一種帶有新型半主動閥的壓電泵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種帶有半主動閥的壓電泵(以下簡稱半主動閥壓電泵)。準(zhǔn)確地說，涉及一種利用壓電疊堆致動器驅(qū)動，帶有新型半主動閥的高壓小型數(shù)字液壓泵。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電泵是微小型流體泵的一個重要分支，其工作原理是將壓電致動器高頻振動產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為可控性強(qiáng)的液壓能。相比于其它結(jié)構(gòu)泵而言，壓電泵具有更簡單的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其能量轉(zhuǎn)換部及流體驅(qū)動部為同一原件，中間沒有傳動機(jī)構(gòu)。同時，由于壓電材料具有響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)，因此壓電泵具有以下特點(diǎn):功耗小能量密度高、小尺寸低重量、高壽命、高可靠性；頻率范圍廣，可以在低能量消耗的條件下靈活的通過電壓與頻率對輸出性能進(jìn)行調(diào)整，輸出分辨率高；成本低，可作為一次性耗材進(jìn)行應(yīng)用；過流面單一、化學(xué)耐性好等。目前壓電泵已經(jīng)逐漸應(yīng)用于醫(yī)療、機(jī)械、小家電、消費(fèi)類產(chǎn)品、生物技術(shù)、燃料電池等研宄領(lǐng)域。
[0003]壓電泵需要工作在很高的頻率下才能產(chǎn)生足夠的輸出力，隨著科技的發(fā)展，人們逐漸解決了高頻壓電疊堆的驅(qū)動和質(zhì)量問題，限制壓電泵性能的因素由壓電疊堆轉(zhuǎn)向了進(jìn)出口單向閥。目前國內(nèi)外所研宄的壓電泵出口閥主要分為兩種，被動閥與主動閥。被動閥完全依靠液壓油的壓力來控制閥門的開啟與關(guān)閉，其結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，但是被動閥在響應(yīng)頻率和防止液壓油回流等問題上存在很大缺陷。主動閥由壓電材料制成，通過控制器給予其特定電壓，以實(shí)現(xiàn)閥門的開口與閉合，它在一定程度上提高了閥的響應(yīng)頻率，但其局限性在于這種單向閥制作復(fù)雜，需要很高精度的控制器控制。因此，如何提高單向閥的可靠性，使得單向閥在保證正常開關(guān)的同時最大限度的提高響應(yīng)頻率，將直接影響壓電泵的工作效率，這將極大地促進(jìn)液壓傳動在微機(jī)電系統(tǒng)、微流體高精度輸送、航空航天、行走機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出了一種帶有新型半主動閥的壓電泵。其基本原理是通過添加輔助油路，壓力油優(yōu)先進(jìn)入其中頂起彈性薄膜，輔助進(jìn)油口單向閥開啟，同時彈性薄膜將輔助油路與低壓油泵腔隔離，以保證高壓油不進(jìn)入低壓油區(qū)域。對稱設(shè)計的壓電泵形式保證壓電泵工作的連貫性，同時在一定程度上提高了壓電泵的工作頻率與輸出流量。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述要求，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種帶有新型半主動閥的液壓泵主要由泵體、壓電疊堆致動器、剛性元件、彈性膜片、彈性薄膜、進(jìn)油口單向閥、出油口單向閥和控制器組成，泵體被兩片彈性膜片分為左中右三個部分，其中中間部分為油路結(jié)構(gòu)，左右部分為驅(qū)動結(jié)構(gòu)。
[0006]所述的油路結(jié)構(gòu)包括進(jìn)油路、出油路以及輔助油路，進(jìn)油口通過進(jìn)油口單向閥與泵腔聯(lián)通，泵腔通過出油口單向閥與出油口聯(lián)通，輔助油路輔助入口單向閥的開啟。
[0007]所述的驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括壓電疊堆驅(qū)動器、剛性元件和彈簧，壓電疊堆致動器的推桿上套置有彈簧，剛性元件設(shè)置在推桿的頂端并與彈性膜片固定連接；
所述的壓電疊堆致動器受控于控制器。
[0008]其工作原理如下:給予兩個壓電疊堆驅(qū)動器方向相反，頻率一致的交流電后，兩個壓電疊堆會產(chǎn)生同向振動，從而帶動彈性膜片產(chǎn)生高頻振動，兩邊泵腔容積因此產(chǎn)生變化；當(dāng)左側(cè)驅(qū)動器收縮，右側(cè)驅(qū)動器伸長時，左側(cè)泵腔容積增大，右側(cè)泵腔容積減小，液壓油被壓縮，壓力油先進(jìn)入輔助油道頂起彈性薄膜，幫助左側(cè)進(jìn)油口單向閥開啟，壓力油頂開右側(cè)出油口單向閥流回油箱。同時，左側(cè)容積變大，泵腔內(nèi)出現(xiàn)真空，低壓油從進(jìn)油口進(jìn)入左側(cè)泵腔。此時，左側(cè)出油口單向閥與右側(cè)進(jìn)油口單向閥均關(guān)閉；當(dāng)左側(cè)驅(qū)動器伸長，右側(cè)驅(qū)動器收縮時，上述過程反向。
[0009]作為優(yōu)選的，采用了一種半主動閥的結(jié)構(gòu)形式。在傳統(tǒng)油路中加入了輔助油路，高壓油在排出的過程中優(yōu)先進(jìn)入其中，頂起彈性薄膜，在完成輔助進(jìn)油口單向閥開啟任務(wù)后，再由出油口單向閥流回油箱。進(jìn)油口單向閥在液壓油和彈性薄膜的共同作用下開啟，低壓油由此進(jìn)入泵腔。入油口單向閥的開啟不完全依靠液壓油的作用，也不完全依靠外界的控制，工作時呈現(xiàn)一種半主動狀態(tài)。這樣可以提高單向閥的響應(yīng)頻率，保證了效率。
[0010]作為優(yōu)選的，采用一種對稱泵體結(jié)構(gòu)。兩個壓電疊堆交替工作，實(shí)現(xiàn)半主動閥工作連貫性，提高了工作效率，增大了輸出流量。
[0011]作為優(yōu)選的，本發(fā)明中輔助進(jìn)油口單向閥開啟的彈性薄膜是一種高分子聚合物，其具有很強(qiáng)的韌性，可以反復(fù)變形，在輔助進(jìn)油口單向閥開啟的同時也防止了高壓油進(jìn)入進(jìn)油口與低壓油混合。
[0012]作為優(yōu)選的，本發(fā)明中單向閥由高分子橡膠制成，與液壓油接觸不敏感，不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一端與泵體相嵌，無液壓油作用時呈平鋪狀態(tài)，可在液壓油作用下彎曲從而使進(jìn)出油口開啟。
[0013]本發(fā)明的主要有著以下幾個優(yōu)點(diǎn):
1.設(shè)計了新型的半主動截止閥，既能夠避免的被動閥開啟壓力不夠的問題，增大被動閥的響應(yīng)頻率，同時也能避免因使用主動閥給整個壓電泵的控制帶來的難題。
[0014]2.對稱設(shè)計的壓電泵泵體結(jié)構(gòu)，使得油路更加簡單，保證了液壓泵工作的連續(xù)性，同時提高了工作頻率與輸出流量。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明裝置整體剖視圖；
圖2是本發(fā)明裝置工作過程原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0017]如圖1所示:一種帶有新型半主動閥的壓電泵主要由泵體1、彈簧2、剛性元件3、彈性膜片4、進(jìn)油口單向閥5、輔助油路6、出油口單向閥7、出油口油路8、進(jìn)油口油路9、電路10、功率放大器11、信號控制器12、壓電疊堆驅(qū)動器A、B以及腔A、B組成。
[0018]壓電數(shù)字泵泵體I由不銹鋼加工而成。內(nèi)部放置壓電疊堆驅(qū)動器A、B。壓電疊堆驅(qū)動器A、B由多層壓電陶瓷片、電極、絕緣物組成，通過特殊工藝壓制為一體形成的，并且封裝在金屬外殼中。整個致動器與泵體I固連。疊堆驅(qū)動器由控制器控制產(chǎn)生高頻振動。與此同時，在壓電疊堆上端部與金屬殼之間安裝一個彈簧2，它的作用是給壓電疊堆提供偏置壓力，以此來提高致動器的穩(wěn)定性和驅(qū)動性能。
[0019]壓電疊堆驅(qū)動器A、B與彈性膜片4之間通過一個剛性元件3固連在一起，以保證致動器輸出端與彈性膜片4的同步，同時也可以減小輸出端的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高膜片的使用壽命。
[0020]進(jìn)油口單向閥5與出油口單向閥7均單向開啟，壓力油經(jīng)過輔助油道6頂起彈性薄膜13，同時由于泵腔體積擴(kuò)大形成真空，在兩者共同作用下促使進(jìn)油口單向閥5開啟，出油口單向閥7在出口高壓油作用下開啟，高壓油會流入油箱。
[0021]信號控制器12主要用于提供壓電疊堆驅(qū)動器A、B的控制信號。信號功率放大器11的作用下被放大，傳輸給兩端的壓電疊堆驅(qū)動器。信號控制主要有三個目的:一是實(shí)現(xiàn)泵輸出流量數(shù)字化的目標(biāo)；二是控制壓電疊堆驅(qū)動器的工作頻率與壓電數(shù)字泵的系統(tǒng)諧振頻率相匹配；三是通過控制左右壓電疊堆驅(qū)動器驅(qū)動電壓的相位來實(shí)現(xiàn)壓電疊堆驅(qū)動器的同向運(yùn)動。
[0022]本發(fā)明裝置工作一個完整的流程可作為一個工作周期，其中包括兩個動作一致，方向相反的過程:
壓電疊堆A收縮，壓電疊堆B伸長時:如圖2 (a)所示，信號控制器控制壓電疊堆驅(qū)動器A收縮，壓電疊堆驅(qū)動器B伸長，泵腔A容積增大，泵腔B容積減少。壓力油經(jīng)過輔助油道6頂起彈性薄膜13，彈性薄膜13再頂起進(jìn)油口單向閥5，同時由于左側(cè)泵腔體積增大形成真空，低壓油在大氣壓作用下頂開進(jìn)油口單向閥5，流入左側(cè)泵腔內(nèi)。此時，壓力油頂開出油口單向閥7流入油箱，過程結(jié)束。
[0023]壓電疊堆A伸長，壓電疊堆收縮B時:工作過程與上述過程相同，方向相反，如圖2(b)所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種帶有新型半主動閥的壓電泵，主要由泵體、壓電疊堆驅(qū)動器、剛性元件、彈性膜片、彈性薄膜、進(jìn)油口單向閥、出油口單向閥和控制器組成，其特征在于:泵體由兩片彈性薄膜分割成左中右三個部分，左右兩部分相同，為驅(qū)動結(jié)構(gòu)，中間部分為油路結(jié)構(gòu)； 所述的油路結(jié)構(gòu)包括進(jìn)油口油路、出油口油路以及輔助油路，進(jìn)油口通過進(jìn)油口單向閥與液壓泵泵腔聯(lián)通，液壓泵泵腔通過出油口單向閥與出油口聯(lián)通； 所述的驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括壓電疊堆驅(qū)動器、剛性元件和彈簧，壓電疊堆驅(qū)動器的推桿上套置有彈簧，剛性元件設(shè)置在推桿的頂端并與彈性膜片固定連接； 所述的壓電疊堆驅(qū)動器由控制器控制運(yùn)動； 給予兩個壓電疊堆驅(qū)動器方向相反，頻率一致的交流電后，兩個壓電疊堆會產(chǎn)生同向振動，從而帶動彈性膜片產(chǎn)生高頻振動，兩邊泵腔容積因此產(chǎn)生變化；當(dāng)左側(cè)驅(qū)動器收縮，右側(cè)驅(qū)動器伸長時，左側(cè)泵腔容積增大，右側(cè)泵腔容積減小，液壓油被壓縮，高壓油先進(jìn)入輔助油道頂起彈性薄膜，幫助左側(cè)進(jìn)油口單向閥開啟，然后高壓油頂開右側(cè)出油口單向閥流回油箱；同時，左側(cè)容積變大，泵腔內(nèi)出現(xiàn)真空，在大氣壓強(qiáng)作用下低壓油從進(jìn)油口進(jìn)入左側(cè)泵腔；此時，左側(cè)出油口單向閥與右側(cè)進(jìn)油口單向閥均關(guān)閉；當(dāng)左側(cè)驅(qū)動器伸長，右側(cè)驅(qū)動器收縮時，上述過程反向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有新型半主動閥的壓電泵，其特征在于:此液壓泵所用兩壓電疊堆致動器采用機(jī)械上串聯(lián)、電壓上并聯(lián)的方式，將若干性能參數(shù)相同的壓電陶瓷片、絕緣體、內(nèi)部電極以及外部電極制為一體；其工作電壓的大小和頻率可控，可以控制其匹配系統(tǒng)的諧振頻率，達(dá)到最大輸出特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有新型半主動閥的壓電泵，其特征在于:所述的彈性薄膜采用具有韌性、可反復(fù)變形而不老化的高分子材料，在輔助開啟進(jìn)油口單向閥時保持油路的密封性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有新型半主動閥的壓電泵，其特征在于:通過控制器的數(shù)字信號控制壓電疊堆致動器中參與驅(qū)動的層數(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字液壓泵流量數(shù)字化的控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有新型半主動閥的壓電泵，其特征在于:所述彈性膜片采用鈹青銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有新型半主動閥的壓電泵，其特征在于:所述泵體采用不銹鋼制造。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有新型半主動閥的壓電泵，其特征在于:所述彈簧用于施加偏置應(yīng)力。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶有新型半主動閥的壓電泵。在傳統(tǒng)油路中添加輔助油路，將排出的高壓油導(dǎo)入輔助油路中，頂起彈性薄膜以達(dá)到輔助開啟入油口單向閥的作用。本發(fā)明中彈性薄膜除了輔助開啟單向閥外，還可以隔離高壓油與低壓油，防止高壓油進(jìn)入低壓油腔。本發(fā)明采用對稱雙泵結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)相對簡化，工作更具連貫性，并增加了工作頻率，增大了液壓油的流量。
【IPC分類】F04B43-04, F04B53-10
【公開號】CN104564622
【申請?zhí)枴緾N201510003257
【發(fā)明人】王林翔, 李昕, 陳惟峰
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月6日