-100cm范围，当等效直径为1nm时，本发明可作为微流体机械系统的动力机构，当等效直径为100cm时，本发明则可作为重型机械的动力机构。本实施例中管道1和连接件3均为圆管，第二管道的内部直径为1mm,第一管道的内部直径为1cm。

管道1和连接件3的材质均可为刚性材料如铝、铜、不锈钢、钛、镍、镍钛合金、玻璃（硅酸盐类非金属材料）或陶瓷等，也可为柔性材料如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丁烯、ABS工程塑料（工程塑料合金）、聚亚安酯、橡胶或聚二甲基硅氧烷（PDMS）。本发明可用于机械自动化、工业生产、冶金轧钢、重型施工机械、起重机、挖掘搬运机构、航空航天、机械自动化、日常生活、机器人等机电液一体化应用领域，而管道1和连接件3的材质选用柔性材料时，液压传动装置在一些需要灵巧操控的场合十分有用，比如可作为机器人的执行器如人工肌肉、液压手臂、液压下肢、液压关节等，由此形成液压机器人。

考虑到液态金属11是导体，则液态金属11还可通过电磁方式驱动，将电磁泵13作为附加的动力源来驱动液态金属11在管道1内运动。另外，本实施例的液态金属11中还可添加尺寸在1-900nm范围的磁性纳米颗粒，如铁（Fe）、镍（Ni）、钴（Co）、钆（Gd）、Fe₃O₄、CoFe₂O₄、ZnFe₂O₄、MnZnFe₂O₄等形成磁性金属流体。磁性金属流体具备磁学性能，其可作为磁流变液体，整个液压传动装置还可通过磁场控制，由磁场驱动磁性金属流体（添加磁性纳米颗粒的液态金属）的运动，从而提升本发明动力传输的灵巧性和智能化，磁性金属流体可以是受另外增加的外磁场的控制而运动，或者也可以是受电磁泵13产生的磁场的控制而运动。本实施例中选择在镓铟锡锌合金Ga₆₁In₂₅Sn₁₃Zn₁中按质量百分比30%添加20nm镍颗粒形成的磁性金属流体。其中，电磁泵13与控制机构14连接，由控制机构14根据需要调节电磁泵13产生合适的电磁场，驱动添加了磁性纳米颗粒的液态金属11在管道1内运动，使出力活塞5输出需要的压力和功率。因电磁力可通过接触或非接触的方式对管道1内液态金属11加以控制，由此本发明可更为灵活地适应于不同应用场合。本发明中控制机构14的控制方式可采用数字化、遥控等方式，出力活塞5和动力活塞6可为变量活塞。

本实施例的基于液态金属的液压传动装置，初始状态液态金属11不发生运动，需要传动能量时，控制机构14发出信号，使电机驱动动力活塞6运动或使电磁泵13驱动液态金属11运动，使液态金属11按既定管道1和腔体发生流动和冲注，与此同时，管道1内阀门2等作相应响应，于是液态金属11在管道1内不同空腔处发生再分配，由此实现能量的传递。

液态金属11可通过电磁方式驱动，因而在节能、降低噪音和振动、提高系统可靠性和快速响应方面极有优势，此种情况下动力活塞6及动力活塞驱动机构都可以省去，只需通过电磁泵13即可驱动液态金属11在相应管道1内运动，继而将能量传输到出力活塞5而输出所需的压力和功率，达到四两拨千斤的功效；传统的水介质在100℃即会沸腾，从而导致传动装置的性能难以持续，而液态金属沸点可高达2000℃以上，因而本发明的装置可在极高的温度下实现液压传动，这是传统流体很难实现的。

实施例二

实施例二与实施例一的不同之处在于，本实施例为管道成并联型的基于液态金属的液压传动装置，液压传动装置包括多段第一管道，由此实现多路压力输出，各段第一管道的开闭由阀门2控制。如图2所示，液压传动装置包括两段设有出力活塞5的第一管道，两段第一管道之间通过分隔件4隔开，并由阀门2控制各第一管道的开闭，实现对液态金属11的分流，从而输出多路压力，可实现更复杂的液压传动。本实施例中第一管道与第二管道的管径比为1:5，第二管道的内部直径为5mm,第一管道的内部直径为1mm。另外，本实施例中液态金属11选择镓铟合金Ga₈₀In₂₀（质量百分比为80%Ga，20%In），磁性流体为镓铟合金Ga₈₀In₂₀中按质量百分比30%添加20nm铁颗粒形成的磁性金属流体，管道1的材质选择不锈钢。动力活塞6由曲柄连杆机构12驱动，并由电机提供动力，即电机通过曲柄连杆机构12将旋转运动转化为直线往复运动带动动力活塞6运动，从而让作为传动介质的液态金属11驱动出力活塞5运动，实现机械能到液体压力能再到机械能的转换。

同样地，本实施例的基于液态金属的液压传动装置，初始状态液态金属11不发生运动，需要传动能量时，控制机构14发出信号，使电机驱动动力活塞6运动或使电磁泵13驱动液态金属11运动，使液态金属11按既定管道1和腔体发生流动和冲注，与此同时，管道1内阀门2等作相应响应，于是液态金属11在管道1内不同空腔处发生再分配，由此实现能量的传递。

实施例三

实施例三与实施例二的不同之处在于，本发明的基于液态金属的液压传动装置中多段并联的第一管道集成为一体式结构即多孔芯体流道，多孔芯体流道为一根管道内部沿轴向分为多条流体通道的结构。本实施例中的多孔芯体流道包括2-10条流体通道，每条流体通道内部设有出力活塞5，每条流体通道的内径不一样，从而同时实现不同压力输出。本实施例中阀门2设于多孔芯体流道与第二管道之间的管道上，不再对多孔芯体流道内的流体通道分别进行控制。如此设置的液压传动装置可用于机器人的人工肌肉等。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims

1.一种基于液态金属的液压传动装置，其特征在于：所述液压传动装置包括作用于传动介质的动力源、管道（1）和设于所述管道（1）内的出力活塞（5），所述管道（1）内充注有作为传动介质的液态金属（11）。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属的液压传动装置，其特征在于：所述动力源为设于所述管道（1）内的动力活塞（6），所述动力活塞（6）由动力活塞驱动机构驱动。

3.根据权利要求1所述的基于液态金属的液压传动装置，其特征在于：所述液态金属（11）为镓铟合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓锡铅合金、铋铟锡合金、铋锡合金、钠钾合金或水银。

4.根据权利要求1所述的基于液态金属的液压传动装置，其特征在于：所述管道（1）的材质为铝、铜、不锈钢、钛、镍、镍钛合金、玻璃、陶瓷、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丁烯、ABS工程塑料、聚亚安酯、橡胶或聚二甲基硅氧烷。

5.根据权利要求1所述的基于液态金属的液压传动装置，其特征在于：所述动力源为电磁泵（13）。

6.根据权利要求5所述的基于液态金属的液压传动装置，其特征在于：所述液态金属（11）中添加尺寸为1-900nm的磁性纳米颗粒；所述磁性纳米颗粒为Fe、Ni、Co、Gd、Fe₃O₄、CoFe₂O₄、ZnFe₂O₄或MnZnFe₂O₄。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于液态金属的液压传动装置，其特征在于：所述液压传动装置还包括控制机构（14）、压力传感器（7）和温度传感器（8），所述压力传感器（7）将检测到液态金属（11）的压力信号传递给所述控制机构（14），所述温度传感器（8）将检测到液态金属（11）的温度信号传递给所述控制机构（14）。

8.根据权利要求7所述的基于液态金属的液压传动装置，其特征在于：所述液压传动装置还包括加热器（9）和冷却器（10），所述加热器（9）根据所述控制机构（14）发送的加热信号对液态金属（11）进行加热，所述冷却器（10）根据所述控制机构（14）发送的冷却信号对液态金属（11）进行冷却。

9.根据权利要求1-6任一项所述的基于液态金属的液压传动装置，其特征在于：所述管道（1）内设有阀门（2）。

10.根据权利要求1-6任一项所述的基于液态金属的液压传动装置，其特征在于：所述管道（1）设有出力活塞（5）的一段为第一管道，所述液压传动装置包括多段并联的第一管道。