CN112502965B - 一种用于精密液体传输的压电螺杆泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于精密液体传输的压电螺杆泵，属于压电螺杆泵和流固耦合技术领域。包括螺杆泵和驱动机构。螺杆泵包括通过矩形螺纹间隙配合的螺杆和螺纹管，在螺纹管上设有进口和出口。驱动机构包括在同一平面内的一对压电振子，即水平压电振子和垂直压电振子；水平压电振子和垂直压电振子结构相同，压电振子包括一对位移放大件和压电叠堆，位移放大件为菱形空心框架件，一对位移放大件依次连接，压电叠堆固定设于一个位移放大件内。驱动机构通过柔性铰链连接着环形铰链的外圆周；环形铰链固定套设在螺纹管上。给驱动机构通入正向的正弦信号，通过环形铰链使螺纹管相对于螺杆进行椭圆运动，使螺杆和螺纹管之间的间隙产生变化，实现液体的传输。
Description
技术领域
本发明属于压电螺杆泵和流固耦合技术领域，具体涉及一种用于精密液体传输的压电螺杆泵。
背景技术
现有的压电螺杆泵的结构采用压电陶瓷片作为驱动器件，压电陶瓷片输出振幅小，导致压电螺杆泵的输出功率低；螺杆和螺纹管之间采用锥形螺纹啮合传动，且螺杆和螺纹管之间没有配合间隙。压电螺杆泵的输出流量完全由压电陶瓷片的输出振幅决定，不能通过螺杆和螺纹管的结构变化控制压电螺杆泵的输出流量，不能通过理论公式推导螺纹泵的输出流量，很难实现液体的精密传输控制。设计结构中没有固定装置，压电陶瓷工作时，螺杆和螺纹管都会产生振动，螺杆和螺纹管之间产生的间隙具有不确定性，导致压电螺杆泵的工作性能并不可靠，压电陶瓷片的工作效率不能得到有效利用。
传统的螺杆泵是通过电机带动螺杆进行工作的，大部分采用的是电磁电机，电磁电机的结构复杂、体积大，使螺杆泵不容易小型化。电磁电机断电后没有自锁能力，这使传统的螺杆泵无法保证液体传输的精密性。传统的电磁电机会产生电磁污染，在一些电磁干扰敏感的使用场合，传统的螺杆泵无法直接应用。大多数传统的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。
发明内容
为了实现通过结构的变化改变压电螺杆泵的输出流量，即压电螺杆泵输出流量的可控制，本发明提供一种用于精密液体传输的压电螺杆泵。
一种用于精密液体传输的压电螺杆泵包括螺杆泵和驱动机构，所述螺杆泵包括配合传动的螺杆6和螺纹管7；
所述驱动机构包括在同一平面内的一对压电振子，一对压电振子为水平压电振子和垂直压电振子；水平压电振子和垂直压电振子结构相同，压电振子包括一对位移放大件和压电叠堆，所述位移放大件为菱形空心框架件，一对位移放大件依次连接；所述压电叠堆固定设于一个位移放大件内；所述水平压电振子和垂直压电振子分别通过柔性铰链连接着环形铰链8的外圆周；环形铰链8用环氧树脂胶水9固定套设在螺纹管7上；
所述螺杆6和螺纹管7之间为矩形螺纹的间隙配合，螺杆6和螺纹管7两端的配合端面用环氧树脂胶水9密封；
所述螺纹管7的轴向一端管壁上开设有进口71，螺纹管7的轴向另一端管壁上开设有出口72，所述进口71的内端口和出口72的内端口分别连通着螺纹管7的内管壁；螺杆6和螺纹管6配合的轴向两端面密封，使螺杆6和螺纹管7的螺纹配合间隙、进口71和出口72构成密封的间隙流道10；
所述螺杆6的材料为光敏树脂；所述螺纹管7的材料为硅胶；
在纵振模态下，水平压电振子和垂直压电振子在相同电压、相同频率f、相位差90°的正弦信号作用下，二者的振动合成为环形铰链8带动螺纹管7在平面内的椭圆运动和螺纹管7相对螺杆6的椭圆运动，完成液体的传输；在纵振模态下，水平压电振子和垂直压电振子在相同电压、相同频率f、相位差–90°的正弦信号作用下，二者的振动合成为环形铰链8带动螺纹管7在平面内的反向椭圆运动和螺纹管7相对螺杆6的反向椭圆运动，完成液体的反向传输。
进一步限定的技术方案如下：
所述水平压电振子包括第一水平放大件21、第二水平放大件22和水平压电叠堆31；所述垂直压电振子包括第一垂直放大件23、第二垂直放大件24和垂直压电叠堆32；所述第一水平放大件21、第二水平放大件22、第一垂直放大件23和第二垂直放大件24结构相同，均为菱形空心框架件。
所述菱形空心框架件中的一条对角线为长对角线，另一条对角线为短对角线；两个菱形空心框架件在短对角线方向上依次连接；所述压电叠堆固定在一个菱形空心框架件的长对角线方向上，另一个菱形空心框架件的短对角线方向外部通过柔性铰链固定连接着环形铰链8。
所述菱形空心框架件的材料为锰钢，菱形空心框架件的长对角线方向的刚度为压电叠堆刚度的十分之一。
所述环形铰链8的材料为锰钢，环形铰链8的外圆周上两个柔性铰链之间的夹角为90°；所述柔性铰链为倒圆角直梁型柔性铰链结构，柔性铰链具有较小的弯曲刚度，使水平压电振子和垂直压电振子在纵振模式下更容易带动环形铰链形成椭圆运动。
所述螺纹管7材料硅胶的邵氏硬度为40HA。
所述螺杆6的两端设有长槽，螺栓放置在长槽中分别通过支撑杆4和垫片5固定在底座1上。
所述螺杆6和螺纹管7两端的配合端面用环氧树脂胶水9密封；所述环形铰链8套设在螺纹管7上，用环氧树脂胶水固定。
所述螺纹管公称直径D为10mm-30mm之间，螺纹管和螺杆的矩形螺纹宽d为0.5mm-2mm之间，配合间隙s为0.1-1mm之间，螺杆泵的理论输出流量Q≈π×D×s×d×f×60（ml/min）。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1. 本发明通过公式推导理论的输出流量，并且能够根据结构的变化来调整压电螺杆泵的输出流量。
本发明提出的压电螺杆泵的输出流量和螺纹管公称直径D、矩形螺纹宽度d、螺纹配合间隙s成正比例关系。
螺纹管每旋转一圈挤压的体积V≈π×D×s×d
每分钟螺纹管旋转的圈数X=f×60
螺纹管每分钟的流量为Q=V×X≈π×D×s×d×f×60
通过设计不同的矩形螺纹宽度d和螺纹配合间隙s，组成不同的输出流量Q等级的压电螺杆泵，调节驱动信号频率f可以调节压电螺杆泵的输出流量，使得压电螺杆泵的输出流量可以在一个较大的范围，因此本发明提出的压电螺杆泵能够应用在不同的流量需求的场合。现有技术中的螺杆泵不能计算出理论流量的，所以没有办法精确控制输出流量。
2.本发明的螺杆泵比现有螺杆泵流量大。本发明的驱动器件为压电叠堆和位移放大件组成的压电振子，输出振幅大，提高了压电螺杆泵的整体输出性能。现有的压电螺杆泵，螺纹公称直径12mm，螺纹宽1mm，在驱动信号800V频率13.8kHz下的输出流量为0.75ml/min，本发明提供的压电螺杆泵，螺纹公称直径12mm，螺纹宽1.5mm，配合间隙0.5mm，在驱动信号400V频率200Hz下的流量为10ml/min，有效地提高了压电螺杆泵的输出性能。
3.本发明的螺纹管上设有进口和出口，螺杆和螺纹管的螺纹配合间隙、进口和出口构成密封的间隙流道，直接连接物料管进行液体传输，使得液体的传输更加方便。现有的压电螺杆泵并没有设计进水口和出水口，不能直接连接物料管进行液体传输。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是驱动机构的结构示意图。
图3是环形铰链和螺纹管装配图。
图4是螺杆结构示意图。
图5是螺纹管的剖视图。
图6是螺杆和螺纹管配合剖视图。
图7是图6的局部放大图。
图8是压电振子和环形铰链工作原理图。
图9是螺杆和螺纹管工作原理图。
图10是驱动信号图。
图11是现有压电螺杆泵结构示意图。
图1-图8中序号：底座1、第一水平位移放大件21、第二水平位移放大件22、第一垂直位移放大件23、第二垂直位移放大件24、水平压电叠堆31、垂直压电叠堆32、支撑杆4、垫片5、螺杆6、螺纹管7、进口71、出口72、环形铰链8、环氧树脂胶水9、间隙流道10。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例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。
参见图1，一种用于精密液体传输的压电螺杆泵包括螺杆泵和驱动机构。
螺杆泵包括配合传动的螺杆6和螺纹管7。螺杆6的材料为光敏树脂，螺杆6的两端设计有长槽，且分别通过支撑杆4和垫片5固定在底座1上，见图4和图1。螺纹管7的材料为硅胶，邵氏硬度为40HA，参见图5。螺杆6和螺纹管7之间为矩形螺纹的间隙配合，螺纹公称直径为D，矩形螺纹宽度为d，矩形螺纹配合间隙为s，参见图6和图7。螺纹管7的轴向一端管壁上开设有进口71，螺纹管7的轴向另一端管壁上开设有出口72，进口71的内端口和出口72的内端口分别连通着螺纹管7的内管壁。参见图6，螺杆6和螺纹管7配合的轴向两端面之间通过环氧树脂胶水9密封，使螺杆6和螺纹管7的螺纹配合间隙、进口71和出口72构成密封的间隙流道10。
参见图2，驱动机构包括在同一平面内的一对压电振子，一对压电振子为水平压电振子和垂直压电振子，水平压电振子和垂直压电振子结构相同。水平压电振子包括第一水平放大件21、第二水平放大件22和水平压电叠堆31；垂直压电振子包括第一垂直放大件23、第二垂直放大件24和垂直压电叠堆32。
第一水平放大件21、第二水平放大件22、第一垂直放大件23和第二垂直放大件24结构相同，均为菱形空心框架件，菱形空心框架件的材料为锰钢，菱形空心框架件的长对角线方向的刚度为压电叠堆刚度的十分之一。
参见图2和图3，菱形空心框架件中的一条对角线为长对角线，另一条对角线为短对角线；两个菱形空心框架件在短对角线方向上依次连接；一个菱形空心框架件的短对角线方向外部固定连接着在底座1，另一个菱形空心框架件的短对角线方向外部通过柔性铰链固定连接着环形铰链8，环形铰链8固定套装在螺纹管7上，用环氧树脂胶水固定。水平压电叠堆31固定安装在与底座连接的第一水平放大件21的长对角线方向上，垂直压电叠堆32固定安装在与底座连接的第一垂直放大件23的长对角线方向上。
环形铰链8的材料为锰钢，参见图3，环形铰链8的外圆周上两个柔性铰链之间的夹角为90°，柔性铰链为倒圆角直梁型柔性铰链，柔性铰链具有较小的弯曲刚度，使水平压电振子和垂直压电振子在纵振模式下更容易带动环形铰链形成椭圆运动。
本发明的工作原理详细说明如下：
在具体实施过程中，给水平压电叠堆31和垂直压电叠堆32分别通入电压幅值相同，频率相同，相位差90°的正弦信号；如图10所示，水平压电叠堆31通入A信号，垂直压电叠堆32通入B信号，两组信号的压电幅值为V，频率为f，驱动信号A超前驱动信号B 90°。
当水平压电叠堆31和垂直压电叠堆32均没有通入驱动信号时，压电叠堆的位置保持不变，第一水平放大件21、第二水平放大件22、第一垂直放大件23和第二垂直放大件24位置保持不变，环形铰链8位置保持不变，如图8中（a）所示，螺杆6和螺纹管7的位置保持不变，间隙流道10保持初始状态，如图9中（a）所示。
当水平压电叠堆31和垂直压电叠堆32通入驱动信号在t0时刻，驱动信号A为正电压，压电幅值V，水平压电叠堆31在X轴方向扩张，第一水平放大件21和第二水平放大件22在X轴方向扩张，在Y轴方向收缩。驱动信号B电压为0，垂直压电叠堆32位置保持不变，第一垂直放大件23和第二垂直放大件24位置保持不变。所以环形铰链8相对初始位置向Y轴负方向移动，如图8中（d）所示。环形铰链8带动螺纹管7向Y轴负方向移动，如图9中（d）所示。
当水平压电叠堆31和垂直压电叠堆32通入驱动信号在t1时刻，驱动信号A电压为0，水平压电叠堆31位置保持不变，第一水平放大件21和第二水平放大件22位置保持不变。驱动信号B为正电压，压电幅值V，垂直压电叠堆32在Y轴方向扩张，第一垂直放大件23和第二垂直放大件24在Y轴方向扩张，在X轴方向收缩。环形铰链8相对初始位置向X轴负方向移动，如图8中（e）所示。环形铰链8带动螺纹管7向X轴负方向移动，如图9中（e）所示。
当水平压电叠堆31和垂直压电叠堆32通入驱动信号在t2时刻，驱动信号A电压为负电压，压电幅值为V，水平压电叠堆31在X轴方向收缩，第一水平放大件21和第二水平放大件22在X轴方向收缩，在Y轴方向扩张。驱动信号B电压为0，垂直压电叠堆32位置保持不变，第一垂直放大件23和第二垂直放大件24位置保持不变。所以环形铰链8相对初始位置向Y轴正方向移动，如图8中（b）所示。环形铰链8带动螺纹管7向Y轴正方向移动，如图9中（b）所示。
当水平压电叠堆31和垂直压电叠堆32通入驱动信号在t3时刻，驱动信号A电压为0，水平压电叠堆31位置保持不变，第一水平位移放大件21和第二水平位移放大件22位置保持不变。驱动信号B电压为负电压，压电幅值为V，垂直压电叠堆32在Y轴方向收缩，第一垂直位移放大件23和第二垂直位移放大件24在Y轴方向收缩，在X轴方向扩张。所以环形铰链8相对初始位置向X轴正方向移动，如图8中（c）所示。环形铰链8带动螺纹管7向X轴正方向移动，如图9中（c）所示。
当水平压电叠堆31和垂直压电叠堆32通入驱动信号在t4时刻，驱动信号和t0时刻一致。驱动信号A为正电压，压电幅值V，水平压电叠堆31在X轴方向扩张，第一水平放大件21和第二水平放大件22在X轴方向扩张，在Y轴方向收缩。驱动信号B电压为0，垂直压电叠堆32位置保持不变，第一垂直放大件23和第二垂直放大件24位置保持不变。所以环形铰链8相对初始位置向Y轴负方向移动，如图8中（d）所示。环形铰链8带动螺纹管7向Y轴负方向移动，如图9中（d）所示。
当驱动信号在t0-t1-t2-t3-t4循环工作时，如图10所示。水平压电叠堆31和垂直压电叠堆32和第一水平放大件21、第二水平放大件22、第一垂直放大件23和第二垂直放大件24的位置在（d）-（e）-（b）-（c）-（d）循环运动，如图8所示。螺杆6和螺纹管7的位置在（d）-（e）-（b）-（c）-（d）循环运动，如图9所示。
当螺杆6和螺纹管7的相对位置在（d）-（e）-（b）-（c）-（d）循环运动时，液体在间隙流道中受到挤压，从螺纹管7的进水口71被挤压到出水口72，驱动信号在t0-t1-t2-t3-t4循环工作时，液体就一直从进水口挤压到出水口，压电螺杆泵正常工作。
当在压电螺杆泵工作时关闭驱动信号，此时压电振子停止工作，压电叠堆的位置保持不变，第一水平放大件21、第二水平放大件22、第一垂直放大件23和第二垂直放大件24位置保持不变，环形铰链8位置保持不变，如图8中（a）所示，螺杆6和螺纹管7的位置保持不变，间隙流道10保持初始状态，如图9中（a）所示。螺纹管不再挤压液体，间隙流道10中的液体不再传输，实现精密液体传输控制。
在具体的实施案例中，使用的螺杆和螺纹管，螺纹管公称直径D为12mm，螺纹宽度d为1mm，配合间隙s为0.3mm，在驱动信号400V频率210Hz下的流量为2.8ml/min。
在具体的实施案例中，使用的螺杆和螺纹管，螺纹管公称直径D为12mm，螺纹宽度d为1.5mm，配合间隙s为0.3mm，在驱动信号400V频率215Hz下的流量为6.6ml/min。
在具体的实施案例中，使用的螺杆和螺纹管，螺纹管公称直径D为12mm，螺纹宽度d为1.5mm，配合间隙s为0.5mm，在驱动信号400V频率200Hz下的流量为10ml/min。
在具体的实施案例中，使用的螺杆和螺纹管，螺纹管公称直径D为24mm，螺纹宽度d为1.5mm，配合间隙s为0.5mm，在驱动信号400V频率205Hz下的流量为15.4ml/min。
换用不同公称直径D，螺纹宽度d，配合间隙s的螺杆6和螺纹管7，装配到环形铰链8中，组成不同输出流量等级的压电螺杆泵，调节驱动信号频率f可以调节压电螺杆泵的输出流量，使得压电螺杆泵的输出流量可以在一个较大的范围，使得本发明提出的压电螺杆泵能够应用在不同的流量需求的场合。
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 (9)
1.一种用于精密液体传输的压电螺杆泵，包括螺杆泵和驱动机构，所述螺杆泵包括配合传动的螺杆（6）和螺纹管（7），其特征在于：
所述驱动机构包括在同一平面内的一对压电振子，一对压电振子为水平压电振子和垂直压电振子；水平压电振子和垂直压电振子结构相同，压电振子包括一对位移放大件和压电叠堆，所述位移放大件为菱形空心框架件，一对位移放大件依次连接；所述压电叠堆固定设于一个位移放大件内；所述水平压电振子和垂直压电振子分别通过柔性铰链连接着环形铰链（8）的外圆周；环形铰链（8）固定套设在螺纹管（7）上；
所述螺杆（6）和螺纹管（7）之间为矩形螺纹的间隙配合，螺杆（6）和螺纹管（7）两端的配合端面密封；
所述螺纹管（7）的轴向一端管壁上开设有进口（71），螺纹管（7）的轴向另一端管壁上开设有出口（72），所述进口（71）的内端口和出口（72）的内端口分别连通着螺纹管（7）的内管壁；螺杆（6）和螺纹管（7）配合的轴向两端面密封，使螺杆（6）和螺纹管（7）的螺纹配合间隙、进口（71）和出口（72）构成密封的间隙流道（10）；
所述螺杆（6）的材料为光敏树脂；所述螺纹管（7）的材料为硅胶；
在纵振模态下，水平压电振子和垂直压电振子在相同电压、相同频率f、相位差90°的正弦信号作用下，二者的振动合成为环形铰链（8）带动螺纹管（7）在平面内的椭圆运动和螺纹管（7）相对螺杆（6）的椭圆运动，完成液体的传输；在纵振模态下，水平压电振子和垂直压电振子在相同电压、相同频率f、相位差–90°的正弦信号作用下，二者的振动合成为环形铰链（8）带动螺纹管（7）在平面内的反向椭圆运动和螺纹管（7）相对螺杆（6）的反向椭圆运动，完成液体的反向传输。
2.根据权利要求1所述的一种用于精密液体传输的压电螺杆泵，其特征在于：所述水平压电振子包括第一水平放大件（21）、第二水平放大件（22）和水平压电叠堆（31）；所述垂直压电振子包括第一垂直放大件（23）、第二垂直放大件（24）和垂直压电叠堆（32）；所述第一水平放大件（21）、第二水平放大件（22）、第一垂直放大件（23）和第二垂直放大件（24）结构相同，均为菱形空心框架件。
3.根据权利要求1所述的一种用于精密液体传输的压电螺杆泵，其特征在于：所述菱形空心框架件中的一条对角线为长对角线，另一条对角线为短对角线；两个菱形空心框架件在短对角线方向上依次连接，且一个菱形空心框架件的短对角线方向外部通过柔性铰链固定连接着环形铰链（8），所述压电叠堆固定在另一个菱形空心框架件的长对角线方向上。
4.根据权利要求1所述的一种用于精密液体传输的压电螺杆泵，其特征在于：所述菱形空心框架件的材料为锰钢，菱形空心框架件的长对角线方向的刚度为压电叠堆刚度的十分之一。
5.根据权利要求1所述的一种用于精密液体传输的压电螺杆泵，其特征在于：所述环形铰链（8）的材料为锰钢，环形铰链（8）的外圆周上两个柔性铰链之间的夹角为90°；所述柔性铰链为倒圆角直梁型柔性铰链结构，柔性铰链具有较小的弯曲刚度，使水平压电振子和垂直压电振子在纵振模式下更容易带动环形铰链形成椭圆运动。
6.根据权利要求1所述的一种用于精密液体传输的压电螺杆泵，其特征在于：所述螺纹管（7）材料硅胶的邵氏硬度为40HA。
7.根据权利要求1所述的一种用于精密液体传输的压电螺杆泵，其特征在于：所述螺杆（6）的两端设有长槽，螺栓放置在长槽中分别通过支撑杆（4）和垫片（5）固定在底座（1）上。
8.根据权利要求1所述的一种用于精密液体传输的压电螺杆泵，其特征在于：所述螺杆（6）和螺纹管（7）两端的配合端面用环氧树脂胶水（9）密封；所述环形铰链（8）套设在螺纹管（7）上，用环氧树脂胶水（9）固定。
9.根据权利要求1所述的一种用于精密液体传输的压电螺杆泵，其特征在于：所述螺纹管公称直径D为10mm-30mm之间，螺纹管和螺杆的矩形螺纹宽d为0.5mm-2mm之间，配合间隙s为0.1-1mm之间，螺杆泵的理论输出流量Q≈π×D×s×d×f×60（ml/min），f为调节驱动信号频率。
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