CN117662832A - 基于贴片式螺纹压电作动器的压电闭锁阀及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于贴片式螺纹压电作动器的压电闭锁阀及其工作方法，压电闭锁阀包含阀体、阀芯、作动器、底座、滚动轴承、联轴器、以及压电锁紧机构；作动器包含金属基体、调节螺柱、第一至第四压电陶瓷片、以及第一至第四耳片；压电锁紧机构包含壳体、压电叠堆、碟簧和滑杆。工作时，作动器驱动阀芯进行位移，在阀芯阀体闭合时，通过压电锁紧机构增加阀芯、阀体闭合面之间的压力进行锁紧。本发明得益于独特的工作原理和机构，拥有耐压性高、适用性广等优点。

Description

基于贴片式螺纹压电作动器的压电闭锁阀及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电驱动领域，尤其涉及一种基于贴片式螺纹压电作动器的压电闭锁阀及其工作方法。

背景技术

锁闭阀具有换向和锁闭功能，对采暖、供水系统一户一组可以控制通断，非破坏性不能开启，实现有效控制，具有十分广泛的应用。

磁性锁闭阀，是依靠永久磁铁吸引力及电磁线圈产生的电磁吸引力之间的关系，使电磁阀保持在开阀或关阀的状态。一般用于一些重要的、特殊位置和功用的阀门上，防止阀门被任意开关使用。无任何空隙、防堵塞、防水、防腐、使用方便；深受供水、供暖、燃气、太阳能热水器等行业的青睐。

但现有锁闭阀碍于其较为复杂的内部结构，在耐压性能上存在一些局限性，且由于其结构设计，每种锁闭阀只能适配有限尺寸的管道，在适用性方面也存在不足。

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，提供一种基于贴片式螺纹压电作动器的压电闭锁阀及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于贴片式螺纹压电作动器的压电锁闭阀，包含阀体、阀芯、作动器、底座、滚动轴承、联轴器、以及压电锁紧机构；

所述阀体包含阀身、接入管和输出管，其中，所述阀身为一端开口另一端封闭的空心圆柱体，其侧壁上设有用于和所述接入管相配合的第一通孔以及用于和所述输出管相配合的第二通孔；所述接入管在第一通孔处和所述阀身密闭固连；所述输出管在第二通孔处和所述阀身密闭固连；

所述阀芯为一端开口另一端封闭的圆柱体，其封闭端位于阀体内，和阀体同轴；所述阀芯的外壁和阀体的内壁相互配合，使得阀芯能够在阀体内自由滑动且阀芯和阀体之间密闭；所述阀芯的轴长大于阀体的轴长；

所述作动器包含金属基体、调节螺柱、第一至第四压电陶瓷片、以及第一至第四耳片；

所述金属基体呈正四棱柱，包含第一端面、第二端面以及首尾依次相连的第一至第四侧壁，其第一端面沿轴线设有用于和所述调节螺栓相配合螺纹盲孔；

所述第一至第四压电陶瓷片结构相同，一一对应设置在所述第一至第四侧壁上，均沿厚度方向极化，其中，第一、第三压电陶瓷片对称设置且极化方向相同，第二、第四压电陶瓷片对称设置且极化方向相同；

所述调节螺柱一端和所述金属基体第一端面的螺纹盲孔螺纹相连，另一端和所述滚动轴承的内圈同轴固连；

所述第一至第四耳片一一对应设置在金属基体第一至第四侧壁的弯曲振动节点处，位于第一至第四压电陶瓷片和第二端面之间；

所述底座上设有用于和所述作动器相配合的安装孔；

所述第一至第四耳片均通过螺栓固定在底座上，使得金属基体的第二端位于所述安装孔内且金属基体和安装孔同轴；

所述压电锁紧机构包含壳体、压电叠堆、碟簧和滑杆；

所述壳体为两端封闭的空心圆柱体，一端通过所述联轴器和所述滚动轴承的外圈同轴固连，另一端中心设有用于和所述滑杆相配合的通孔；

所述压电叠堆设置在所述壳体内，一端和所述壳体靠近联轴器的端面固连；

所述滑杆设置在所述阀芯内，一端和阀芯封闭端的中心同轴固连，另一端从所述壳体的通孔处伸入壳体内，能够相对壳体自由滑动；

所述碟簧设置在壳体内，一端和所述滑杆固连，另一端和所述压电叠堆固连；

所述底座和阀体或外界固连；所述作动器用于驱动阀芯在阀体内开合；所述压电锁紧机构用于阀芯阀体完全闭合时增加阀芯和阀体闭合面之间的压力，进行锁紧。

作为本发明基于贴片式螺纹压电作动器的压电锁闭阀进一步的优化方案，所述第一至第四压电陶瓷片通过环氧树脂胶一一对应粘胶在所述第一至第四侧壁上。

作为本发明基于贴片式螺纹压电作动器的压电锁闭阀进一步的优化方案，所述金属基体的第一至第四侧壁之间均设有倒角。

本发明还公开了一种该基于贴片式螺纹压电作动器的压电锁闭阀的工作方法，包含以下步骤：

如果需要驱动压电锁闭阀开度变大：

将金属基体接地，对第一、第三压电陶瓷片施加第一信号，对第二、第四压电陶瓷片施加第二信号，第一、第二信号为相位差为π/2的正弦电压信号，使得金属基体螺纹上质点进行高频微幅振动，进而通过摩擦作用驱动调节螺柱旋转，使得阀芯朝阀体外滑动，压电锁闭阀开度变大；

如果需要驱动压电锁闭阀开度变小，调节第一、第二信号的相位差为-π/2即可；

如果需要驱动压电锁闭阀锁紧：在阀芯阀体完全闭合时，对作动器断电，通过金属基体和调节螺柱之间的螺纹进行自锁，然后对压电叠堆施加直流电，激励压电叠堆伸长，通过碟簧产生轴向锁紧力，使得阀芯和阀体闭合面之间锁紧。

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：

1. 本发明中金属基体和调节螺柱之间为螺纹配合，故而到达预定位置后可实现断电自锁，从而具有比传统锁闭阀更加优秀的耐压性能；

2. 本发明通过压电叠堆实现闭阀，与常规的锁闭阀相比，可以同时适配更多尺寸的管道，从而提高了适用性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中贴片式螺纹压电作动器的驱动信号示意图；

图3是本发明中金属基体的振动模态变化示意图；

图4是本发明进行锁紧时的工作原理示意图。

图中，1-阀身，2-接入管，3-输出管，4-阀芯，5-底座，6-金属基体，7-第一压电陶瓷片，8-第二压电陶瓷片，9-第四耳片，10-调节螺柱，11-滚动轴承，12-联轴器，13-壳体，14-压电叠堆，15-碟簧，16-滑杆。

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。

如图1所示，本发明公开了一种基于贴片式螺纹压电作动器的压电锁闭阀，包含阀体、阀芯、作动器、底座、滚动轴承、联轴器、以及压电锁紧机构；

所述阀体包含阀身、接入管和输出管，其中，所述阀身为一端开口另一端封闭的空心圆柱体，其侧壁上设有用于和所述接入管相配合的第一通孔以及用于和所述输出管相配合的第二通孔；所述接入管在第一通孔处和所述阀身密闭固连；所述输出管在第二通孔处和所述阀身密闭固连；

所述阀芯为一端开口另一端封闭的圆柱体，其封闭端位于阀体内，和阀体同轴；所述阀芯的外壁和阀体的内壁相互配合，使得阀芯能够在阀体内自由滑动且阀芯和阀体之间密闭；所述阀芯的轴长大于阀体的轴长；

所述作动器包含金属基体、调节螺柱、第一至第四压电陶瓷片、以及第一至第四耳片；

所述金属基体呈正四棱柱，包含第一端面、第二端面以及首尾依次相连的第一至第四侧壁，其第一端面沿轴线设有用于和所述调节螺栓相配合螺纹盲孔；

所述第一至第四压电陶瓷片结构相同，一一对应设置在所述第一至第四侧壁上，均沿厚度方向极化，其中，第一、第三压电陶瓷片对称设置且极化方向相同，第二、第四压电陶瓷片对称设置且极化方向相同；

所述调节螺柱一端和所述金属基体第一端面的螺纹盲孔螺纹相连，另一端和所述滚动轴承的内圈同轴固连；

所述第一至第四耳片一一对应设置在金属基体第一至第四侧壁的弯曲振动节点处，位于第一至第四压电陶瓷片和第二端面之间；

所述底座上设有用于和所述作动器相配合的安装孔；

所述第一至第四耳片均通过螺栓固定在底座上，使得金属基体的第二端位于所述安装孔内且金属基体和安装孔同轴；

所述压电锁紧机构包含壳体、压电叠堆、碟簧和滑杆；

所述壳体为两端封闭的空心圆柱体，一端通过所述联轴器和所述滚动轴承的外圈同轴固连，另一端中心设有用于和所述滑杆相配合的通孔；

所述压电叠堆设置在所述壳体内，一端和所述壳体靠近联轴器的端面固连；

所述滑杆设置在所述阀芯内，一端和阀芯封闭端的中心同轴固连，另一端从所述壳体的通孔处伸入壳体内，能够相对壳体自由滑动；

所述碟簧设置在壳体内，一端和所述滑杆固连，另一端和所述压电叠堆固连；

所述底座和阀体或外界固连；所述作动器用于驱动阀芯在阀体内开合；所述压电锁紧机构用于阀芯阀体完全闭合时增加阀芯和阀体闭合面之间的压力，进行锁紧。

所述第一至第四压电陶瓷片优先通过环氧树脂胶一一对应粘胶在所述第一至第四侧壁上。

所述金属基体的第一至第四侧壁之间均设有倒角。

本发明还公开了一种该基于作动器的压电锁闭阀的工作方法，包含以下步骤：

如果需要驱动压电锁闭阀开度变大：

如图2所示，将金属基体接地，对第一、第三压电陶瓷片施加第一信号，对第二、第四压电陶瓷片施加第二信号，第一、第二信号为相位差为π/2的正弦电压信号，使得金属基体螺纹上质点进行高频微幅振动，进而通过摩擦作用驱动调节螺柱旋转，使得阀芯朝阀体外滑动，压电锁闭阀开度变大；

如果需要驱动压电锁闭阀开度变小，调节第一、第二信号的相位差为-π/2即可；

如果需要驱动压电锁闭阀锁紧：在阀芯阀体完全闭合时，对作动器断电，通过金属基体和调节螺柱之间的螺纹进行自锁，然后对压电叠堆施加直流电，激励压电叠堆伸长，通过碟簧产生轴向锁紧力，使得阀芯和阀体闭合面之间锁紧。

如图3所示，以第一相驱动信号为正弦信号，第二相驱动信号为余弦信号为例，在一个运动周期中，时间t=0和t=T时，金属基体处于弯向Z轴负方向且弯曲挠度最大的极限位置；t=T/4时，金属基体处于弯向X轴正方向且弯曲挠度最大的极限位置；t=T/2时，金属基体处于弯向Z轴正方向且弯曲挠度最大的极限位置；t=3T/4时，金属基体处于弯向X轴负方向且弯曲挠度最大的极限位置。由此，当时间t从0→T/4→T/2→3T/4→T时，金属基体即可实现绕Y轴顺时针旋转一周的“摇头运动”。

金属基体产生的绕Y轴顺时针旋转的“摇头运动”会给予调节螺柱一个单一方向旋转的动力，使之产生单一方向的旋转。

如果4所示，如果需要驱动压电叠堆实现闭阀，则先驱动压电锁闭阀开度变小，在阀芯阀体完全闭合时，对作动器断电，通过金属基体和调节螺柱之间的螺纹进行自锁，然后对压电叠堆施加直流电，激励压电叠堆伸长，通过碟簧产生轴向锁紧力，使得阀芯和阀体闭合面之间锁紧。

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 (4)

1.基于贴片式螺纹压电作动器的压电锁闭阀，其特征在于，包含阀体、阀芯、作动器、底座、滚动轴承、联轴器、以及压电锁紧机构；

所述阀体包含阀身、接入管和输出管，其中，所述阀身为一端开口另一端封闭的空心圆柱体，其侧壁上设有用于和所述接入管相配合的第一通孔以及用于和所述输出管相配合的第二通孔；所述接入管在第一通孔处和所述阀身密闭固连；所述输出管在第二通孔处和所述阀身密闭固连；

所述阀芯为一端开口另一端封闭的圆柱体，其封闭端位于阀体内，和阀体同轴；所述阀芯的外壁和阀体的内壁相互配合，使得阀芯能够在阀体内自由滑动且阀芯和阀体之间密闭；所述阀芯的轴长大于阀体的轴长；

所述作动器包含金属基体、调节螺柱、第一至第四压电陶瓷片、以及第一至第四耳片；

所述金属基体呈正四棱柱，包含第一端面、第二端面以及首尾依次相连的第一至第四侧壁，其第一端面沿轴线设有用于和所述调节螺栓相配合螺纹盲孔；

所述第一至第四压电陶瓷片结构相同，一一对应设置在所述第一至第四侧壁上，均沿厚度方向极化，其中，第一、第三压电陶瓷片对称设置且极化方向相同，第二、第四压电陶瓷片对称设置且极化方向相同；

所述调节螺柱一端和所述金属基体第一端面的螺纹盲孔螺纹相连，另一端和所述滚动轴承的内圈同轴固连；

所述第一至第四耳片一一对应设置在金属基体第一至第四侧壁的弯曲振动节点处，位于第一至第四压电陶瓷片和第二端面之间；

所述底座上设有用于和所述作动器相配合的安装孔；

所述第一至第四耳片均通过螺栓固定在底座上，使得金属基体的第二端位于所述安装孔内且金属基体和安装孔同轴；

所述压电锁紧机构包含壳体、压电叠堆、碟簧和滑杆；

所述壳体为两端封闭的空心圆柱体，一端通过所述联轴器和所述滚动轴承的外圈同轴固连，另一端中心设有用于和所述滑杆相配合的通孔；

所述压电叠堆设置在所述壳体内，一端和所述壳体靠近联轴器的端面固连；

所述滑杆设置在所述阀芯内，一端和阀芯封闭端的中心同轴固连，另一端从所述壳体的通孔处伸入壳体内，能够相对壳体自由滑动；

所述碟簧设置在壳体内，一端和所述滑杆固连，另一端和所述压电叠堆固连；

所述底座和阀体或外界固连；所述作动器用于驱动阀芯在阀体内开合；所述压电锁紧机构用于阀芯阀体完全闭合时增加阀芯和阀体闭合面之间的压力，进行锁紧。

2.根据权利要求1所述的基于贴片式螺纹压电作动器的压电锁闭阀，其特征在于，所述第一至第四压电陶瓷片通过环氧树脂胶一一对应粘胶在所述第一至第四侧壁上。

3.根据权利要求1所述的基于贴片式螺纹压电作动器的压电锁闭阀，其特征在于，所述金属基体的第一至第四侧壁之间均设有倒角。

4.基于权利要求1所述的基于贴片式螺纹压电作动器的压电锁闭阀的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

如果需要驱动压电锁闭阀开度变大：

将金属基体接地，对第一、第三压电陶瓷片施加第一信号，对第二、第四压电陶瓷片施加第二信号，第一、第二信号为相位差为π/2的正弦电压信号，使得金属基体螺纹上质点进行高频微幅振动，进而通过摩擦作用驱动调节螺柱旋转，使得阀芯朝阀体外滑动，压电锁闭阀开度变大；

如果需要驱动压电锁闭阀开度变小，调节第一、第二信号的相位差为-π/2即可；

如果需要驱动压电锁闭阀锁紧：在阀芯阀体完全闭合时，对作动器断电，通过金属基体和调节螺柱之间的螺纹进行自锁，然后对压电叠堆施加直流电，激励压电叠堆伸长，通过碟簧产生轴向锁紧力，使得阀芯和阀体闭合面之间锁紧。