CN114719067A - 一种用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，包括压电驱动单元、阀体单元、阀芯单元；压电驱动单元包括压电叠堆、压电调节板、调节螺栓、推动杆、推动杆挡板、碟形弹簧、弹簧压板；阀体单元包括底部端盖、下阀体、O型圈、上阀体、顶部端盖；阀芯单元包括阀芯、碟形弹簧、唇形密封圈。压电驱动单元设在上阀体中，一端接触推动杆驱动阀芯打开，另一端连接压电调节板，通过调节螺栓调节压电叠堆位置及预紧力。本发明采用压电直接驱动，减少阀在工作时因驱动造成的响应迟滞，实现快速响应特性；阀芯与下阀体之间环形流域实现大流量特性；其阀芯处设置碟形弹簧和下阀体面接触的刚性结构，有效抑制进气口与出气口之间压缩空气泄漏。

Description

一种用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀

技术领域

本发明涉及气动技术领域，具体而言，尤其涉及一种用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀。

背景技术

随着数字控制技术的飞速发展和在工业中的广泛应用，高速开关阀已经成为机电一体化设备中广泛应用的气动控制元件，可代替抗污染能力差、能耗浪费多、易出现故障、价格高的比例阀或电液伺服阀，主要应用于航空航天领域、工程机械、冶金机械、煤矿机械、农业机械等重要工程领域。高速开关阀可由微控制器或计算机直接进行控制，无须中间数模转换或线性放大器件，对其进行操作、维护非常方便；同时由于其自身所具有的体积小、成本低、抗污染能力强、功率质量比大、切换迅速、重复误差小等优点，因此高速开关阀成为了当今气动控制技术研究和发展的重要方向。

高速开关阀作为气动控制系统的关键元件，其电-机转换器以及阀体结构的研究已受到国内外的重视。传统的流体控制阀门大量使用了电磁铁作为电- 机械转换级，把电控制信号转换为机械的位移，推动阀芯，实现通路的打开、切换或输出压力、流量的控制。电磁阀有价格低廉，操作使用方便等优点；但也存在体积大、功耗大、响应速度慢、存在发热及电磁干扰等缺点，在一些使用场所受到了限制。随着工程机械等的发展，对高速开关阀提出更高的性能要求，特别是在电-机转换器结构的优化与创新、新的阀体阀芯结构的研制与开发、新材料的应用及发展等方面，从而使得高速开关阀的发展得到了越来越多的重视。

早期的开关阀主要应用于简单的开关控制，如用来控制气缸实现点到点位置控制等，该时期的阀门开闭速度较慢，动作频率一般在次秒以下。进入二十世纪年代后，人们开始寻求高频响、抗污染能力强、低成本的气动控制系统实现方案，气动高速开关阀自此逐步进入研究者的视野。随着食品、医疗卫生、工业自动化等领域的蓬勃发展，包括自动包装、定量给料、医药产品粘结等在内的众多新技术，促使高速开关阀这一数字式控制元件作为电子计算机与被控对象间的联系桥梁获得大范围应用，这些应用利用的主要是其快速响应特性。而伴随数字技术的发展，高速开关阀在工业自动化中的应用范围也逐步由传统的简单开环控制系统向伺服控制系统中拓展，它被研究者逐渐用于实现低成本的力、位移、速度伺服控制。

高速开关阀作为气动控制系统的关键元件，其电-机转换器以及阀体结构的研究已受到国内外的重视。传统的流体控制阀门大量使用了电磁铁作为电- 机械转换级，把电控制信号转换为机械的位移，推动阀芯，实现通路的打开、切换或输出压力、流量的控制。电磁阀有价格低廉，操作使用方便等优点；但也存在体积大、功耗大、响应速度慢、存在发热及电磁干扰等缺点，在一些使用场所受到了限制。随着工程机械等的发展，对高速开关阀提出更高的性能要求，特别是在电-机转换器结构的优化与创新、新的阀体阀芯结构的研制与开发、新材料的应用及发展等方面，从而使得高速开关阀的发展得到了越来越多的重视。对于不同智能材料驱动的高速开关阀，利用压电叠堆驱动高速开关阀的响应时间最快，现有研究中所设计的开关阀响应时间基本都可在1ms以下，但流量都较小，大多在20L/min以下。由于传统的电磁式的电- 机转换器存在频响不高，推力不足等问题，利用智能材料作为电-机转换器可以提高高速开关阀的频响和流量输出精度。在具体应用上，由于压电的高频响、高输出力和小输出位移的特性，可以牺牲一部分频响和输出力来控制更大的流量，如通过增加阀芯通径、增加微位移放大装置或作为先导阀。

发明内容

根据上述提出的传统开关阀响应慢、流量小的技术问题，而提供一种用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀。本发明主要利用压电材料的高频响和高输出力的特性，解决传统高速开关阀响应速度慢、功耗大、流量小的问题。

本发明采用的技术手段如下：

一种用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，包括：压电驱动单元、阀体单元、阀芯单元；其中：

所述压电驱动单元，包括压电叠堆、压电调节板、调节螺栓、推动杆、推动杆挡板、第一碟形弹簧、弹簧压板；

所述阀体单元，包括底部端盖、下阀体、O型圈、上阀体、顶部端盖；

所述阀芯单元，包括阀芯、第二碟形弹簧、唇形密封圈。

进一步地，所述压电驱动单元中，部件连接关系如下：

所述压电叠堆设置在所述上阀体中，且压电叠堆的一端连接压电调节板，另一端与所述推动杆接触；

所述推动杆的一端设置有推动杆挡板，另一端连接所述第一碟形弹簧和弹簧压板，使得推动杆在一定范围内往复直线运动并防止所述第一碟形弹簧对阀芯产生挤压；

所述压电调节板设置在所述上阀体与顶部端盖中，移动位置受到限制；

所述调节螺栓用于调节压电叠堆的位置与预紧力。

进一步地，所述阀体单元中，部件连接关系如下：

所述上阀体与所述下阀体通过螺纹连接，所述上阀体与所述顶部端盖通过螺纹连接；所述下阀体与底部端盖通过螺栓连接；

所述下阀体与底部端盖通过所述O形圈密封。

进一步地，所述阀芯单元中，部件连接关系如下：

所述阀芯在设置在所述下阀体中，所述阀芯的一端与所述推动杆接触，另一端与第二碟形弹簧接触；

所述唇形密封圈用于所述阀芯一端的动密封，所述阀芯与所述下阀体采用自身的面接触进行密封。

进一步地，所述下阀体上设置有进气口和出气口，进气口和出气口均设置在所述下阀体的同一侧面。

进一步地，所述第二碟形弹簧设置在所述阀芯与底部端盖之间，通过第二碟形弹簧的弹簧形变实现所述进气口与所述出气口连通与断开。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，可用PWM信号直接控制压电叠堆实现阀的频繁启闭，减少了驱动过程中的滞后，提高了响应速度。

2、本发明提供的用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，利用阀芯与下阀体的刚性接触实现进气口与出气口之间的密封，在阀芯上采用唇形密封圈实现阀芯往复运动时的动密封，减少了开关阀的泄漏问题；

3、本发明提供的用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，在阀芯和推动杆处设置碟形弹簧，辅助器复位关闭阀芯并利用其刚度大的特点减少阀芯高速运动时的冲击振动。

基于上述理由本发明可在气动等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明压电式气动高速开关阀的结构原理示意图。

图2为本发明压电式气动高速开关阀的底部端盖的剖面图。

图3为本发明压电式气动高速开关阀的底部端盖的正视图。

图中：1、底部端盖；2、O型圈；3、第二碟形弹簧；4、下阀体；5、第一碟形弹簧；6、推动杆；7、上阀体；8、顶部端盖；9、调节螺栓；10、压电调节板；11、压电叠堆；12、推动杆挡板；13、弹簧压板；14、唇形密封圈；15、阀芯；P、进气口；T、出气口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，包括：压电驱动单元、阀体单元、阀芯单元；其中：

所述压电驱动单元，包括压电叠堆11、压电调节板10、调节螺栓9、推动杆6、推动杆挡板12、第一碟形弹簧5、弹簧压板13；所述压电驱动单元中，部件连接关系如下：

所述压电叠堆11设置在所述上阀体7中，且压电叠堆11的一端连接压电调节板10，另一端与所述推动杆6接触；

所述推动杆6的一端设置有推动杆挡板12，另一端连接所述第一碟形弹簧5和弹簧压板13，使得推动杆6在一定范围内往复直线运动并防止所述第一碟形弹簧5对阀芯15产生挤压；

所述压电调节板10设置在所述上阀体7与顶部端盖8中，移动位置受到限制；

所述调节螺栓9用于调节压电叠堆11的位置与预紧力。

所述阀体单元，包括底部端盖1、下阀体4、O型圈2、上阀体7、顶部端盖8；所述阀体单元中，部件连接关系如下：

所述上阀体7与所述下阀体4通过螺纹连接，所述上阀体7与所述顶部端盖8通过螺纹连接；所述下阀体4与底部端盖1通过螺栓连接；

所述下阀体4与底部端盖1通过所述O形圈2密封。

所述阀芯单元，包括阀芯15、第二碟形弹簧3、唇形密封圈14。所述阀芯单元中，部件连接关系如下：

所述阀芯(15)在设置在所述下阀体(4)中，所述阀芯(15)的一端与所述推动杆(6)接触，另一端与第二碟形弹簧(3)接触；

所述唇形密封圈14用于所述阀芯15一端的动密封，所述阀芯15与所述下阀体4采用自身的面接触进行密封。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述下阀体4上设置有进气口P和出气口T，进气口P和出气口T均设置在所述下阀体4的同一侧面。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第二碟形弹簧3设置在所述阀芯15与底部端盖1之间，通过第二碟形弹簧3的弹簧形变实现所述进气口P与所述出气口T连通与断开。

综上，如图1所示，在开关阀的结构中，调节螺栓9、压电调节板10、压电叠堆11、推动杆6、第一碟形弹簧5、阀芯15、第二碟形弹簧3、底部端盖1依次相接触，压电调节板10在顶部端盖8与上阀体7之间，压电叠堆 11在上阀体7中，一端通过调节螺栓9对压电叠堆11进行初始位置及预紧力的设置，另一端通过推动杆6实现阀芯15的启闭，推动杆6一端有推动杆挡板12，对推动杆6的移动方向和距离进行限制，只能进行往复直线移动，在推动杆6与阀芯15之间有一个弹簧压板13，可以防止此处的第一碟形弹簧5对阀芯15产生挤压，两处的碟形弹簧用于推动杆6与阀芯15的复位，阀芯15一端开有密封槽，安装唇形密封圈14实现阀芯15往复运动时的动密封，在下阀体4上具有在同一侧面的进气口P和出气口T，一端与上阀体7相连，另一端与底部端盖通过螺栓连接，端面有密封圈槽，安装O形密封圈 2实现与底部端盖1的密封。

本发明提供的用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，其工作原理如下：

对压电叠堆进行通电后，压电叠堆11产生形变，使得推动杆6与阀芯 15移动，此时进气口P与通气口T相连，阀开始工作；当对压电叠堆11断电时，压电叠堆形变恢复，两处的第一碟形弹簧5和第二碟形弹簧3利用挤压产生的力将阀芯15与推动杆6复位，进气口P与出气口T断开，此时阀结束工作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，其特征在于，包括：压电驱动单元、阀体单元、阀芯单元；其中：

所述压电驱动单元，包括压电叠堆(11)、压电调节板(10)、调节螺栓(9)、推动杆(6)、推动杆挡板(12)、第一碟形弹簧(5)、弹簧压板(13)；

所述阀体单元，包括底部端盖(1)、下阀体(4)、O型圈(2)、上阀体(7)、顶部端盖(8)；

所述阀芯单元，包括阀芯(15)、第二碟形弹簧(3)、唇形密封圈(14)。

2.根据权利要求1所述的用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，其特征在于，所述压电驱动单元中，部件连接关系如下：

所述压电叠堆(11)设置在所述上阀体(7)中，且压电叠堆(11)的一端连接压电调节板(10)，另一端与所述推动杆(6)接触；

所述推动杆(6)的一端设置有推动杆挡板(12)，另一端连接所述第一碟形弹簧(5)和弹簧压板(13)，使得推动杆(6)在一定范围内往复直线运动并防止所述第一碟形弹簧(5)对阀芯(15)产生挤压；

所述压电调节板(10)设置在所述上阀体(7)与顶部端盖(8)中，移动位置受到限制；

所述调节螺栓(9)用于调节压电叠堆(11)的位置与预紧力。

3.根据权利要求1所述的用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，其特征在于，所述阀体单元中，部件连接关系如下：

所述上阀体(7)与所述下阀体(4)通过螺纹连接，所述上阀体(7)与所述顶部端盖(8)通过螺纹连接；所述下阀体(4)与底部端盖(1)通过螺栓连接；

所述下阀体(4)与底部端盖(1)通过所述O形圈(2)密封。

4.根据权利要求1所述的用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，其特征在于，所述阀芯单元中，部件连接关系如下：

所述阀芯(15)在设置在所述下阀体(4)中，所述阀芯(15)的一端与所述推动杆(6)接触，另一端与第二碟形弹簧(3)接触；

所述唇形密封圈(14)用于所述阀芯(15)一端的动密封，所述阀芯(15)与所述下阀体(4)采用自身的面接触进行密封。

5.根据权利要求1所述的用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，其特征在于，所述下阀体(4)上设置有进气口(P)和出气口(T)，进气口(P)和出气口(T)均设置在所述下阀体(4)的同一侧面。

6.根据权利要求5所述的用于气动数字控制的大流量压电直驱式高速开关阀，其特征在于，所述第二碟形弹簧(3)设置在所述阀芯(15)与底部端盖(1)之间，通过第二碟形弹簧(3)的弹簧形变实现所述进气口(P)与所述出气口(T)连通与断开。

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