CN108105049A - 一种高压大流量压电活塞泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压大流量压电活塞泵,采用活塞式刚性泵室取代多见的柔性隔膜，且引入了静液压放大提高供油压力，改进常规压电泵供油压力过低，输出位移过小的缺点。压电驱动下，往复运动的活塞与泵壁构成密闭容腔，其容积周期性高频变化在低开启压力的锥阀作用下实现被动配流，无需配流阀门的主动控制装置。通过二次放大活塞实现工作容积变化的二次放大，较传统薄膜震荡的泵室容腔变化大，可实现高压力下的连续可靠供油。

Description

一种高压大流量压电活塞泵

技术领域

本发明涉及一种液压泵，尤其涉及一种高压大流量压电泵。

背景技术

压电驱动是液压泵轻质小型化的主要发展方向之一。近年来出现了诸多面向微机电、微流控方向的压电泵，其供油流量小，供油压力低，且大多需专门的配流控制机构，难以满足航空器等场合对高性能作动用泵的要求。

压电泵具有结构紧凑、能耗低、响应快等诸多优点。相较于常规液压泵，压电泵泄漏小，无相互啮合和相对机械运动，机械损失小。然而，压电泵的工作原理决定了其必然是间歇供油，且供油流量因压电驱动器输出位移过小难以增加，极大限制了其在航空领域的应用，单泵装备这一问题更为突出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术所涉及到的缺陷，提供一种高压大流量压电泵，采用活塞式刚性泵室取代传统柔性隔膜，通过静液压活塞位移放大和容腔变化二次放大机构提高泵的供油压力和流量，同时采用被动配流阀，无需启闭配油阀或通断配油油路的主动控制机构。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种高压大流量压电活塞泵，包含泵左端盖、泵体、泵右端盖、压电叠堆、随动活塞、第一活塞、第二活塞、第一至第二吸油阀、排油阀、第一至第二吸油阀阀座、排油阀阀座和圆柱弹簧；

所述泵体内由左至右依次设有相连通的第一腔体、第二腔体、第三腔体和第四腔体，所述第一至第四腔体贯穿所述泵体、均呈圆柱状，其中，第一腔体、第四腔体的直径相同，第四腔体的直径大于第二腔体，第二腔体的直径大于第三腔体；

所述泵左端盖、泵右端盖分别和所述泵体的左端、右端固连，和所述泵体形成密闭空间；

所述随动活塞设置在第四腔体中、其直径和所述第四腔体相匹配；所述第一活塞设置在第三腔体中、其直径和所述第三腔体相匹配；

所述压电叠堆设置在所述第四腔体内，一端和所述泵右端盖相连，另一端和所述随动活塞相连；

所述随动活塞和第一活塞之间设有用于传递载荷和运动的油液；

所述第二活塞设置在第二腔体中、其直径和所述第二腔体相匹配；

所述第二活塞和第一活塞通过刚性连接部件固定相连；

所述泵左端盖上设有两个进油口和一个出油口；

所述第一至第二吸油阀阀座、排油阀阀座均设置在所述第一腔体内，其中，第一吸油阀阀座、第二吸油阀阀座分别对应和两个进油口固定相连，排油阀阀座和所述出油口固定相连；

所述第一吸油阀、第二吸油阀、排油阀对应设置在第一吸油阀阀座、第二吸油阀阀座、排油阀阀座中；

所述第一至第二吸油阀、排油阀在泵不工作时均处在关闭状态，在泵工作时，所述第一吸油阀、第二吸油阀用于吸油，所述排油阀用于排油；

所述圆柱弹簧一端和所述排油阀阀座固定相连，另一端和所述第二活塞固定相连。

作为本发明一种高压大流量压电活塞泵进一步的优化方案，所述随动活塞和压电叠堆之间设有密封环。

作为本发明一种高压大流量压电活塞泵进一步的优化方案，所述第四腔体在随动活塞和随动活塞右侧刚性联结部件形成的空腔处设有排油孔。

作为本发明一种高压大流量压电活塞泵进一步的优化方案，所述第二腔体的内壁上在所述第二活塞的两端行程终点处均设有环形油槽结构。

作为本发明一种高压大流量压电活塞泵进一步的优化方案，所述第一至第四腔体的直径依次为：60mm、50mm、25mm、60mm。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 静液压放大原理对泵室增加输入位移，虽不改变排油体积，但可使泵室容腔变化辨率得以显著提高，且一定程度上缓解或改善了单柱塞引起流量脉动；

2. 基于被动阀配流可最大程度满足高供油压力的需要；

3. 在压电驱动器随动活塞后采用柔性压缩油腔和活塞组成的液压放大机构，油液相当于刚度较大弹簧，可提高系统阻尼，又不至于损失太多输入功率，于此同时，在吸排油体积不变的情况下，增加了活塞运动行程，缩短油泵无输出或微弱输出时间间隔，一定程度减小了流量脉动幅度；

4. 结构紧凑、响应快、供油压力大、能耗低；

5. 高压压电泵以驱动轻载微型液压缸为目标，在轻便行走机械、航空APU作动等场合具有一定的应用前景；

6. 压电泵压电陶瓷输出位移小，导致泵的排量非常有限，此高压压电泵增设二次放大机构，可实现泵排量增加。

附图说明

图1是本发明高压大流量压电活塞泵的整体剖视图；

图2为本发明中泵左端盖处的局部放大剖视图；

图3为本发明中泵体内壁环形油槽结构的剖视图；

图4为本发明泵体中排油孔的局部放大剖视图；

图5为本发明中泵左端盖的左视图。

图中，1.1-泵体、1.2-密封环、1.3-压电叠堆、1.4-泵右端盖、1.5-压电叠堆外接线路、1.6-随动活塞和密封环之间的刚性联结部件、1.7-随动活塞、1.8-第一活塞、1.9-第一活塞和第二活塞之间的刚性联结部件、1.10-第二活塞、1.11-排油阀阀座、1.12-泵左端盖、2.1-第一吸油阀阀芯、2.2-排油阀阀腔弹簧、2.3-圆柱弹簧、A-第一进油口、B-出油口、C-第二进油口、D-密封垫。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种高压大流量压电活塞泵，包含泵左端盖、泵体、泵右端盖、压电叠堆、随动活塞、第一活塞、第二活塞、第一至第二吸油阀、排油阀、第一至第二吸油阀阀座、排油阀阀座和圆柱弹簧；

所述泵体内由左至右依次设有相连通的第一腔体、第二腔体、第三腔体和第四腔体，所述第一至第四腔体贯穿所述泵体、均呈圆柱状，其中，第一腔体、第四腔体的直径相同，第四腔体的直径大于第二腔体，第二腔体的直径大于第三腔体；

所述泵左端盖、泵右端盖分别和所述泵体的左端、右端固连，和所述泵体形成密闭空间；

所述随动活塞设置在第四腔体中、其直径和所述第四腔体相匹配；所述第一活塞设置在第三腔体中、其直径和所述第三腔体相匹配；

所述压电叠堆设置在所述第四腔体内，一端和所述泵右端盖相连，另一端和所述随动活塞相连；

所述随动活塞和第一活塞之间设有用于传递载荷和运动的油液；

所述第二活塞设置在第二腔体中、其直径和所述第二腔体相匹配；

所述第二活塞和第一活塞通过刚性连接部件固定相连；

如图5所示，所述泵左端盖上设有两个进油口和一个出油口；

所述第一至第二吸油阀阀座、排油阀阀座均设置在所述第一腔体内，其中，第一吸油阀阀座、第二吸油阀阀座分别对应和两个进油口固定相连，排油阀阀座和所述出油口固定相连；

所述第一吸油阀、第二吸油阀、排油阀对应设置在第一吸油阀阀座、第二吸油阀阀座、排油阀阀座中；

所述第一至第二吸油阀、排油阀在泵不工作时均处在关闭状态，在泵工作时，所述第一吸油阀、第二吸油阀用于吸油，所述排油阀用于排油；

所述圆柱弹簧一端和所述排油阀阀座固定相连，另一端和所述第二活塞固定相连。

所述随动活塞和压电叠堆之间设有密封环，所示密封环通过刚性联结部件和随动活塞固定相连。

所述第一至第四腔体的直径依次为：60mm、50mm、25mm、60mm。

本发明采用压电高频直驱、泵工作容腔运动活塞的位移、面积二次放大、压力平衡作用下的被动阀配流，较传统薄膜泵可实现泵的高压大流量供油，工作原理如下：压电叠堆在外加电信号的刺激下，反复伸缩产生位移，通过静液压放大及二次放大机构进一步放大，驱使活塞往复运动与泵壁构成密闭容腔，其容积周期性高频变化在低开启压力的锥阀作用下实现被动配流，实现吸油排油过程。

泵体为圆柱形结构，结构紧凑，便于固定安装及与下游控制元件或系统集成。泵体与左、右端盖采用螺钉联接，四组螺钉均布。考虑泵左侧为湿区，故在左端盖与配流阀安装座结合面设计密封垫防止渗漏。左端盖开有三处外接油孔，用于联接油路时拧入接头。其中上下为进油口，中间为出油孔。左端盖与配流阀安装座间为螺纹连接，通过端盖上的螺纹与泵体固定，以确保配流阀压紧到位且密封可靠。右端盖开有一处通孔以使压电驱动器供电导线穿出便于连接供电电源。

随动活塞和第一活塞及其间传递载荷和运动的油液构成了静压放大器。稳态时，流体将随动活塞的驱动力以油液压力的形式传递至第一活塞，根据流量连续性原理，不考虑油液的可压缩性，随动活塞和第一活塞的面积与位移成反比。由此，第一活塞位移将被放大。回程时，通过二次放大机构左侧的复位弹簧令第一活塞与随动活塞回至初位。因复位弹簧的作用，第一活塞运动阻尼将有所增加，使其获得更好的速度特性，有利于确保输出流量稳定。

第二活塞、第一活塞及联接两活塞的刚性轴构成了二次放大机构。压电的驱动力等于活塞面积与油泵负载压力乘积，根据力平衡原理，一定输出力时通过该位移放大机构会一定程度降低输出压力。然而，考虑到压电陶瓷输出位移小是其核心问题，从而导致泵的排量非常有限。为了弥补这一不足，通过选择合适的压电陶瓷驱动器，获得较大的驱动力，在有限驱动器长度情况下，通过本二次放大机构可实现此泵排量的增加。另外，与二次放大部件左侧大活塞关联的复位弹簧固定于其两端的定位凹槽中，以确保其稳定可靠。此放大机构对元件尺寸重量限制严格的航空器上应用至关重要，是本发明技术特征之一。

如图2所示，第一至第二吸油阀、排油阀均为配流阀，包括锥形阀芯和阀腔弹簧，阀腔弹簧有一定的预紧力以确保泵不工作时阀芯在初始弹簧力作用下压紧阀座，阀处于关闭状态，泵无油液泄漏。阀状态由其前后压力及弹簧力的平衡关系确定，而无需设置专门的驱动机构控制其通断，故称作被动配流。采用锥面阀芯而非球面阀芯，且阀座同样采用锥面而非直角，具有自定心功能，可确保密封面之间无间隙，能够完全切断油路，也可以一定程度抑制气穴发生。另外，不同于常规油路方向控制的截止阀，用于泵配流的阀需要高频切换动作，可靠性要求高。锥阀阀芯与阀座为线接触，高频启闭易造成接触角磨损而影响密封性能。

第一至第二吸油阀、排油阀在泵不工作时在阀腔弹簧预紧力作用下使阀芯抵紧阀座，各阀均为关闭状态；泵工作时，压电叠堆在外界驱动电压的作用下作左右高频往复运动，带动随动活塞经不可压静压流体传递动力及第二腔体的复位弹簧作用，使第一、第二活塞组件同向左右往复运动。第二活塞向左运动时，泵室工作油液压力快速增大，当大于排油阀弹簧腔油压(外界系统油压)和弹簧力总和时顶开阀芯，此时排油阀打开实现泵的排油，第一、第二吸油阀即在泵腔油压作用下处于关闭状态。第二活塞向右运动时，泵室油液压力快速降低直至泵室出现局部真空，其内压力近乎为零或负压，此时外界大气压作用下的进口油液顶开第一、第二吸油阀阀芯，泵经此两阀实现吸油。

压电叠堆采用压电陶瓷，通过给压电叠堆施加交变电压，使其输出端位移周期性变化，经与其刚性连接的静液位移放大器、二次放大活塞组件实现泵工作密闭容腔的周期性变化，在配流阀的作用下实现与吸油口和排油口的联通，使泵实现连续稳定供油。

压电叠堆左侧为自由端，即输出端。其与可轴向运动的输出端相连，既实现了左侧支承，又使其位移输入至静压放大及二次放大装置。压电右侧固定在右端盖卡槽内，起到一侧支承和限位作用，螺钉旋紧后，无法移动。右端盖与泵体联接其结合面同样设有密封垫以防止端面泄漏。

固定于二次放大器大活塞表面的圆柱弹簧主要用以实现复位，也可增加泵室系统运动阻尼。因该泵主要性能指标不在动态响应，由此复位弹簧可能引起的频响降低仍在其结构实施方案接受范围内。

泵体与配流阀安装盘通过螺纹连接，可使装拆更为简便，同时密封可靠。

如图3所示，第二腔体的内壁上在所述第二活塞的两端行程终点处均设有环形油槽结构。为了抑制或减缓高频往复运动时，活塞在行程终点对泵壁的冲击，在与活塞配合的泵壁上均布两处环形油槽结构。当活塞运动至行程终点，较油槽较近处时，油槽内油液无法排出从而建立压力场与活塞右侧油压平衡，阻碍活塞继续右移从而给其运动降速，实现缓冲效果。

如图4所示，第四腔体在随动活塞和随动活塞右侧刚性联结部件形成的空腔处设有排油孔。考虑静压位移放大工作腔油液存在泄漏至压电输出端与静压放大器大活塞间的空腔，长时间聚集引起内压增加同时可能泄漏至压电材料安装区域，引起性能恶化，在这一空腔行程中点设置了一排油孔以最大程度确保其不被活塞遮挡而保持油路畅通。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高压大流量压电活塞泵，其特征在于，包含泵左端盖、泵体、泵右端盖、压电叠堆、随动活塞、第一活塞、第二活塞、第一至第二吸油阀、排油阀、第一至第二吸油阀阀座、排油阀阀座和圆柱弹簧；

所述泵体内由左至右依次设有相连通的第一腔体、第二腔体、第三腔体和第四腔体，所述第一至第四腔体贯穿所述泵体、均呈圆柱状，其中，第一腔体、第四腔体的直径相同，第四腔体的直径大于第二腔体，第二腔体的直径大于第三腔体；

所述泵左端盖、泵右端盖分别和所述泵体的左端、右端固连，和所述泵体形成密闭空间；

所述随动活塞设置在第四腔体中、其直径和所述第四腔体相匹配；所述第一活塞设置在第三腔体中、其直径和所述第三腔体相匹配；

所述压电叠堆设置在所述第四腔体内，一端和所述泵右端盖相连，另一端和所述随动活塞相连；

所述随动活塞和第一活塞之间设有用于传递载荷和运动的油液；

所述第二活塞设置在第二腔体中、其直径和所述第二腔体相匹配；

所述第二活塞和第一活塞通过刚性连接部件固定相连；

所述泵左端盖上设有两个进油口和一个出油口；

所述第一至第二吸油阀阀座、排油阀阀座均设置在所述第一腔体内，其中，第一吸油阀阀座、第二吸油阀阀座分别对应和两个进油口固定相连，排油阀阀座和所述出油口固定相连；

所述第一吸油阀、第二吸油阀、排油阀对应设置在第一吸油阀阀座、第二吸油阀阀座、排油阀阀座中；

所述第一至第二吸油阀、排油阀在泵不工作时均处在关闭状态，在泵工作时，所述第一吸油阀、第二吸油阀用于吸油，所述排油阀用于排油；

所述圆柱弹簧一端和所述排油阀阀座固定相连，另一端和所述第二活塞固定相连。

2.一种高压大流量压电活塞泵，其特征在于，所述随动活塞和压电叠堆之间设有密封环。

3.一种高压大流量压电活塞泵，其特征在于，所述第四腔体在随动活塞和随动活塞右侧刚性联结部件形成的空腔处设有排油孔。

4.一种高压大流量压电活塞泵，其特征在于，所述第二腔体的内壁上在所述第二活塞的两端行程终点处均设有环形油槽结构。

5.一种高压大流量压电活塞泵，其特征在于，所述第一至第四腔体的直径依次为：60mm、50mm、25mm、60mm。