一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀制造技术

一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀，包括：压电驱动组件、弹性放大组件、外罩、阀体和出气接头。本发明专利技术利用弹性放大组件将压电驱动组件的位移放大为阀口开度，实现了位移放大功能；同时将弹性放大组件与阀体焊接在一起，实现了高压动密封功能。压电驱动组件实现了两个压电陶瓷的位移叠加，增大了压电驱动组件的原始位移输出。本发明专利技术的压电比例阀具有小型化、轻质化、寿命长和耐高压特点，特别适用于高气压下的比例流量控制场合。

【技术实现步骤摘要】
一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀
本专利技术属于机械领域，涉及一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀。
技术介绍
比例阀由于其流量连续可调、控制精度高等优点，广泛应用于高精度流体控制领域(如流量控制或压力控制)。比例阀按照驱动方式不同，可以分为电磁比例阀、压电比例阀、磁致伸缩比例阀等，其中压电比例阀由于功耗低、位移分辨率高等优点，成为研究热点。压电比例阀也正在越来越多地应用到宇航领域，如用作推进系统的推进剂压力调节和流量控制等。空间推进系统的推进剂一般以高压形式进行贮存，需要压电比例阀能够在高气压工况下工作。压电比例阀用于高压气体的压力调节，需要解决的两大问题是：位移放大问题和高压外密封问题。传统压电比例阀一般采用柔性铰链机构(如杠杆放大型、三角放大型和压曲放大型等)实现位移放大，同时采用O型圈、波纹管或压电陶瓷内置的方法解决外密封问题。专利文件CN201710556861.1公开了一种小型直驱式金属密封压电比例阀，其无位移放大机构，采用波纹管实现外密封；专利文件US8608127B2公开一种压电比例控制阀门，未采用位移放大机构，采用压电陶瓷内置实现高压密封；以上两种压电比例阀无位移放大机构，使得其流量调节精度不高。专利文件CN201610587115.4公开一种适用于高压气体的压电比例调节阀，采用双级柔性铰链实现位移放大，采用压电陶瓷内置实现高压密封；A.Lengyel等人在44thAIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConference&Exhibit发表的文章《MiniatureValveforXenonThrusters》公开一种微型压电阀，其采用柔性铰链实现位移放大，采用压电陶瓷内置实现高压密封；G.Noci等在30thInternationalElectricPropulsionConference上发表的文章《Advancedfluidiccomponentsforelectricandcoldgaspropulsionapplications：reviewofstatusofachievementsatTAS-IFlorence》公开一种高压压电比例阀，采用内外环托举方式实现位移放大，采用压电陶瓷内置实现高压密封。传统压电比例阀存在以下缺点：1)这种采用两部分结构分别实现位移放大功能和高压密封功能的结构，造成了产品体积和重量较大，无法满足空间飞行器对其轻质化和小体积的需求；2)不同类型的外密封结构均存在缺陷，如O型圈可靠性不高、波纹管的耐压能力有限、压电陶瓷内置存在引线密封和多余物等问题。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀，解决了现有产品结构复杂和密封可靠性低的问题。本专利技术的技术解决方案是：一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀，包括：压电驱动组件、弹性放大组件、外罩、阀体和出气接头；阀体包括安装板和筒体，安装板上固定连接压电驱动组件，筒体的上端固定连接弹性放大组件，筒体的下端开有进气孔和出气孔，出气孔固定连接出气接头，所述进气孔连接外部高压气体管路；弹性放大组件的下端设置有与出气接头进气口对应的阀针；压电驱动组件用于驱动弹性放大组件的上端运动，利用杠杆原理和阀针改变出气接头进气口的通气截面积尺寸；外罩和安装板固定连接形成空腔结构，所述压电驱动组件位于所述空腔结构内部。弹性放大组件包括：弹簧管、阀杆；弹簧管为阶梯轴，弹簧管内部开有阶梯通孔，弹簧管的下端固定连接阀体；阀杆位于阀体的筒体内，阀杆的上端插入弹簧管的阶梯通孔内，且阀杆的上端面和弹簧管的上端面固定连接；阀杆的下端固定连接阀针；所述弹簧管和阀杆的材料牌号为3J1；压电驱动组件上电驱动弹簧管的上端面相对于弹簧管的下端面运动，使得阀杆能够以垂直阀杆轴线的旋转轴转动，阀针向远离出气接头进气口的方向运动，使出气接头进气口的通气截面积增大；压电驱动组件断电后，在弹簧管的材料弹性驱动下，弹簧管的上端面相对于弹簧管的下端面运动，使得阀杆能够以垂直阀杆轴线的旋转轴转动，阀针向朝向出气接头进气口的方向运动，使出气接头进气口的通气截面积减小；弹簧管的结构参数和阀针运动关系，具体如下：弹簧管的扭转中心在薄壁段的中心点A，弹簧管位移放大倍数为阀针与A点距离LV与驱动点与A点距离LPZT之比，即为LV/LPZT。所述压电驱动组件包括：锁紧螺钉、支架、顶套、压电陶瓷、滑块和顶头；支架固定连接阀体的安装板，滑块设置在支架内，支架和滑块均包括上下两层，所述滑块能够相对支架运动；支架下层设置有一个压电陶瓷，滑块的上层有一个压电陶瓷；位于滑块的上层的压电陶瓷输出端固定连接顶头，位于滑块的上层的压电陶瓷能够独立输出位移使顶头相对滑块运动，进而使得顶头驱动阀杆运动；位于支架下层的压电陶瓷输出位移使滑块相对支架运动，进而滑块带动位于支架上层的压电陶瓷以及顶头同步运动，使得顶头驱动阀杆运动；锁紧螺钉通过螺纹连接支架下层侧壁的螺纹通孔形成螺纹副，顶套放置在支架下层上，顶套能够相对支架运动；锁紧螺钉、顶套、位于支架下层的压电陶瓷依次连接，通过螺纹副使锁紧螺钉推动顶套和位于支架下层的压电陶瓷联动，改变位于支架下层的压电陶瓷的装配位置，使得阀针插入出气接头的进气口实现密封。本专利技术与现有技术相比的优点在于：1)本专利技术高压压电比例阀采用弹簧管同时实现了位移放大功能和高压密封功能，实现了力矩马达阀的小型化，产品重量小于50g；2)本专利技术高压压电比例阀采用弹簧管作为位移放大机构，其放大倍数不小于6，结构更简单、寿命更长。3)本专利技术高压压电比例阀采用弹簧管作为高压密封结构，其耐压能力更强(≥30MPa)、可靠性更高。附图说明图1为本专利技术高压压电比例阀的二维剖面图；图2为本专利技术高压压电比例阀的三维外观图(未显示外罩)；图3为本专利技术高压压电比例阀的压电驱动组件图；图4为本专利技术高压压电比例阀的位移放大原理图。具体实施方式如图1所示，为本专利技术高压压电比例阀的二维剖面图，其中，压电驱动组件1是通过压电陶瓷产生位移的装置，为压电比例阀产品驱动力；弹性放大组件2作用是将压电驱动组件1的位移放大为阀口开度，同时实现高压动密封；外罩3是一个中空薄壁长方体结构，作用是为压电驱动组件1提供防尘保护作用；阀体4的主体结构为一个中空管结构，其为压电驱动组件1、弹性放大组件2、外罩3和出气接头5提供安装接口，同时为压电比例阀提供连接接口；出气接头5为一个具备外螺纹的接头，包括：接头51和密封垫52，两者通过过盈配合并收口处理而安装在一起，为压电比例阀提供密封面和介质出口，密封垫52为中心开由通孔的圆柱体，一般采用硬塑料材料如聚酰亚胺等。本专利技术一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀，包括：压电驱动组件1、弹性放大组件2、外罩3、阀体4和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀，其特征在于，包括：压电驱动组件(1)、弹性放大组件(2)、外罩(3)、阀体(4)和出气接头(5)；/n阀体(4)包括安装板和筒体，安装板上固定连接压电驱动组件(1)，筒体的上端固定连接弹性放大组件(2)，筒体的下端开有进气孔和出气孔，出气孔固定连接出气接头(5)，所述进气孔连接外部高压气体管路；/n弹性放大组件(2)的下端设置有与出气接头(5)进气口对应的阀针(23)；/n压电驱动组件(1)用于驱动弹性放大组件(2)的上端运动，利用杠杆原理和阀针(23)改变出气接头(5)进气口的通气截面积尺寸；/n外罩(3)和安装板固定连接形成空腔结构，所述压电驱动组件(1)位于所述空腔结构内部。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀，其特征在于，包括：压电驱动组件(1)、弹性放大组件(2)、外罩(3)、阀体(4)和出气接头(5)；
阀体(4)包括安装板和筒体，安装板上固定连接压电驱动组件(1)，筒体的上端固定连接弹性放大组件(2)，筒体的下端开有进气孔和出气孔，出气孔固定连接出气接头(5)，所述进气孔连接外部高压气体管路；
弹性放大组件(2)的下端设置有与出气接头(5)进气口对应的阀针(23)；
压电驱动组件(1)用于驱动弹性放大组件(2)的上端运动，利用杠杆原理和阀针(23)改变出气接头(5)进气口的通气截面积尺寸；
外罩(3)和安装板固定连接形成空腔结构，所述压电驱动组件(1)位于所述空腔结构内部。


2.根据权利要求1所述的一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀，其特征在于，弹性放大组件(2)包括：弹簧管(21)、阀杆(22)；
弹簧管(21)为阶梯轴，弹簧管(21)内部开有阶梯通孔，弹簧管(21)的下端固定连接阀体(4)；阀杆(22)位于阀体(4)的筒体内，阀杆(22)的上端插入弹簧管(21)的阶梯通孔内，且阀杆(22)的上端面和弹簧管(21)的上端面固定连接；阀杆(22)的下端固定连接阀针(23)；
所述弹簧管(21)和阀杆(22)的材料牌号为3J1；
压电驱动组件(1)上电驱动弹簧管(21)的上端面相对于弹簧管(21)的下端面运动，使得阀杆(22)能够以垂直阀杆(22)轴线的旋转轴转动，阀针(23)向远离出气接头(5)进气口的方向运动，使出气接头(5)进气口的通气截面积增大；
压电驱动组件(1)断电后，在弹簧管(21)的材料弹性驱动下，弹簧管(21)的上端面相对于弹簧管(21)的下端面运动，使得阀杆(22)能够以垂直阀杆(22)轴线的旋转轴转动，阀针(23)向朝向出气接头(5)进气口的方向运动，使出气接头(5)进气口的通气截面积减小；
弹簧管(21)的结构参数和阀针(23)运动关系，具体如下：
弹簧管的扭转中心在薄壁段的中心点A，弹簧管(21)位移放大倍数为阀针(23)与A点距离LV与驱动点与A点距离LPZT之比，即为LV/LPZT。


3.根据权利要求2所述的一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀，其特征在于，所述压电驱动组件(1)包括：锁紧螺钉(11)、支架(12)、顶套(13)、压电陶瓷(14)、滑块(15)和顶头(16)；
支架(12)固定连接阀体(4)的安装板，滑块(15)设置在支架(12)内，支架(12)和滑块(15)均包括上下两层，所述滑块(15)能够相对支架(12)...

【专利技术属性】
技术研发人员：官长斌，张美杰，南柯，姚兆普，扈延林，毛威，王平，蔡坤，范旭丰，曾昭奇，于金盈，任凯，李伟，纪孟轩，李恒建，张良，张志伟，王建，李长维，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11