CN110153075A - 一种磁致伸缩超声水射流结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁致伸缩超声水射流结构，包括主超声驱动部件，辅助超声驱动部件，阀体部件，流道，主超声驱动部件和辅助超声驱动部件放置在阀体部件内，主超声驱动部件、辅助超声驱动部件与阀体部件间有流道，本发明磁致伸缩超声水射流结构，具有小体积、结构紧凑等特点，在主超声和辅助超声作用下可产生水射流，具有水流加压加速的功能，在超声加工、清洗等方面具有较好的应用价值。

Description

一种磁致伸缩超声水射流结构

技术领域

本发明涉及一种磁致伸缩超声水射流结构，可实现流体流速的超声加速，以实现脉冲水射流的效果。

背景技术

近年来，超声能量及其装置受到了广泛关注，相关器件应用已成为解决工业领域的瓶颈问题的突破口，如超声加工在数控加工领域的应用、超声清洗在除尘、除垢、除锈等领域的应用。其中，利用超声能量给水流加速，解决现有高压水枪对庞大加压装置的依赖需求，是近年来超声清洗领域的热点难点问题。

高压水枪，主要是利用水枪结构中截面积的变化，实现高压驱动下水流速度的加速。但是，这一工作方式，对高压驱动装置的依赖性较强，不利于便携式应用，机动性能差，大大虚弱了其在工业中的普及应用；同时，现有装置中较难实现小体积结构下高速水流输出的需求。针对这一需求，本专利提出采用超磁致伸缩材料产生超声能量，以实现对高压水流的加速，拓展超声水射流的工程应用。基于这一思路，本专利提出了一种磁致伸缩超声水射流结构。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种磁致伸缩超声水射流结构。

一种磁致伸缩超声水射流结构，所述超声水射流结构包括主超声驱动部件、辅助超声驱动部件、阀体部件和流道，主超声驱动部件和辅助超声驱动部件放置在阀体部件内，主超声驱动部件通过阀体部件的内圆锥面和内底面进行定位安装，流道设置于主超声驱动部件、辅助超声驱动部件与阀体部件间，主超声驱动部件包含住超磁致伸缩材料、前质量块、主变幅杆、主励磁线圈、壳体、结构腔和主驱动腔，超磁致伸缩材料、前质量块、主变幅杆由下至上依次焊接，超磁致伸缩材料、前质量块、主变幅杆放置在壳体的中心，壳体的内部粘接有主励磁线圈，结构腔设置于壳体与主变幅杆之间，主变幅杆顶端有主驱动腔；辅助超声驱动部件通过环氧灌封在结构腔内，辅助超声驱动部件主要包含辅助超磁致伸缩材料、辅助变幅杆、辅助励磁线圈和辅助驱动腔，辅助励磁线圈粘接在主变幅杆的底部外表面，辅助励磁线圈外表面粘接有环形辅助超磁致伸缩材料，环形辅助变幅杆粘接在辅助超磁致伸缩材料和辅助励磁线圈的上表面，辅助变幅杆的上表面有一辅助驱动腔；阀体部件主要包括阀体和端盖，端盖的左侧、右侧分别开有端盖槽左和端盖槽右，阀体和端盖间有阀体腔，端盖底端设有阀体入口，端盖上端设有阀体出头。

作为优选，所述的主超磁致伸缩材料和辅助超磁致伸缩材料的材料为TbDyFe合金；前质量块、主变幅杆、壳体、辅助变幅杆、端盖采用高强度高导磁#钢；阀体的材料为非导磁的结构钢。

作为优选，所述的主励磁线圈选用kHz-kHz的一次谐振模态频率，辅助励磁线圈选用-kHz具有较大轴向形变的模态频率，主励磁线圈所产生的功率约为辅助励磁线圈的-倍。

作为优选，所述的主超声驱动部件、辅助超声驱动部件、阀体部件、流道间均采用相同圆锥角θ，圆锥角θ取值约为°；主超声驱动部件中，前质量块的上表面直径与主超磁致伸缩材料的直径具有相同尺寸a，主超磁致伸缩材料与前质量块具有相同的质量M，主变幅杆底端直径d=.*a，上端直径g=.*f，主励磁线圈长度i为.倍的主超磁致伸缩材料长度b；辅助超声驱动部件中，k=j，且取值约为.-.倍的e，辅助励磁线圈的截面积约为辅助超磁致伸缩材料截面积的.；流道有效宽度取值约-mm。

作为优选，所述的水射流装置尺寸设计的规范如下，①选定水射流装置的设计圆锥角θ=°；②根据装置设计的功率需求和超磁致伸缩材料本身的功率密度，选定主超磁致伸缩材料的直径a和厚度b，过程中可参考b=.*a进行计算；③根据主超磁致伸缩材料与前质量块具有相同质量的原则，确定前质量块的下端直径c；④根据d=.*a原则，确定主变幅杆的下端直径d，根绝建议阀口直径f和准则g=.*f确定主变幅杆的上端直径g，根据圆锥角°原则，确定变幅杆的长度e和h；⑤根据i=.*b的 原则，确定主励磁线圈的长度；⑥根绝k=j、k+j取值约.-.倍的e、辅助励磁线圈截面积约.的辅助超磁致伸缩材料截面积，确定辅助超声驱动部件的尺寸设计；⑦根绝流道的宽度，完成壳体和阀体的尺寸设计。

作为优选，所述主超磁致伸缩材料在主励磁线圈所产生的交变磁场作用下，产生超声振动能量，驱动前质量块产生高频振动，并经由主变幅杆将超声能量聚集在主变幅杆的顶端，以超声波的能量形式，驱动主驱动腔内的水流产生高速水射流的效果，可用于超声切割、超声清洗等；与此同时，在结构腔区域设置有辅助超声驱动部件，辅助励磁线圈产生交变磁场，驱动辅助超磁致伸缩材料产生超声能量，经由辅助变幅杆实现流道内水流流速的加速，以实现流体经由流道达到出口前便具有较高的流速。

作为优选，所述主超声驱动部件和辅助超声驱动部件将分别工作在不同的谐振频率，两个工作频率将彼此耦合、相互影响，所述超声水射流结构的调试规范如下：

①在辅助超声驱动部件不工作时，调试主超声驱动部件，获得kHz-kHz间的一次谐振频率；

②接通辅助超声驱动部件电源，进行扫频测试，完成辅助超声驱动部件在kHz-kHz间的谐振模态筛选，选取最大轴向变形量下的模态频率；

③总结主超声驱动部件第一谐振频率在辅助超声驱动部件调试过程中的频率偏移特性，进行主超声驱动部件的第一谐振频率修正；

④进行辅助超声驱动部件模态频率的修正；

⑤重复步骤三和步骤四，完成主超声驱动部件和辅助超声驱动部件频率调试。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1）本发明所提出的磁致伸缩超声水射流结构，主要利用超磁致伸缩材料优越的磁机耦合特性和高的能量转换效率，便于超声换能器的小型、高性能化设计；同时该装置所产生的超声能量，可实现对高压水流的进一步加速，以满足工业应用中除尘、除锈对高压水枪的需求。

2）本发明的磁致伸缩超声水射流结构，其本身便具有传统水枪结构的水流加速功能，同时加入了不同频率的主超声驱动部件和辅助超声驱动部件，可实现水流在阀体内和阀体出口区域的超声加速，两级水流角度功能，可确保阀口高速水射流的输出。

3）本发明的磁致伸缩超声水射流结构，结构紧凑，易于安装拆卸，写可与现有阀门结构对接，采用主超声驱动+辅助超声驱动相结构的方式，功能上可弥补传统水枪结构中不易于宽流速调节的工程应用。

附图说明

图1是磁致伸缩超声水射流结构的主视图；

图2是主超声驱动部件的结构图；

图3是辅助超声驱动部件的结构图；

图4是阀体部件的结构图。

具体实施方式

以下所述仅是本发明的优选实施方式，保护范围并不仅局限于该实施例，凡属于本发明思路下的技术方案应当属于本发明的保护范围。同时应当指出，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

如图1至图4所示，一种磁致伸缩超声水射流结构，包括主超声驱动部件01，辅助超声驱动部件02，阀体部件03，流道04，其中，主超声驱动部件01和辅助超声驱动部件02放置在阀体部件03内，主超声驱动部件01通过阀体部件02的内圆锥面和内底面进行定位安装，主超声驱动部件01、辅助超声驱动部件02与阀体部件03间有流道04。主超声驱动部件01包含住超磁致伸缩材料011，前质量块012，主变幅杆013，主励磁线圈014，壳体015，结构腔016，主驱动腔017，其中，超磁致伸缩材料011、前质量块012、主变幅杆013依次焊接构成主超声驱动部件，放置在壳体015的中心，壳体015的内部粘接有主励磁线圈014，壳体015与主变幅杆013有结构腔016，主变幅杆013顶端有主驱动腔017；辅助超声驱动部件02通过环氧灌封在结构腔016内，其主要包含辅助超磁致伸缩材料021，辅助变幅杆022，辅助励磁线圈023，辅助驱动腔024，辅助励磁线圈023粘接在主变幅杆013的底部外表面，其外表面粘接有环形辅助超磁致伸缩材料021，环形辅助变幅杆022粘接在辅助超磁致伸缩材料021和辅助励磁线圈023的上表面，辅助变幅杆022的上表面有一辅助驱动腔024；阀体部件03主要包括阀体031和端盖032，端盖的左侧、右侧分别开有端盖槽左033和端盖槽右034，阀体031和端盖032间有阀体腔035，底端有阀体入口036，上端有阀体出头037。

主超磁致伸缩材料011和辅助超磁致伸缩材料021的材料为TbDyFe合金；前质量块012、主变幅杆013、壳体015、辅助变幅杆022、端盖031采用高强度高导磁10#钢；阀体031的材料为非导磁的结构钢。

主励磁线圈014选用20kHz-25kHz的一次谐振模态频率，辅助励磁线圈023选用30-40kHz具有较大轴向形变的模态频率，主励磁线圈014所产生的功率约为辅助励磁线圈023的3-5倍。

如图2和图3所示，主超磁致伸缩材料011在主励磁线圈014所产生的交变磁场作用下，产生超声振动能量，驱动前质量块012产生高频振动，并经由主变幅杆013将超声能量聚集在主变幅杆013的顶端，以超声波的能量形式，驱动主驱动腔内的水流产生告诉水射流的效果，可用于超声切割、超声清洗等；与此同时，在结构腔016区域设置有辅助超声驱动部件02，辅助励磁线圈023产生交变磁场，驱动辅助超磁致伸缩材料021产生超声能量，经由辅助变幅杆022实现流道04内水流流速的加速，以实现流体经由流道04达到出口前便具有较高的流速。所以，该结构装置具有两级液体流速加速的特点，以确保高速水射流的输出效果。

主超声驱动部件01、辅助超声驱动部件02、阀体部件03、流道04间均采用相同圆锥角θ，圆锥角θ取值约为30°；主超声驱动部件01中，前质量块012的上表面直径与主超磁致伸缩材料011的直径具有相同尺寸a，主超磁致伸缩材料011与前质量块012具有相同的质量M，主变幅杆013底端直径d=0.5*a，上端直径g=1.5*f，主励磁线圈014长度i为1.1倍的主超磁致伸缩材料011长度b；辅助超声驱动部件02中，k=j，且取值约为0.7-0.8倍的e，辅助励磁线圈023的截面积约为辅助超磁致伸缩材料021截面积的0.25；流道04有效宽度取值约1-5mm。

水射流装置尺寸设计的规范如下：

①选定水射流装置的设计圆锥角θ=30°；

②根据装置设计的功率需求和超磁致伸缩材料本身的功率密度，选定主超磁致伸缩材料011的直径a和厚度b，过程中可参考b=0.5*a进行计算；

③根据主超磁致伸缩材料011与前质量块012具有相同质量的原则，确定前质量块012的下端直径c；

④根据d=0.5*a原则，确定主变幅杆013的下端直径d，根绝建议阀口直径f和准则g=1.5*f确定主变幅杆013的上端直径g，根据圆锥角30°原则，确定变幅杆013的长度e和h；

⑤根据i=1.1*b的 原则，确定主励磁线圈014的长度；

⑥根绝k=j、k+j取值约0.7-0.8倍的e、辅助励磁线圈023截面积约0.25的辅助超磁致伸缩材料021截面积，确定辅助超声驱动部件的尺寸设计；

⑦根绝流道04的宽度，完成壳体015和阀体03的尺寸设计。

主超声驱动部件02和辅助超声驱动部件03将分别工作在不同的谐振频率，两个工作频率将彼此耦合、相互影响，超声水射流结构的调试规范如下：

①在辅助超声驱动部件03不工作时，调试主超声驱动部件02，获得20kHz-25kHz间的一次谐振频率；

②接通辅助超声驱动部件03电源，进行扫频测试，完成辅助超声驱动部件03在30kHz-40kHz间的谐振模态筛选，选取最大轴向变形量下的模态频率；

③总结主超声驱动部件02第一谐振频率在辅助超声驱动部件03调试过程中的频率偏移特性，进行主超声驱动部件02的第一谐振频率修正；

④进行辅助超声驱动部件03模态频率的修正；

⑤重复步骤三和步骤四，完成主超声驱动部件02和辅助超声驱动部件03频率调试。

Claims (7)

1.一种磁致伸缩超声水射流结构，其特征在于：所述超声水射流结构包括主超声驱动部件（01）、辅助超声驱动部件（02）、阀体部件（03）和流道（04），主超声驱动部件（01）和辅助超声驱动部件（02）放置在阀体部件（03）内，主超声驱动部件（01）通过阀体部件（02）的内圆锥面和内底面进行定位安装，流道（04）设置于主超声驱动部件（01）、辅助超声驱动部件（02）与阀体部件（03）间，主超声驱动部件（01）包含住超磁致伸缩材料（011）、前质量块（012）、主变幅杆（013）、主励磁线圈（014）、壳体（015）、结构腔（016）和主驱动腔（017），超磁致伸缩材料（011）、前质量块（012）、主变幅杆（013）由下至上依次焊接，超磁致伸缩材料（011）、前质量块（012）、主变幅杆（013）放置在壳体（015）的中心，壳体（015）的内部粘接有主励磁线圈（014），结构腔（016）设置于壳体（015）与主变幅杆（013）之间，主变幅杆（013）顶端有主驱动腔（017）；辅助超声驱动部件（02）通过环氧灌封在结构腔（016）内，辅助超声驱动部件（02）主要包含辅助超磁致伸缩材料（021）、辅助变幅杆（022）、辅助励磁线圈（023）和辅助驱动腔（024），辅助励磁线圈（023）粘接在主变幅杆（013）的底部外表面，辅助励磁线圈（023）外表面粘接有环形辅助超磁致伸缩材料（021），环形辅助变幅杆（022）粘接在辅助超磁致伸缩材料（021）和辅助励磁线圈（023）的上表面，辅助变幅杆（022）的上表面有一辅助驱动腔（024）；阀体部件（03）主要包括阀体（031）和端盖（032），端盖（032）的左侧、右侧分别开有端盖槽左（033）和端盖槽右（034），阀体（031）和端盖（032）间有阀体腔（035），端盖（032）底端设有阀体入口（036），端盖（032）上端设有阀体出头（037）。

2.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩超声水射流结构，其特征在于：所述的主超磁致伸缩材料（011）和辅助超磁致伸缩材料（021）的材料为TbDyFe合金；前质量块（012）、主变幅杆（013）、壳体（015）、辅助变幅杆（022）、端盖（031）采用高强度高导磁10#钢；阀体（031）的材料为非导磁的结构钢。

3.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩超声水射流结构，其特征在于：所述的主励磁线圈（014）选用20kHz-25kHz的一次谐振模态频率，辅助励磁线圈（023）选用30-40kHz具有较大轴向形变的模态频率，主励磁线圈（014）所产生的功率约为辅助励磁线圈（023）的3-5倍。

4.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩超声水射流结构，其特征在于：所述的主超声驱动部件（01）、辅助超声驱动部件（02）、阀体部件（03）、流道（04）间均采用相同圆锥角θ，圆锥角θ取值约为30°；主超声驱动部件（01）中，前质量块（012）的上表面直径与主超磁致伸缩材料（011）的直径具有相同尺寸a，主超磁致伸缩材料（011）与前质量块（012）具有相同的质量M，主变幅杆（013）底端直径d=0.5*a，上端直径g=1.5*f，主励磁线圈（014）长度i为1.1倍的主超磁致伸缩材料（011）长度b；辅助超声驱动部件（02）中，k=j，且取值约为0.7-0.8倍的e，辅助励磁线圈（023）的截面积约为辅助超磁致伸缩材料（021）截面积的0.25；流道（04）有效宽度取值约1-5mm。

5.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩超声水射流结构，其特征在于：所述的水射流装置尺寸设计的规范如下，①选定水射流装置的设计圆锥角θ=30°；②根据装置设计的功率需求和超磁致伸缩材料本身的功率密度，选定主超磁致伸缩材料（011）的直径a和厚度b，过程中可参考b=0.5*a进行计算；③根据主超磁致伸缩材料（011）与前质量块（012）具有相同质量的原则，确定前质量块（012）的下端直径c；④根据d=0.5*a原则，确定主变幅杆（013）的下端直径d，根绝建议阀口直径f和准则g=1.5*f确定主变幅杆（013）的上端直径g，根据圆锥角30°原则，确定变幅杆（013）的长度e和h；⑤根据i=1.1*b的 原则，确定主励磁线圈（014）的长度；⑥根绝k=j、k+j取值约0.7-0.8倍的e、辅助励磁线圈（023）截面积约0.25的辅助超磁致伸缩材料（021）截面积，确定辅助超声驱动部件的尺寸设计；⑦根绝流道（04）的宽度，完成壳体（015）和阀体（03）的尺寸设计。

6.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩超声水射流结构，其特征在于：所述主超磁致伸缩材料（011）在主励磁线圈（014）所产生的交变磁场作用下，产生超声振动能量，驱动前质量块（012）产生高频振动，并经由主变幅杆（013）将超声能量聚集在主变幅杆（013）的顶端，以超声波的能量形式，驱动主驱动腔（017）内的水流产生高速水射流的效果，可用于超声切割、超声清洗等；与此同时，在结构腔（016）区域设置有辅助超声驱动部件（02），辅助励磁线圈（023）产生交变磁场，驱动辅助超磁致伸缩材料（021）产生超声能量，经由辅助变幅杆（022）实现流道（04）内水流流速的加速，以实现流体经由流道（04）达到出口前便具有较高的流速。

7.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩超声水射流结构，其特征在于：所述主超声驱动部件（02）和辅助超声驱动部件（03）将分别工作在不同的谐振频率，两个工作频率将彼此耦合、相互影响，所述超声水射流结构的调试规范如下：

①在辅助超声驱动部件（03）不工作时，调试主超声驱动部件（02），获得20kHz-25kHz间的一次谐振频率；

②接通辅助超声驱动部件（03）电源，进行扫频测试，完成辅助超声驱动部件（03）在30kHz-40kHz间的谐振模态筛选，选取最大轴向变形量下的模态频率；

③总结主超声驱动部件（02）第一谐振频率在辅助超声驱动部件（03）调试过程中的频率偏移特性，进行主超声驱动部件（02）的第一谐振频率修正；

④进行辅助超声驱动部件（03）模态频率的修正；

⑤重复步骤三和步骤四，完成主超声驱动部件（02）和辅助超声驱动部件（03）频率调试。