CN201013920Y

CN201013920Y - 一种压电晶体数字阀

Info

Publication number: CN201013920Y
Application number: CNU2007201074135U
Authority: CN
Inventors: 欧阳小平; 杨华勇
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2017-03-22

Abstract

本实用新型公开了一种压电晶体数字阀。其阀芯的结构一端为大圆柱体，另一端为阀芯锥阀部分，中间用小圆柱体连接而成；在阀体腔内的台肩上设有内装压缩弹簧的环形压电晶体，阀芯大圆柱体一侧与环形压电晶体端面接触，阀芯小圆柱体通过压缩弹簧孔后，其底端的阀芯锥阀部分能够压在阀座的油口上，压电晶体堆放置在阀芯大圆柱端与阀盖之间。它以压电晶体作为数字阀的驱动器，利用其高频响和高输出力的特性，解决数字阀高频响与高压、大流量间的矛盾，克服了压电晶体输出位移下，稳定变化下输出位移部稳定的问题。体积小，采用压电晶体作为执行器，节省阀的使用空间；频响200Hz以上；工作压力高，输出流量大；阀的性能不受温度变化的影响。

Description

一种压电晶体数字阀

技术领域

本实用新型涉及电液转换控制元件，尤其是涉及一种压电晶体数字阀。

背景技术

高速开关阀是一种新型数字式电液转换控制元件，采用脉冲流量控制方式，实现高精度的液压伺服控制，具有体积小、可靠性高、抗污染能力强和价格低廉等优点，可以替代制造成本高、抗污染性差的液压伺服阀，应用范围广泛。数字阀以提高响应频率来实现微量控制。尽管减小阀芯质量和液动力可以提高响应频率，但是开关阀响应频率的提高主要依靠增加驱动器作用力及缩小响应时间。高速开关阀的驱动器主要是强力电磁铁，一般响应时间为几个毫秒；高电磁力需要较多的安匝数，导致电磁阀发热，而且结构复杂、体积较大。受安装空间、电磁力、运动惯性等因素影响，进一步提高电磁阀的响应能力遇到了限制。此外，由于开关阀受开关时间的限制，阀芯行程不能太大，因此数字阀的额定流量受到限制。在相同驱动力下，增加阀的额定流量，将降低开关阀的响应速度。同时随着高速阀工作压力的增加，导致阀芯液动力的增加，也将降低开关阀的响应速度。因此，高速开关阀存在高速响应与高压、大流量之间的矛盾。目前国内外研制的高速电磁开关阀很难同时达到响应时间小于4ms、工作压力大于20Mpa、流量高于10L/Min，因而通常只能用作先导阀；而使用先导阀控制的数字阀，尽管能够实现高压、大流量，其频率响应却又大大降低。因此，寻求新型驱动器，以提高直动型高速开关阀的响应能力，解决高速响应与高压、大流量之间的矛盾是提高数字阀性能、扩大其应用范围的关键。

压电晶体驱动器是近年来发展起来的一种新型驱动器，具有以下特点：

1)响应快，可达GHz。

2)输出力大，可达kN以上。

3)功耗低，比电磁式驱动器低一个数量级。

尽管压电晶体能够大幅度提高开关阀的响应速度，但是由于输出位移只约占其长度的0.1％，通常为几十微米，而液压阀阀芯位移都在几百微米以上；因此，解决压电晶体驱动器位移放大的问题，是利用好压电晶体材料的关键。目前国际上采用的杠杆放大、压曲位移放大、液压放大等方法都没有很好地解决压电晶体微位移放大问题，同时还导致压电晶体输出力缩小、输出频率降低，因此，造成压电晶体数字阀的流量都很小。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种压电晶体数字阀，它以压电晶体作为数字阀的驱动器，利用其高频响和高输出力的特性，解决数字阀高频响与高压、大流量间的矛盾，同时克服了压电晶体输出位移下，稳定变化下输出位移部稳定的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：包括环形压电晶体，压电晶体堆，阀座，压缩弹簧，阀芯，阀盖，阀体，阀体旋紧螺帽，锁紧螺母，调节螺栓；所述的阀芯的结构一端为大圆柱体，另一端为阀芯锥阀部分，中间用小圆柱体连接而成；在阀体腔内的阀体台肩上设有内装压缩弹簧的环形压电晶体，阀芯大圆柱体一侧与环形压电晶体端面接触，阀芯小圆柱体通过压缩弹簧孔后，小圆柱体底端的阀芯锥阀部分能够压在阀座的油口上；压电晶体堆的一端套有轴套，放置在阀芯大圆柱端上，压电晶体堆的另一端经保护垫片放置在与阀盖上，阀盖上的调节螺栓顶在保护垫片，调节螺栓用锁紧螺母固定。阀体旋紧螺帽与阀体通过螺纹联接。阀芯锥阀部分的阀体上开有高压油液进口，阀座与阀体间装有O型密封圈，阀芯大圆柱体与阀体间装有密封圈来密封环形压电晶体内的高压油腔中的高压油p1。

所述的阀芯大圆柱体与阀体间装有密封圈为2个O型密封圈和1个PTFE密封圈。

本实用新型具有的有益效果是：

1)体积小，采用压电晶体作为执行器，节省了阀的使用空间；

2)频响响应高，可达200Hz以上；

3)工作压力高，输出流量大；

4)阀的性能不受温度变化的影响。

附图说明

图1是本实用新型压电晶体数字阀的结构原理图。

图2是数字阀阀芯运动阻力与阀芯位移示意图。

图3是本实用新型的一种压电晶体数字阀结构装配图。

图中：1、环形压电晶体，2、压电晶体堆，3、阀座，4、压缩弹簧，5、阀芯，6、阀盖，7、阀体，8、阀体旋紧螺帽，9、锁紧螺母，10、调节螺栓，11、保护垫片，12、密封圈，13、O型密封圈，14、O型密封圈，15、阀体台肩，16、轴套，A、高压油液进口，B、数字阀油液出口，C、高压油腔，5-1、阀芯大圆柱体，5-2、阀芯小圆柱体，5-3、阀芯锥阀部分。a、b分别为压电晶体堆的正负接线端，c、d分别为环形压电晶体正负接线端。

具体实施方式

图1是本实用新型压电晶体数字阀的结构原理图。本实用新型包括环形压电晶体1，压电晶体堆2，阀座3，压缩弹簧4，阀芯5，阀盖6，阀体7；所述的阀芯5的结构一端为大圆柱体，另一端为阀芯锥阀部分，中间用小圆柱体连接而成；在阀体7腔内的台肩上设有内装压缩弹簧4的环形压电晶体1，阀芯5大圆柱体一侧与环形压电晶体1端面接触，阀芯5小圆柱体通过压缩弹簧4孔后，小圆柱体底端的阀芯锥阀部分能够压在阀座3的油口上，压电晶体堆2放置在阀芯5大圆柱端与阀盖6之间。

图2是数字阀阀芯运动阻力与阀芯位移示意图。阀芯在打开或关闭瞬间，作用在阀芯上的运动阻力(包括液动力和液压力)最大；随着阀芯位移的增加，阀芯运动阻力迅速降低。本实用新型利用压电晶体高频响、高输出力特性提出一种的数字阀结构，采用2个压电晶体来分别打开和关闭阀芯。工作原理如下：高压油p1从高压油液进口A口流入，在压高压油p1的作用下，阀芯5被压在阀座3上，数字阀油液出口B口被关闭，没有油液从数字阀油液出口B口流出。打开阀芯，如图1a所示：当环形压电晶体1得电，压电晶体堆2失电，环形压电晶体1输出1kN以上的瞬时力F_PZT1推动阀芯，推动阀芯5加速运动，并在压缩弹簧4输出的力Fs的推动下继续运动，直至阀芯5运行到压电晶体堆2的位置，数字阀油液出口B口全部打开；关闭阀芯，如图1b所示：环形压电晶体1失电，压电晶体堆2得电，压电晶体堆2输出2kN以上的瞬时力F_PZT2推动阀芯5，使阀芯5加速运动，并在高压p₁的作用下继续运行，直到数字阀油液出口B口关闭。该数字阀利用压电晶体瞬时产生的高输出力，推动阀芯在高压下高速运行，输出大的流量(阀芯位移可达0.2mm以上)。由于利用的是压电晶体高输出力的冲击特性，其输出位移对数字阀功能的实现不产生影响，因此克服了压电晶体输出位移小和温度变化下输出位移不稳定的缺陷，同时解决了数字阀高频响、高压、大流量间的矛盾。

图3是本实用新型的一种压电晶体数字阀结构装配图。包括环形压电晶体1，压电晶体堆2，阀座3，压缩弹簧4，阀芯5，阀盖6，阀体7，阀体旋紧螺帽8，锁紧螺母9，调节螺栓10；所述的阀芯5的结构一端为大圆柱体5-1，另一端为阀芯锥阀部分5-3，中间用小圆柱体5-2连接而成；在阀体7腔内的阀体台肩15上设有内装压缩弹簧4的环形压电晶体1，阀芯大圆柱体5-1一侧与环形压电晶体1端面接触，阀芯小圆柱体5-2通过压缩弹簧4孔后，小圆柱体底端的阀芯锥阀部分5-3能够压在阀座3的油口上，B为数字阀油液出口；压电晶体堆2的一端套有轴套16，放置在阀芯5大圆柱端上，压电晶体堆2的另一端经保护垫片11放置在与阀盖6上，阀盖6上的调节螺栓10顶在保护垫片11，调节螺栓10用锁紧螺母9固定；阀体旋紧螺帽8与阀体7通过螺纹联接。阀芯锥阀部分5-3的阀体7上开有高压油液进口A，阀座3与阀体7间装有O型密封圈13，阀芯大圆柱体5-1与阀体7间装有2个O型密封圈14和1个PTFE密封圈12来密封环形压电晶体1内的高压油腔C中的高压油p1。

阀芯5的阀芯大圆柱体5-1可以在阀体7内滑动，阀芯5的阀芯锥阀部分5-3可以和阀座3的油口相接触，来关闭数字阀油液出口B。阀芯5的阀芯大圆柱体5-1通过2个O型密封圈14和1个PTFE密封圈12来密封高压油腔C的高压油p1；压电晶体堆2一端与阀芯上端相接触，一端与保护垫片11的下端面相接触；轴套16用来保证压电晶体堆2在运动过程中，始终位于轴心位置；保护垫片11用来保护电晶体堆2来自调节螺栓10的预紧力；调节螺栓10通过螺纹与阀盖6联接，来调节阀芯5的位移；锁紧螺母9通过螺纹与调节螺杆10联接，用来锁紧调节螺栓10；阀盖6的一端与阀体7的上端面相接触，并通过阀体台肩15来定位，阀盖6的另一端与阀体旋紧螺帽8的内端面相接触；阀体旋紧螺帽8与阀体7通过螺纹联接。

工作原理如下：

阀芯关闭：压电晶体堆2得电，输出2kN以上的冲击力，推动阀芯5加速下行，并在高压油液p1的作用下，关闭数字阀油液出口B。

阀芯打开：压电晶体堆2失电，环形压电晶体1得电，输出1kN以上的冲击力，推动阀芯5加速上行，并在压缩弹簧4和高压油液p1的作用下，打开数字阀油液出口B。

本实用新型的数字阀采用螺纹插装安装形式，能很好地应用到工程实际中。

本实用新型采用阀体旋紧螺帽8与阀体7通过螺纹联接，而不是采用4个螺栓将阀盖6与阀体7联接，节省了阀的空间。

a、b分别为压电晶体堆的正负接线端，c、d分别为环形压电晶体正负接线端，分别接到压电晶体电源控制器的正负极。

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种压电晶体数字阀，其特征在于：包括环形压电晶体(1)，压电晶体堆(2)，阀座(3)，压缩弹簧(4)，阀芯(5)，阀盖(6)，阀体(7)，阀体旋紧螺帽(8)，锁紧螺母(9)，调节螺栓(10)；所述的阀芯(5)的结构一端为大圆柱体(5-1)，另一端为阀芯锥阀部分(5-3)，中间用小圆柱体(5-2)连接而成；在阀体(7)腔内的阀体台肩(15)上设有内装压缩弹簧(4)的环形压电晶体(1)，阀芯大圆柱体(5-1)一侧与环形压电晶体(1)端面接触，阀芯小圆柱体(5-2)通过压缩弹簧(4)孔后，小圆柱体底端的阀芯锥阀部分(5-3)能够压在阀座(3)的油口上；压电晶体堆(2)的一端套有轴套(16)，放置在阀芯(5)大圆柱端上，压电晶体堆(2)的另一端经保护垫片(11)放置在与阀盖(6)上，阀盖(6)上的调节螺栓(10)顶在保护垫片(11)，调节螺栓(10)用锁紧螺母(9)固定；阀体旋紧螺帽(8)与阀体(7)通过螺纹联接，阀芯锥阀部分(5-3)的阀体(7)上开有高压油液进口(A)，阀座(3)与阀体(7)间装有O型密封圈(13)，阀芯大圆柱体(5-1)与阀体(7)间装有密封圈来密封环形压电晶体(1)内的高压油腔(C)中的高压油p1。

2.根据权利要求1所述的一种压电晶体数字阀，其特征在于：所述的阀芯大圆柱体(5-1)与阀体(7)间装有密封圈为2个O型密封圈(14)和1个PTFE密封圈(12)。