CN104564622B - 一种带有半主动阀的压电泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有半主动阀的压电泵。在传统油路中添加辅助油路，将排出的高压油导入辅助油路中，顶起弹性薄膜以达到辅助开启入油口单向阀的作用。本发明中弹性薄膜除了辅助开启单向阀外，还可以隔离高压油与低压油，防止高压油进入低压油腔。本发明采用对称双泵结构设计，使得结构相对简化，工作更具连贯性，并增加了工作频率，增大了液压油的流量。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有半主动阀的压电泵（以下简称半主动阀压电泵）。准确地说，涉及一种利用压电叠堆致动器驱动，带有半主动阀的高压小型数字液压泵。
背景技术
压电泵是微小型流体泵的一个重要分支，其工作原理是将压电致动器高频振动产生的机械能转化为可控性强的液压能。相比于其它结构泵而言，压电泵具有更简单的驱动结构，其能量转换部及流体驱动部为同一原件，中间没有传动机构。同时，由于压电材料具有响应快、精度高的特点，因此压电泵具有以下特点：功耗小能量密度高、小尺寸低重量、高寿命、高可靠性；频率范围广，可以在低能量消耗的条件下灵活的通过电压与频率对输出性能进行调整，输出分辨率高；成本低，可作为一次性耗材进行应用；过流面单一、化学耐性好等。目前压电泵已经逐渐应用于医疗、机械、小家电、消费类产品、生物技术、燃料电池等研究领域。
压电泵需要工作在很高的频率下才能产生足够的输出力，随着科技的发展，人们逐渐解决了高频压电叠堆的驱动和质量问题，限制压电泵性能的因素由压电叠堆转向了进出口单向阀。目前国内外所研究的压电泵出口阀主要分为两种，被动阀与主动阀。被动阀完全依靠液压油的压力来控制阀门的开启与关闭，其结构简单，制作方便，但是被动阀在响应频率和防止液压油回流等问题上存在很大缺陷。主动阀由压电材料制成，通过控制器给予其特定电压，以实现阀门的开口与闭合，它在一定程度上提高了阀的响应频率，但其局限性在于这种单向阀制作复杂，需要很高精度的控制器控制。因此，如何提高单向阀的可靠性，使得单向阀在保证正常开关的同时最大限度的提高响应频率，将直接影响压电泵的工作效率，这将极大地促进液压传动在微机电系统、微流体高精度输送、航空航天、行走机器人等领域的应用。
发明内容
本发明提出了一种带有半主动阀的压电泵。其基本原理是通过添加辅助油路，压力油优先进入其中顶起弹性薄膜，辅助进油口单向阀开启，同时弹性薄膜将辅助油路与低压油泵腔隔离，以保证高压油不进入低压油区域。对称设计的压电泵形式保证压电泵工作的连贯性，同时在一定程度上提高了压电泵的工作频率与输出流量。
为了实现上述要求，本发明采用如下技术方案：一种带有半主动阀的液压泵主要由泵体、压电叠堆致动器、刚性元件、弹性膜片、弹性薄膜、进油口单向阀、出油口单向阀和控制器组成，泵体被两片弹性膜片分为左中右三个部分，其中中间部分为油路结构，左右部分为驱动结构。
所述的油路结构包括进油路、出油路以及辅助油路，进油口通过进油口单向阀与泵腔联通，泵腔通过出油口单向阀与出油口联通，辅助油路辅助入口单向阀的开启。
所述的驱动结构包括压电叠堆驱动器、刚性元件和弹簧，压电叠堆致动器的推杆上套置有弹簧，刚性元件设置在推杆的顶端并与弹性膜片固定连接；
所述的压电叠堆致动器受控于控制器。
其工作原理如下：给予两个压电叠堆驱动器方向相反，频率一致的交流电后，两个压电叠堆会产生同向振动，从而带动弹性膜片产生高频振动，两边泵腔容积因此产生变化；当左侧驱动器收缩，右侧驱动器伸长时，左侧泵腔容积增大，右侧泵腔容积减小，液压油被压缩，压力油先进入辅助油道顶起弹性薄膜，帮助左侧进油口单向阀开启，压力油顶开右侧出油口单向阀流回油箱。同时，左侧容积变大，泵腔内出现真空，低压油从进油口进入左侧泵腔。此时，左侧出油口单向阀与右侧进油口单向阀均关闭；当左侧驱动器伸长，右侧驱动器收缩时，上述过程反向。
作为优选的，采用了一种半主动阀的结构形式。在传统油路中加入了辅助油路，高压油在排出的过程中优先进入其中，顶起弹性薄膜，在完成辅助进油口单向阀开启任务后，再由出油口单向阀流回油箱。进油口单向阀在液压油和弹性薄膜的共同作用下开启，低压油由此进入泵腔。入油口单向阀的开启不完全依靠液压油的作用，也不完全依靠外界的控制，工作时呈现一种半主动状态。这样可以提高单向阀的响应频率，保证了效率。
作为优选的，采用一种对称泵体结构。两个压电叠堆交替工作，实现半主动阀工作连贯性，提高了工作效率，增大了输出流量。
作为优选的，本发明中辅助进油口单向阀开启的弹性薄膜是一种高分子聚合物，其具有很强的韧性，可以反复变形，在辅助进油口单向阀开启的同时也防止了高压油进入进油口与低压油混合。
作为优选的，本发明中单向阀由高分子橡胶制成，与液压油接触不敏感，不会发生化学反应，一端与泵体相嵌，无液压油作用时呈平铺状态，可在液压油作用下弯曲从而使进出油口开启。
本发明的主要有着以下几个优点：
1. 设计了新型的半主动截止阀，既能够避免的被动阀开启压力不够的问题，增大被动阀的响应频率，同时也能避免因使用主动阀给整个压电泵的控制带来的难题。
2. 对称设计的压电泵泵体结构，使得油路更加简单，保证了液压泵工作的连续性，同时提高了工作频率与输出流量。
附图说明
图1是本发明装置整体剖视图；
图2是本发明装置工作过程原理图。
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所示：一种带有半主动阀的压电泵主要由泵体1、弹簧2、刚性元件3、弹性膜片4、进油口单向阀5、辅助油路6、出油口单向阀7、出油口油路8、进油口油路9、电路10、功率放大器11、信号控制器12、压电叠堆驱动器A、B以及腔A、B组成。
压电数字泵泵体1由不锈钢加工而成。内部放置压电叠堆驱动器A、B。压电叠堆驱动器A、B由多层压电陶瓷片、电极、绝缘物组成，通过特殊工艺压制为一体形成的，并且封装在金属外壳中。整个致动器与泵体1固连。叠堆驱动器由控制器控制产生高频振动。与此同时，在压电叠堆上端部与金属壳之间安装一个弹簧2，它的作用是给压电叠堆提供偏置压力，以此来提高致动器的稳定性和驱动性能。
压电叠堆驱动器A、B与弹性膜片4之间通过一个刚性元件3固连在一起，以保证致动器输出端与弹性膜片4的同步，同时也可以减小输出端的应力集中现象，提高膜片的使用寿命。
进油口单向阀5与出油口单向阀7均单向开启，压力油经过辅助油道6顶起弹性薄膜13，同时由于泵腔体积扩大形成真空，在两者共同作用下促使进油口单向阀5开启，出油口单向阀7在出口高压油作用下开启，高压油会流入油箱。
信号控制器12主要用于提供压电叠堆驱动器A、B的控制信号。信号功率放大器11的作用下被放大，传输给两端的压电叠堆驱动器。信号控制主要有三个目的：一是实现泵输出流量数字化的目标；二是控制压电叠堆驱动器的工作频率与压电数字泵的系统谐振频率相匹配；三是通过控制左右压电叠堆驱动器驱动电压的相位来实现压电叠堆驱动器的同向运动。
本发明装置工作一个完整的流程可作为一个工作周期，其中包括两个动作一致，方向相反的过程：
压电叠堆A收缩，压电叠堆B伸长时：如图2（a）所示，信号控制器控制压电叠堆驱动器A收缩，压电叠堆驱动器B伸长，泵腔A容积增大，泵腔B容积减少。压力油经过辅助油道6顶起弹性薄膜13，弹性薄膜13再顶起进油口单向阀5，同时由于左侧泵腔体积增大形成真空，低压油在大气压作用下顶开进油口单向阀5，流入左侧泵腔内。此时，压力油顶开出油口单向阀7流入油箱，过程结束。
压电叠堆A伸长，压电叠堆收缩B时：工作过程与上述过程相同，方向相反，如图2（b）所示。
Claims (7)
1.一种带有半主动阀的压电泵，主要由泵体、压电叠堆驱动器、刚性元件、弹性膜片、弹性薄膜、进油口单向阀、出油口单向阀和控制器组成，其特征在于：泵体由两片弹性薄膜分割成左中右三个部分，左右两部分相同，为驱动结构，中间部分为油路结构；
所述的油路结构包括进油口油路、出油口油路以及辅助油路，进油口通过进油口单向阀与压电泵泵腔联通，压电泵泵腔通过出油口单向阀与出油口联通；
所述的驱动结构包括压电叠堆驱动器、刚性元件和弹簧，压电叠堆驱动器的推杆上套置有弹簧，刚性元件设置在推杆的顶端并与弹性膜片固定连接；
所述的压电叠堆驱动器由控制器控制运动；
给予两个压电叠堆驱动器方向相反，频率一致的交流电后，两个压电叠堆会产生同向振动，从而带动弹性膜片产生高频振动，两边泵腔容积因此产生变化；当左侧驱动器收缩，右侧驱动器伸长时，左侧泵腔容积增大，右侧泵腔容积减小，液压油被压缩，高压油先进入辅助油路顶起弹性薄膜，帮助左侧进油口单向阀开启，然后高压油顶开右侧出油口单向阀流回油箱；同时，左侧容积变大，泵腔内出现真空，在大气压强作用下低压油从进油口进入左侧泵腔；此时，左侧出油口单向阀与右侧进油口单向阀均关闭；当左侧驱动器伸长，右侧驱动器收缩时，上述过程反向。
2.根据权利要求1所述的一种带有半主动阀的压电泵，其特征在于：此压电泵所用两压电叠堆驱动器采用机械上串联、电压上并联的方式，将若干性能参数相同的压电陶瓷片、绝缘体、内部电极以及外部电极制为一体；其工作电压的大小和频率可控，可以控制其匹配系统的谐振频率，达到最大输出特性。
3.根据权利要求1所述的一种带有半主动阀的压电泵，其特征在于：所述的弹性薄膜采用具有韧性、可反复变形而不老化的高分子材料，在辅助开启进油口单向阀时保持油路的密封性。
4.根据权利要求1所述的一种带有半主动阀的压电泵，其特征在于：通过控制器的数字信号控制压电叠堆驱动器中参与驱动的层数来实现数字压电泵流量数字化的控制。
5.根据权利要求1所述的一种带有半主动阀的压电泵，其特征在于：所述弹性膜片采用铍青铜。
6.根据权利要求1所述的一种带有半主动阀的压电泵，其特征在于：所述泵体采用不锈钢制造。
7.根据权利要求1所述的一种带有半主动阀的压电泵，其特征在于：所述弹簧用于施加偏置应力。
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