CN113294537A - 一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀 - Google Patents

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潘辉
张昊
尹国校
吴雨薇
孙正
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陆吉
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Abstract

本发明公开了一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，包括聚氯乙烯凝胶封装体、传动杆、连接器、缸体，其中：所述聚氯乙烯凝胶封装体、连接器、缸体依次相连为一体，所述聚氯乙烯凝胶封装体内设置有聚氯乙烯凝胶驱动单元，连接器内设置有直线轴承，缸体内设置有滑阀；所述传动杆由相互连接的底座和圆柱形长杆组成，传动杆的底座与聚氯乙烯凝胶驱动单元相连，底座与直线轴承之间设置有圆环形的弹性体，弹性体处于预压状态，传动杆的圆柱形长杆依次穿过弹性体、直线轴承，其端部与滑阀连接。本发明结构简单，可实现伺服阀轻量化、体积小、响应快、功耗低、无噪声、无电磁干扰等优点。

Description

一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀
技术领域
本发明涉及一种基于PVC gel驱动的微型伺服阀，属于智能材料应用技术领域。
背景技术
随着科技的发展，过去由大卫星承担的空间任务改由小卫星、微小卫星、纳型卫星来承担。微小推进系统与传统推进系统相比有着结构简单、重量轻、体积小、功耗低等特点。这些小卫星不仅能进行姿态控制和轨道控制，而且还可以进行轨道机动，具有商业和军用价值。但是目前的推进系统和推进器很难满足现在小卫星的任务要求，必须研制微推进系统和微推进器，这就涉及到其中的关键部件——微型伺服阀。
传统意义上的阀一般是由电机驱动，体积较大、受电磁干扰、不易控制微小流量，因而难以满足用于外太空环境的微推进系统的应用需求。聚氯乙烯凝胶(poly vinylchloride gel，PVC gel)作为一种新型的电子型EAP材料，是一种非离子型聚合物凝胶，具有质量轻、应变应力大、工作频带宽、工作电压适中和响应速度快等优点。基于PVC gel驱动的微型伺服阀具有结构简单、重量轻、体积小、无噪音、功耗低、无电磁干扰等特点。可通过调节电信号类型控制PVC gel驱动单元收缩位移大小，从而控制伺服阀输出流量大小，实现流量精确控制，在微型推进系统和微推进器领域有着重要的应用前景，具有较高的商业推广应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，通过调节电信号类型控制聚氯乙烯凝胶驱动单元收缩位移大小，从而控制伺服阀输出流量大小，实现流量精确控制。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，包括聚氯乙烯凝胶封装体、传动杆、连接器、缸体，其中：所述聚氯乙烯凝胶封装体、连接器、缸体依次相连为一体，所述聚氯乙烯凝胶封装体内设置有聚氯乙烯凝胶驱动单元，连接器内设置有直线轴承，缸体内设置有滑阀；所述传动杆由相互连接的底座和圆柱形长杆组成，传动杆的底座与聚氯乙烯凝胶驱动单元相连，底座与直线轴承之间设置有圆环形的弹性体，弹性体处于预压状态，传动杆的圆柱形长杆依次穿过弹性体、直线轴承，其端部与滑阀连接。
所述聚氯乙烯凝胶驱动单元由数层聚氯乙烯凝胶驱动层叠加而成，每层聚氯乙烯凝胶驱动层由两片聚氯乙烯凝胶薄膜、夹在两片聚氯乙烯凝胶薄膜之间的金属网、以及贴附在两片聚氯乙烯凝胶薄膜另一面的金属箔片组成，其中，金属网作为阳极，金属箔片作为阴极。
所述聚氯乙烯凝胶薄膜通过增材制造技术或浇筑成型技术制备得到，厚度大于等于0.3mm。
所述聚氯乙烯凝胶薄膜由以下步骤制备得到：由聚氯乙烯(PVC)、增塑剂、PVC稳定剂和环氧大豆油以质量比(1:5:0.2:0.2)-(1:9:0.2:0.2)的比例混合均匀后，于温度180°油浴加热，并以匀速将混合溶液搅拌至均匀透明，然后浇筑在玻璃培养皿内，自然冷却，即得到柔软透明的聚氯乙烯凝胶薄膜。
所述金属网目数为8目-40目，厚度为200μm-700μm；所述金属箔片厚度为50μm-500μm，金属网和金属箔片的材质为铜、锌、铝或不锈钢。
所述连接器中间开有通孔，直线轴承过度配合安装在通孔内。
所述聚氯乙烯凝胶封装体、连接器和缸体的端面都设有法兰结构，并通过连接螺钉固定。
所述传动杆的长杆末端设置有外螺纹，滑阀中间开有螺纹孔，长杆末端与螺纹孔通过螺纹连接。
所述缸体侧壁开设有第一通孔和第二通孔。
所述弹性体的材质为聚氨酯。
本发明的原理是：当给聚氯乙烯凝胶驱动单元阳极和阴极通电时，聚氯乙烯凝胶薄膜会向金属网内蠕动，导致聚氯乙烯凝胶驱动单元在厚度方向上收缩，处于预压状态的弹性体恢复原状，从而驱动传动杆带动滑阀产生直线收缩位移。当撤去电压时，由于聚氯乙烯凝胶薄膜本身的弹性，聚氯乙烯凝胶驱动单元立即恢复到原状，弹性体恢复到预压状态。可通过调节电信号类型控制聚氯乙烯凝胶驱动单元收缩位移大小，从而控制伺服阀输出流量大小，实现流量精确控制。
有益效果：本发明的基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，结构简单，可实现伺服阀轻量化、体积小、响应快、功耗低、无噪声、无电磁干扰等优点，在微型推进系统和微推进器邻域有着重要的应用前景，具有较高的商业推广应用价值。
附图说明
图1为本发明的一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀整体剖面图；
图2为本发明的聚氯乙烯凝胶驱动单元结构；
图3为本发明的聚氯乙烯凝胶驱动层结构；
图4为本发明的聚氯乙烯凝胶封装体结构；
图5为本发明的传动杆结构；
图6为本发明的弹性体结构；
图7为本发明的连接器结构；
图8为本发明的缸体结构；
图9为本发明的滑阀结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，本发明的一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，包括聚氯乙烯凝胶封装体1、传动杆3、连接器5、缸体7，其中：聚氯乙烯凝胶封装体1、连接器5、缸体7依次相连为一体，聚氯乙烯凝胶封装体1内设置有聚氯乙烯凝胶驱动单元2，连接器5内设置有直线轴承6，缸体7内设置有滑阀8；传动杆3由相互连接的底座3-1和圆柱形长杆3-2组成，传动杆3的底座3-1与聚氯乙烯凝胶驱动单元2相连，底座3-1与直线轴承6之间设置有圆环形的弹性体4，弹性体4处于预压状态，传动杆3的圆柱形长杆3-2依次穿过弹性体4、直线轴承6，其端部与滑阀8连接。
聚氯乙烯凝胶封装体1、连接器5和缸体7的端面都设有法兰结构，并通过连接螺钉9固定。
如图2所示，聚氯乙烯凝胶驱动单元2由数层聚氯乙烯凝胶驱动层2-1叠加而成。聚氯乙烯凝胶驱动单元2的整体厚度10mm，直径10mm。
如图3所示，每层聚氯乙烯凝胶驱动层2-1由两片聚氯乙烯凝胶薄膜2-1-2、夹在两片聚氯乙烯凝胶薄膜2-1-2之间的金属网2-1-1、以及贴附在两片聚氯乙烯凝胶薄膜2-1-2另一面的金属箔片2-1-3组成，其中，金属网2-1-1作为阳极，金属箔片2-1-3作为阴极。金属网2-1-1直径10mm，目数20目，采用铝材质；PVC gel薄膜2-1-2直径10mm，厚度0.5mm；金属箔片直径10mm，采用铝材质。
聚氯乙烯凝胶薄膜2-1-2通过增材制造技术或浇筑成型技术制备得到，厚度大于等于0.3mm。具体的，聚氯乙烯凝胶薄膜2-1-2由以下步骤制备得到：由聚氯乙烯、增塑剂、PVC稳定剂和环氧大豆油以质量比1:5:0.2:0.2-1:9:0.2:0.2的比例混合均匀后，于温度180°油浴加热，并以匀速将混合溶液搅拌至均匀透明，然后浇筑在玻璃培养皿内，自然冷却，即得到柔软透明的聚氯乙烯凝胶薄膜。
如图4所示，聚氯乙烯凝胶封装体1的长30mm，直径14mm。
如图5所示，传动杆3的底座3-1的直径10mm，厚2mm，圆柱形长杆3-2的直径3mm，长25mm，圆柱形长杆3-2末端设置有外螺纹。
如图6所示，弹性体4为圆环型，直径10mm，中间有通孔4-1，通孔直径5mm，用于通过传动杆3的圆柱形长杆3-2。弹性体4的材质为聚氨酯。
如图7所示，连接器5中间开有通孔5-1，直线轴承6过度配合安装在通孔5-1内。
如图8所示，缸体7的长40mm，直径14mm，缸体7侧面分别开有两个直径5mm的第一通孔7-1和第二通孔7-2，用于流体的进出。
如图9所示，滑阀8中间开有螺纹孔8-1，长杆3-2末端与螺纹孔8-1通过螺纹连接。
初始状态时，滑阀8位于缸体7的第二通孔7-2位置，封闭第二通孔7-2，当对聚氯乙烯凝胶驱动单元2施加电信号，聚氯乙烯凝胶驱动单元2在厚度方向上收缩，通过弹性体4产生收缩力，从而驱动传动杆3带动滑阀8产生直线收缩运动。可通过调节电信号类型控制聚氯乙烯凝胶驱动单元2收缩位移大小，从而控制伺服阀输出流量大小，实现流量精确控制。
聚氯乙烯凝胶封装体1、传动杆3、连接器5、滑阀8可用3D打印或传统机械制造技术加工出来。弹性体4使用浇筑倒模工艺或增材制造工艺制备得到。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，其特征在于：包括聚氯乙烯凝胶封装体(1)、传动杆(3)、连接器(5)、缸体(7)，其中：所述聚氯乙烯凝胶封装体(1)、连接器(5)、缸体(7)依次相连为一体，所述聚氯乙烯凝胶封装体(1)内设置有聚氯乙烯凝胶驱动单元(2)，连接器(5)内设置有直线轴承(6)，缸体(7)内设置有滑阀(8)；所述传动杆(3)由相互连接的底座(3-1)和圆柱形长杆(3-2)组成，传动杆(3)的底座(3-1)与聚氯乙烯凝胶驱动单元(2)相连，底座(3-1)与直线轴承(6)之间设置有圆环形的弹性体(4)，弹性体(4)处于预压状态，传动杆(3)的圆柱形长杆(3-2)依次穿过弹性体(4)、直线轴承(6)，其端部与滑阀(8)连接。
2.根据权利要求1所述的基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，其特征在于：所述聚氯乙烯凝胶驱动单元(2)由数层聚氯乙烯凝胶驱动层(2-1)叠加而成，每层聚氯乙烯凝胶驱动层(2-1)由两片聚氯乙烯凝胶薄膜(2-1-2)、夹在两片聚氯乙烯凝胶薄膜(2-1-2)之间的金属网(2-1-1)、以及贴附在两片聚氯乙烯凝胶薄膜(2-1-2)另一面的金属箔片(2-1-3)组成，其中，金属网(2-1-1)作为阳极，金属箔片(2-1-3)作为阴极。
3.根据权利要求2所述的基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，其特征在于：所述聚氯乙烯凝胶薄膜(2-1-2)通过增材制造技术或浇筑成型技术制备得到，厚度大于等于0.3mm。
4.根据权利要求3所述的基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，其特征在于：所述聚氯乙烯凝胶薄膜(2-1-2)由以下步骤制备得到：由聚氯乙烯、增塑剂、PVC稳定剂和环氧大豆油以质量比(1:5:0.2:0.2)-(1:9:0.2:0.2)的比例混合均匀后，于温度180°油浴加热，并以匀速将混合溶液搅拌至均匀透明，然后浇筑在玻璃培养皿内，自然冷却，即得到柔软透明的聚氯乙烯凝胶薄膜。
5.根据权利要求2所述的基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，其特征在于：所述金属网(2-1-1)目数为8目-40目，厚度为200μm-700μm；所述金属箔片(2-1-3)厚度为50μm-500μm，金属网(2-1-1)和金属箔片(2-1-3)的材质为铜、锌、铝或不锈钢。
6.根据权利要求1所述的基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，其特征在于：所述连接器(5)中间开有通孔(5-1)，直线轴承(6)过度配合安装在通孔(5-1)内。
7.根据权利要求1所述的基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，其特征在于：所述聚氯乙烯凝胶封装体(1)、连接器(5)和缸体(7)的端面都设有法兰结构，并通过连接螺钉(9)固定。
8.根据权利要求1所述的基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，其特征在于：所述传动杆(3)的长杆(3-2)末端设置有外螺纹，滑阀(8)中间开有螺纹孔(8-1)，长杆(3-2)末端与螺纹孔(8-1)通过螺纹连接。
9.根据权利要求1所述的基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，其特征在于：所述缸体(7)侧壁开设有第一通孔(7-1)和第二通孔(7-2)。
10.根据权利要求1所述的基于聚氯乙烯凝胶驱动的微型伺服阀，其特征在于：所述弹性体(4)的材质为聚氨酯。
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