專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于壓電陶瓷的高頻慣性單向閥液壓泵及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于液壓泵制造和控制技術(shù)，涉及對(duì)單向閥的改進(jìn)，以及對(duì)壓電陶瓷的主動(dòng)控制。
背景技術(shù)：
目前，在工程機(jī)械、起重運(yùn)輸、冶金、航空航天、船舶等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、控制精度高的液壓泵。在無(wú)人駕駛飛機(jī)、導(dǎo)彈、及航天器等先進(jìn)飛行器中開(kāi)始使用電傳操縱系統(tǒng)來(lái)控制舵面及其他的機(jī)構(gòu)，而電傳操縱系統(tǒng)中采用的固液一體化舵機(jī)需要有一種體積小、能量密度高的液壓泵來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)中心泵提供高壓油源的方式。隨著壓電陶瓷技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們得以將壓電陶瓷應(yīng)用于給油液增壓。液壓往復(fù)泵在工作的每個(gè)周期通常需要一個(gè)變化的容腔和正確變化的油路，普通工業(yè)上的往復(fù)泵的油路是由單向閥來(lái)改變油路的，那是由于普通泵的工作頻率不高，單向閥在低頻條件下可以正常的工作，而壓電陶瓷往復(fù)泵工作在高頻情況下，這時(shí)若采用普通的單向閥必然會(huì)因?yàn)閱蜗蜷y響應(yīng)不了壓電陶瓷的工作頻率而無(wú)法正常工作。我們課題組提出了兩種解決方案，一種是利用壓電陶瓷來(lái)驅(qū)動(dòng)換向閥來(lái)改變油路(見(jiàn)專(zhuān)利《一種壓電陶瓷組合泵》)，另外的一種方法是本項(xiàng)專(zhuān)利提出的利用慣性力來(lái)提高單向閥工作頻率的結(jié)構(gòu)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種體積小，能量密度高，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，工作頻率高的小型液壓泵。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于壓電陶瓷的高頻慣性單向閥液壓泵，其硬件主要包括驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，隔膜活塞，高頻單向閥，控制電路，其特征在于，壓電陶瓷堆在將電能轉(zhuǎn)換成位移輸出，驅(qū)動(dòng)壓縮腔工作的同時(shí)，還精確的控制活塞的位置、速度和加速度；單向閥安裝在活塞上，處于一個(gè)非慣性系下，通過(guò)控制非慣性系的加速度可以將慣性力施加在閥芯上，從而迫使閥芯在可高頻條件下開(kāi)合工作。活塞通過(guò)金屬隔膜給壓縮腔增壓，有效地解決了泄露問(wèn)題。金屬隔膜同時(shí)在壓電陶瓷收縮的時(shí)候起到頂回活塞的作用。
給壓電陶瓷的控制信號(hào)為一個(gè)特殊的周期信號(hào)，每個(gè)周期的信號(hào)在前半周期使壓電陶瓷伸長(zhǎng)在后半周期使壓電陶瓷縮短。在壓電陶瓷換向的時(shí)候利用特殊的控制波型使活塞在短行程內(nèi)具有較大的某個(gè)方向的加速度，從而利用慣性力迫使閥芯在高頻情況下開(kāi)合工作。在對(duì)壓電陶瓷的輸入電壓上，考慮到壓電陶瓷對(duì)電壓的滯環(huán)效應(yīng)，以及溫度對(duì)壓電陶瓷的影響，對(duì)輸入電壓做主動(dòng)的實(shí)時(shí)修正，以保證控制的精度。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是與普通的小型液壓泵相比，在相同的功率下體積更小，能量密度更高，高頻工作頻率快，控制流量方便；與以前的壓電陶瓷泵相比，由于引入了慣性力開(kāi)啟單向閥，節(jié)省了一個(gè)專(zhuān)門(mén)開(kāi)啟高頻換向閥的壓電陶瓷。特別是其利用270V左右的電壓可以直接驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)使其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)方便。此外在低頻工作時(shí)可以精確的控制流量的大小，可以一定程度上代替醫(yī)學(xué)中的微量泵。


圖1是基于壓電陶瓷的高頻單向閥的液壓泵的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是活塞的三視3是活塞上高頻慣性單向閥的原理4是每個(gè)周期的控制信號(hào)加在壓電陶瓷上后，活塞的位移-時(shí)間、速度-時(shí)間、加速度-時(shí)間關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
本液壓泵在硬件上主要包括增壓機(jī)構(gòu)，利用壓電陶瓷較大的輸出力和高頻特性準(zhǔn)確控制活塞的位置速度和加速度，以達(dá)到給壓縮腔增壓和控制單向閥開(kāi)合的目的；吸油油路，連接低壓油源和壓縮腔，靠串接在其中的高頻單向閥來(lái)控制通斷，以保證每個(gè)周期的吸油動(dòng)作能正常實(shí)現(xiàn)；壓縮腔，一個(gè)周期變化容積的腔體，是泵所必需的一個(gè)要素；排油油路，連接高壓蓄能器和壓縮腔，靠串接在其中的高頻單向閥來(lái)控制通斷，以保證每個(gè)周期的壓油動(dòng)作能正常實(shí)現(xiàn)。
其中增壓機(jī)構(gòu)主要包括壓電陶瓷堆4，它將電能轉(zhuǎn)換成位移輸出，驅(qū)動(dòng)壓縮腔10工作，同時(shí)精確的控制活塞11的位置、速度和加速度；泵體6，給壓電陶瓷4起到支撐的作用；調(diào)節(jié)螺母5，其螺紋為細(xì)牙螺紋，用來(lái)調(diào)節(jié)壓電陶瓷4的位置和預(yù)應(yīng)力。
其中的吸油油路，主要包括吸油油路接口7，用于方便地連接低壓油源；波紋管8，用于連接震動(dòng)的活塞11與泵體6間的油路；吸油單向閥9，活塞上共有兩個(gè)吸油單向閥，它們起到將油源的低壓油送入到壓縮腔10而不讓壓縮腔10的油流回油源，當(dāng)其中一個(gè)單向閥故障堵塞時(shí)不影響另一個(gè)的正常工作，從而實(shí)現(xiàn)該環(huán)節(jié)的備份。
其中的壓縮腔10，主要是指泵蓋12，墊片1，金屬隔膜14形成了一個(gè)密閉的容腔，金屬隔膜14的微小形變?cè)斐闪巳萸?0體積的變化，使增壓成為了可能。泵蓋12的作用除了構(gòu)成壓縮腔10的一部分外還起到夾持金屬隔膜14的作用，墊片1主要用來(lái)密封和調(diào)整壓縮腔10的大小。金屬隔膜14的使用避免了考慮高頻運(yùn)動(dòng)下復(fù)雜的密封和潤(rùn)滑，避免了傳統(tǒng)活塞的泄漏，同時(shí)金屬隔膜14的恢復(fù)力可以將活塞11緊緊地壓在壓電陶瓷4前端，起到了恢復(fù)彈簧的作用。
其中的排油油路，主要包括排油油路接口3，用于方便地連接蓄能器；波紋管2，用于連接震動(dòng)的活塞11與泵體6間的油路；排油單向閥13，活塞11上共有兩個(gè)排油單向閥，它們起到將壓縮腔10的油送入到蓄能器而不讓蓄能器的油流回壓縮腔10，當(dāng)其中一個(gè)單向閥故障堵塞時(shí)不影響另一個(gè)的正常工作，從而實(shí)現(xiàn)該環(huán)節(jié)的備份。
下面詳細(xì)介紹一個(gè)周期中給壓電陶瓷4加上經(jīng)過(guò)主動(dòng)修正后的電壓信號(hào)后泵的工作情況，具體將一個(gè)周期分為六個(gè)階段，如圖4所示，假設(shè)泵如圖1般放置。
第I個(gè)階段，吸油單向閥9和排油單向閥13的閥芯17由于彈簧16的作用都處于關(guān)閉狀態(tài)，活塞11初速度為零，在初始位置上開(kāi)始以加速度a向左運(yùn)動(dòng)，以活塞為參考系閥芯受到向右的慣性力F，以及兩邊油液壓強(qiáng)差形成的壓力P，和油液的粘滯阻力T，彈簧16彈力N，當(dāng)F+P＞T±N時(shí)，閥芯受到的合力向右，于是吸油單向閥9的閥芯被緊緊地壓在閥腔的右端保持閉合狀態(tài)，排油單向閥13的閥芯開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)，讓排油單向閥打開(kāi)。該階段結(jié)束時(shí)活塞11的速度為V，而活塞11與各閥芯的相對(duì)速度為零。
第II個(gè)階段，活塞11保持速度V勻速向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)吸油單向閥9保持閉合狀態(tài)，排油單向閥13保持打開(kāi)狀態(tài)，活塞11推動(dòng)隔膜14將壓縮腔10里的油壓到排油接口3至蓄能器。
第III、IV兩個(gè)階段，活塞11先以-a的加速度繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度減為零到達(dá)左死點(diǎn)后以a的加速度向右運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)過(guò)程中以活塞11為參考系，閥芯均受到向左的慣性力F，以及兩邊油液壓強(qiáng)差形成的壓力P，和油液的粘滯阻力T，彈簧彈力N，當(dāng)F+P＞T-N時(shí)，排油單向閥13閥芯受到的合力向左，先閉合，當(dāng)F+P＞T+N時(shí)，吸油單向閥9閥芯受到的合力向左，開(kāi)始打開(kāi)。
第V個(gè)階段，活塞11保持速度V勻速向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)吸油單向閥9保持打開(kāi)狀態(tài)，排油單向閥13保持閉合狀態(tài)，隔膜14的恢復(fù)力將活塞11往右推時(shí)壓縮腔10擴(kuò)大，油源的低壓油通過(guò)吸油單向閥9被吸入壓縮腔10。
第VI、I個(gè)階段，活塞11以-a的加速度繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，直到速度減為零到達(dá)右死點(diǎn)，又以a的加速度向左作勻加速運(yùn)動(dòng)，從而又重復(fù)第I個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)階段和第III、IV兩個(gè)階段正好相反，吸油單向閥9先閉合，排油單向閥13再打開(kāi)，為第2個(gè)周期的第II個(gè)階段做好了準(zhǔn)備。
權(quán)利要求
1.一種基于壓電陶瓷的高頻慣性單向閥液壓泵，其硬件主要包括驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，隔膜活塞，高頻單向閥，控制電路，其特征在于壓電陶瓷堆在將電能轉(zhuǎn)換成位移輸出，驅(qū)動(dòng)壓縮腔工作的同時(shí)，還精確的控制活塞的位置、速度和加速度；單向閥安裝在活塞上，處于一個(gè)非慣性系下，通過(guò)控制非慣性系的加速度可以將慣性力施加在閥芯上，從而迫使閥芯在可高頻條件下開(kāi)合工作；活塞通過(guò)金屬隔膜給壓縮腔增壓，有效地解決了泄露問(wèn)題。金屬隔膜同時(shí)在壓電陶瓷收縮的時(shí)候起到頂回活塞的作用。
2.一種基于壓電陶瓷的高頻單向閥液壓泵的控制方法，其特征在于控制信號(hào)為一個(gè)特殊的周期信號(hào)，每個(gè)周期的信號(hào)在前半周期使壓電陶瓷伸長(zhǎng)，在后半周期使壓電陶瓷縮短。在壓電陶瓷換向的時(shí)候利用特殊的控制波型使活塞在短行程內(nèi)具有較大的某個(gè)方向的加速度，從而利用慣性力迫使閥芯在高頻情況下開(kāi)合而工作；在對(duì)壓電陶瓷的輸入電壓上，考慮到壓電陶瓷對(duì)電壓的滯環(huán)效應(yīng)，以及溫度對(duì)壓電陶瓷的影響，對(duì)輸入電壓作主動(dòng)的實(shí)時(shí)修正，以保證控制的精度。
全文摘要
本發(fā)明屬于液壓泵制造和控制技術(shù)，涉及對(duì)單向閥的改進(jìn)，以及對(duì)壓電陶瓷的主動(dòng)控制。該泵包括增壓機(jī)構(gòu)，吸油油路，壓縮腔，排油油路。其中增壓機(jī)構(gòu)采用智能材料壓電陶瓷作為換能機(jī)構(gòu)高頻震動(dòng)，以一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律推動(dòng)活塞直接驅(qū)動(dòng)壓縮腔，同時(shí)使活塞上的單向閥處于非慣性狀態(tài)，這使得連接在吸油油路和排油油路中的單向閥在慣性力的作用下有規(guī)律的開(kāi)合，而不被油液粘滯住，從而突破了普通單向閥不能在高頻(＞300Hz)情況下工作的瓶頸，使壓電陶瓷的頻率高，輸出力大的特點(diǎn)得以運(yùn)用到液壓泵的制造上來(lái)。
文檔編號(hào)F04B49/06GK101042129SQ20061006546
公開(kāi)日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月24日
發(fā)明者焦宗夏, 鄭俊麟 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)