CN108547768B - 一种压电螺杆泵及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型压电螺杆泵及其工作方法，新型压电螺杆泵包含橡胶衬套和压电螺杆。橡胶衬套为中空圆柱，其内壁设有螺纹；压电螺杆包括螺杆、第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片和螺栓；螺杆和橡胶衬套螺纹连接且密封啮合；螺杆沿其中轴线在两端分别开有盲孔和螺纹通孔；螺栓依次穿过第一垫片、第一压电陶瓷片、第一电极片、第二压电陶瓷片、第二电极片、第三压电陶瓷片、第三电极片、第二垫片后和螺纹通孔螺纹连接，将第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片固定在盲孔内。通过激励第一至第四压电陶瓷片，使螺杆与橡胶衬套之间产生沿一个方向螺旋运动的腔体，实现腔体中液体的泵输。

Description

一种压电螺杆泵及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电泵和流体机械领域，尤其涉及一种新型压电螺杆泵及其工作方法。

背景技术

传统的单螺杆泵是通过外设电机带动偏心螺杆进行工作，螺杆和电机的分离会使泵的结构复杂、体积大，使其不容易小型化。电机断电后没有自锁能力，这使传统的单螺杆泵无法实现液体的精确泵输。电机运转会产生电磁污染，在一些对电磁干扰敏感的领域，传统的单螺杆泵无法直接应用。通常，螺杆泵都有固定的转向，只能单方向的泵输液体无法实现双向泵输，这限制了螺杆泵的灵活性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供过一种新型压电螺杆泵。

本发明为解决所述技术问题采用以下技术方案：

一种新型压电螺杆泵，包括橡胶衬套和压电螺杆；

所述橡胶衬套为中空圆柱，其内壁设有螺纹；

所述压电螺杆包括螺杆、第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片和螺栓；

所述螺杆外壁设有和所述橡胶衬套内壁螺纹相匹配的螺纹，螺杆和橡胶衬套螺纹连接且密封啮合；

所述螺杆沿其中轴线在两端分别开有盲孔和螺纹通孔；所述盲孔、螺纹通孔均和所述所述螺杆同轴，盲孔的半径大于螺纹通孔的半径，且盲孔和螺纹通孔相联通；

所述第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片均呈圆环状；

所述螺杆依次穿过第一垫片、第一压电陶瓷片、第一电极片、第二压电陶瓷片、第二电极片、第三压电陶瓷片、第三电极片、第二垫片后和所述螺纹通孔螺纹连接，将所述第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片固定在所述盲孔内；

所述第一至第四压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，均形成极化分界线为其直径、极化方向相反的两个分区；所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的极化分界线平行，同一侧分区的极化方向相反；所述第二压电陶瓷片和第三压电陶瓷片的极化分界线相互垂直；所述第三压电陶瓷片和第四压电陶瓷片的极化分界线平行，同一侧分区的极化方向相反；

所述第二电极片接地，第一电极片、第三电极片分别接外部激励信号。

作为本发明一种新型压电螺杆泵进一步的优化方案，所述第一至第四压电陶瓷片的两侧均由环氧树脂材料绝缘处理。

本发明还公开了一种基于该新型压电螺杆泵的工作方法，包含以下步骤：

通过在第一电极片、第三电极片上分别施加时间相位上相差π/2的正弦信号，使得螺杆产生时间和空间上都具有π/2相位差的两个同形弯振模态，两个模态的耦合使螺杆呈现旋转弯曲振动从而使其与橡胶衬套之间产生沿一个方向螺旋运动的腔体，实现腔体中液体的泵输；

通过改变第一电极片、第三电极片上施加的正弦信号的时间相位差的先后顺序，改变液体的泵输方向，实现双向泵输。

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：

本发明使压电螺杆泵结构更紧凑，无电磁干扰，并具备了实现微小流量的精确泵输和双向泵输的能力，提高了灵活性。

附图说明

图1是一种新型压电螺杆泵的剖面图；

图2是橡胶衬套的剖面图；

图3是压电螺杆的剖面图；

图4是螺杆的剖面图；

图5是压电陶瓷片组的极化状况和施加电信号示意图；

图6是啮合间隙a~e在螺旋线上的相对位置图；

图7是液体被泵输一个螺距的工作原理图。

图中，1：橡胶衬套；1-1：螺纹；2：压电螺杆；2-1：螺杆；2-2：圆环垫片；2-3：压电陶瓷片组；2-4：螺栓；2-5：螺纹；2-1-1：盲孔；2-1-2：螺纹通孔。

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。

本发明公开了一种新型压电螺杆泵结构，包括橡胶衬套和一个压电螺杆，橡胶衬套和压电螺杆的螺纹密封啮合，如图1所示。

橡胶衬套为中空圆柱，内壁有螺纹，如图2所示。

螺杆沿中轴线在两端分别开有盲孔和螺纹通孔；盲孔、螺纹通孔均和螺杆同轴，盲孔的半径大于螺纹通孔的半径，且盲孔和螺纹通孔相联通，如图4所示。

压电螺杆包括螺杆、第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片和螺栓；第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片均呈圆环状；螺杆依次穿过第一垫片、第一压电陶瓷片、第一电极片、第二压电陶瓷片、第二电极片、第三压电陶瓷片、第三电极片、第二垫片后和螺纹通孔螺纹连接，将第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片固定在盲孔内如图3所示。

第一至第四压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，均形成极化分界线为其直径、极化方向相反的两个分区；第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的极化分界线平行，同一侧分区的极化方向相反；第二压电陶瓷片和第三压电陶瓷片的极化分界线相互垂直；第三压电陶瓷片和第四压电陶瓷片的极化分界线平行，同一侧分区的极化方向相反。第一电极片、第三电极片上分别施加时间相位上相差π/2的正弦信号，如图5所示。

此外，第一至第四压电陶瓷片的两侧均由环氧树脂材料绝缘处理。

通过激励第一至第四压电陶瓷片，压电螺杆产生时间和空间上都具有π/2相位差的两个同形弯振模态，两个模态的耦合使压电螺杆呈现旋转弯曲振动从而使其与橡胶衬套的密封啮合螺纹之间产生沿一个方向螺旋运动的腔体，实现腔体中液体的泵输。以第一至第四压电陶瓷片被激发出一阶弯曲共振模态为例，此时压电螺杆呈现一阶旋转弯曲振动，将压电螺杆无yoz面内弯曲振动、只有xoy面内的弯曲振动且向x轴的负方向弯曲的时刻记为0时刻及t=0,啮合间隙a的体积从零逐渐增至最大、压力降低，液体由进水口进入啮合间隙a中。当t=T/4时，压电螺杆无xoy面内的弯曲振动、只有yoz面内的弯曲振动且向z轴的负方向弯曲，啮合间隙a的体积逐渐减小至零、压力升高，啮合间隙b的体积从零逐渐增至最大、压力降低，啮合间隙a中的液体沿着螺旋槽进入到啮合间隙b中。当t=T/2时，压电螺杆无yoz面内弯曲振动、只有xoy面内的弯曲振动且向x轴的正方向弯曲，啮合间隙b的体积逐渐减小至零、压力升高，啮合间隙c的体积从零逐渐增至最大、压力降低，啮合间隙b中的液体沿着螺旋槽进入到啮合间隙c中。当t=3T/4时，压电螺杆无xoy面内的弯曲振动、只有yoz面内的弯曲振动且向z轴的正方向弯曲，啮合间隙c体积逐渐减小至零、压力升高，啮合间隙d的体积从零逐渐增至最大、压力降低，啮合间隙c中的液体会沿着螺旋槽进入到啮合间隙d中。当t=T时，压电螺杆无yoz面内的弯曲振动、只有xoy面内的弯曲振动且向x轴的负方向弯曲，啮合间隙d的逐渐减小至零、压力升高，啮合间隙e的体积从零逐渐增至最大、压力降低，啮合间隙d中的液体沿着螺旋槽进入到啮合间隙e中。这使液体在螺旋槽内移动了一个螺距，如图6和图7所示。随着时间的推移，进水口的液体会被泵输到排水口。

通过改变第一电极片、第三电极片上施加的正弦信号的时间相位差的先后顺序，改变液体的泵输方向，实现双向泵输。

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 (3)

1.一种压电螺杆泵，其特征在于，包括橡胶衬套和压电螺杆；

所述橡胶衬套为中空圆柱，其内壁设有螺纹；

所述压电螺杆包括螺杆、第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片和螺栓；

所述螺杆外壁设有和所述橡胶衬套内壁螺纹相匹配的螺纹，螺杆和橡胶衬套螺纹连接且密封啮合；

所述螺杆沿其中轴线在两端分别开有盲孔和螺纹通孔；所述盲孔、螺纹通孔均和所述所述螺杆同轴，盲孔的半径大于螺纹通孔的半径，且盲孔和螺纹通孔相联通；

所述第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片均呈圆环状；

所述螺杆依次穿过第一垫片、第一压电陶瓷片、第一电极片、第二压电陶瓷片、第二电极片、第三压电陶瓷片、第三电极片、第二垫片后和所述螺纹通孔螺纹连接，将所述第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片固定在所述盲孔内；

所述第一至第四压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，均形成极化分界线为其直径、极化方向相反的两个分区；所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的极化分界线平行，同一侧分区的极化方向相反；所述第二压电陶瓷片和第三压电陶瓷片的极化分界线相互垂直；所述第三压电陶瓷片和第四压电陶瓷片的极化分界线平行，同一侧分区的极化方向相反；

所述第二电极片接地，第一电极片、第三电极片分别接外部激励信号。

2.根据权利要求1所述的压电螺杆泵，其特征在于，所述第一至第四压电陶瓷片的两侧均由环氧树脂材料绝缘处理。

3.基于权利要求1所述的压电螺杆泵的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

通过在第一电极片、第三电极片上分别施加时间相位上相差π/2的正弦信号，使得螺杆产生时间和空间上都具有π/2相位差的两个同形弯振模态，两个模态的耦合使螺杆呈现旋转弯曲振动从而使其与橡胶衬套之间产生沿一个方向螺旋运动的腔体，实现腔体中液体的泵输；

通过改变第一电极片、第三电极片上施加的正弦信号的时间相位差的先后顺序，改变液体的泵输方向，实现双向泵输。