专利名称：一种基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高速开关阀，更特别地说，是指一种带有位移放大机构的巨磁致伸缩执行器驱动的高精度高频响磁控开关阀。
背景技术：
高速数字开关阀是一种与计算机数字输入/输出可以直接接口的液压元件，与以往以开口度(液阻)对系统进行调控的传统液压阀相比，这种液压元件具有响应速度快、结构简单、抗污染能力强等特点。高速阀实现流体喷射的电子控制均有赖于脉冲电磁控制阀， 而高速电磁阀作为系统电控单元与机液喷射装置的直接接口，对流体喷射过程直接控制， 对喷射系统的各种基本性能起着决定性作用，这就要求阀的驱动装置，即执行器，具有快速响应和大位移输出等基本特性从而保证系统的控制精度和响应速度。目前执行器主要包括3种类型，即电磁式、压电式和磁致伸缩式。电磁式执行器体积大、响应速度较慢、控制精度低、结构复杂已经无法满足高速高精度电液控制系统的要求。而以PZT为典型代表的压电陶瓷材料尽管频响时间在毫秒(ms)级，并由电场直接驱动， 相对体积较小，但其应变率不高(约为4X10—4)，因而位移输出较小，此外压电材料的工作电压高和压电材料的去极化特性，使其应用受到限制。以稀土巨磁致伸缩材料Terfenol-D 为主要驱动元件的执行器具有磁致应变大、输出力大、机电耦合系数高和响应迅速的特点， 适合应用在高速电液开关阀系统中。巨磁致伸缩材料作为一类新型高效的电(磁)能-机械(声)能转换材料，在航空航天、电子电力、信息通讯等智能结构领域具有巨大的应用潜力。在高速开关阀领域巨磁致伸缩材料的应用已成为研究的焦点，现有的巨磁致伸缩开关阀结构主要有以下几种一是直动式磁致伸缩快速开关阀，用巨磁致伸缩材料直接作为阀芯或者驱动阀芯，这种结构的优点是传动机构零件少响应速度快、可靠性高，但这种结构要求巨磁致伸缩材料有较大尺寸，因而不利用在对元器件的重量、体积的要求愈来愈严格的航空工业、汽车工业和现代制造业，或者使用驱动电流较大，导致发热量增加使磁致伸缩材料性能下降，开关阀驱动效率低、功耗高；二是带有弹性梁微位移放大结构的磁致伸缩开关阀，这种结构放大位移量有限，而且悬臂弹性梁作为放大机构对于输出力的损耗较大；三是带有多级轴销杠杆机构放大磁致伸缩开关阀，这种开关阀的优点是放大倍率大、加工装配简单的特点，缺点是传动机构复杂、零件数量多，不适合应用在较高频率的工作条件下。
发明内容
本发明的目的是提供一种大位移、高精度的巨磁致伸缩高速数字开关阀，以解决现有和电液开关阀匹配的大位移高速执行器结构复杂、可靠性差、体积大、功耗高、驱动效率低、控制精度差的问题。本发明的一种基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀，该开关阀包括有巨磁致伸缩棒 (1)、线圈骨架(2)、激励线圈(3)、外套筒(4)、底盘(5)、预紧力螺栓(5A)、顶杆(6)、预压碟簧(7)、复位碟簧(19)、限位盘(8)、压板(9)、阀座(10)、阀壳(11)、行程放大体(12)、阀芯 (13)、A 球轴(14A)、B 球轴(14B)、阀体(18)；线圈骨架( 上设有上支撑盘以K)、下支撑盘QB)、支撑柱QC)；所述下支撑盘 (2B)上设有走线槽(2E)，该走线槽QE)用于激励线圈(3)的导线通过；线圈骨架O)的中心设有E通孔(2D)，该E通孔QD)用于放置巨磁致伸缩棒1 ；上支撑盘以K)与下支撑盘 (2B)之间的支撑柱QC)上缠绕有漆包线，该缠绕后的漆包线形成激励线圈(3)；外套筒4的上端设有螺纹凸台(4B)，外套筒的下端设有下圆盘(4C)，下圆盘 (4C)上设有G通孔(4D)，外套筒(4)的中心设有F通孔(4A)；底盘(5)上设有圆台(53)和H通孔(M)，底盘(5)的中心设有E螺纹孔(51)；所述圆台(53)上设有走线孔(52)；圆台(53)置于外套筒(4)下端的F通孔(4A)内；走线孔 (52)用于外部导线通过；E螺纹孔(51)用于螺纹连接预紧力螺栓(5A)；顶杆(6)的上端设有上导柱(6A)，顶杆(6)的下端设有下导柱(6C)，上导柱(6A) 与下导柱(6C)之间是限位圆台(6B)；上导柱(6A)上套接有预压碟簧(7)；下导柱(6C)安装在限位盘⑶的I通孔(8A)内；阀座(10)的上端设有A侧板(101)、B侧板(102)、C侧板(103)、D侧板(104)，A 侧板(101)与C侧板(103)对称设置，B侧板(102)与D侧板(104)对称设置；阀座(10) 的中心设有矩形通孔(105)；阀座(10)的底部设有螺纹腔(106)，该螺纹腔(106)内螺纹连接有外套筒的螺纹凸台GB) ；A侧板(101)上设有A通孔(IOA) ；B侧板(102)上设有 B通孔(IOB) ；C侧板(103)上设有C通孔(IOC) ；D侧板(104)上设有D通孔(IOD)；阀壳(11)的A侧板(111)上设有K通孔(IlA)；阀壳(11)的B侧板(112)上设有 L通孔(IlB)；阀壳(11)的C侧板(113)上设有M通孔(IlC)；阀壳(11)的D侧板(114) 上设有N通孔(IlD)；阀壳(11)的中心设有中心通孔(IlE)；行程放大体(1 的左端设有A连接臂(12A)；行程放大体(1 的右端设有C连接臂(12C)；行程放大体(12)的上端设有A连杆(12J)、C连杆(12L) ；A连杆(12J)与C 连杆(12L)之间存在有间隙(12D)；行程放大体(1 的下端设有行程支撑(12E)；行程支撑(12E)为Y形结构，行程支撑(12E)的A支撑臂(121)与B支撑臂(122)之间是梯形槽 (123)，行程支撑(12E)的下端为行程圆柱(124)；行程放大体(12)的中间设有B连接臂 (12B)、B连杆(II)、D连杆(12M) ；A连接臂(12A)与A连杆(12J)之间采用A柔性铰链 (120)连接；A连杆(12J)与B连杆(12K)之间采用B柔性铰链(12P)连接；B连杆(12K) 与B连接臂(12B)之间采用C柔性铰链(12Q)连接。B连杆(12K)与行程支撑(12E)的A 支撑臂(121)之间采用D柔性铰链(12R)连接。C连接臂(12C)与C连杆(12L)之间采用 E柔性铰链(12S)连接。C连杆(12L)与D连杆(12M)之间采用F柔性铰链(12T)连接。D 连杆(12M)与B连接臂(12B)之间采用G柔性铰链(12U)连接。D连杆(12M)与行程支撑 (12E)的B支撑臂(122)之间采用H柔性铰链(12V)连接。A连接臂(12A)的一侧板面上设有A螺纹孔(121) ；C连接臂(12C)的一侧板面上设有C螺纹孔(123) ；B连接臂(12B)的一端板面上设有B螺纹孔(122) ；B连接臂(12B)的另一端板面上设有D螺纹孔(124)；A螺纹孔(121)、K通孔(IlA)和A通孔(IOA)装配时保持同轴，采用A螺钉顺次穿过A通孔(IOA)、K通孔(IlA)后螺纹连接在A螺纹孔(121)上；
B螺纹孔(122)、L通孔(IlB)和B通孔(IOB)装配时保持同轴，采用B螺钉顺次穿过B通孔(IOB)、L通孔(IlB)后螺纹连接在B螺纹孔(122)上；C螺纹孔(123)、M通孔(IlC)和C通孔(IOC)装配时保持同轴，采用C螺钉顺次穿过C通孔(IOC)、M通孔(IlC)后螺纹连接在C螺纹孔(123)上；D螺纹孔(1 )、N通孔(IlD)和D通孔(IOD)装配时保持同轴，采用D螺钉顺次穿过D通孔(IOD)、N通孔(IlD)后螺纹连接在D螺纹孔(124)上；A连接臂(12A)的另一侧板面通过A柔性铰链(120)与A连杆(12J)连接；A连杆 (12J)的另一端上设有A沉头圆孔(12G)，所述A沉头圆孔(12G)用于放置A球轴(14A)。C连接臂(12C)的一侧板面上设有C螺纹孔(123)，该C螺纹孔(123)与螺钉的配合实现行程放大体(12)的C连接臂(12C)与阀壳(11)、阀座(10)的C立板(IOC)固定安装；C连接臂(12C)的另一侧板面通过E柔性铰链(12S)与C连杆(12L)连接；C连杆(12L) 的另一端上设有B沉头圆孔(12H)，所述B沉头圆孔(12H)用于放置B球轴(14B)。B连接臂(12B)的一端设有B螺纹孔(122)，该B螺纹孔(122)与螺钉的配合实现行程放大体(12)的B连接臂(12B)与阀壳(11)、阀座(10)的B立板(IOB)固定安装；B连接臂(12B)的另一端设有D螺纹孔(IM)，该D螺纹孔(124)与螺钉的配合实现行程放大体 (12)的B连接臂(12B)与阀壳(11)、阀座(10)的D立板(IOD)固定安装；行程支撑(12E)下端部为行程圆柱(12F)；该行程圆柱(12F)置于压板(9)的J通孔(9A)内；阀芯(13)的一端设有沉头孔(13A)，该沉头孔(13A)用于与阀体(18)的止液圆台(18D)配合，实现止液体的流入或流出。阀芯(13)的另一端设有导轨槽(1 )，该导轨槽 (13B)用于A连杆(12J)、C连杆(12L)、A球轴(14A)和B球轴(14B)在其内运动。阀体(18)的一侧板上设有液体入口(18A)，阀体(18)的盖板上设有液体出口 (18B)，在液体出口(18B)处设有止液圆台(18D)，该止液圆台(18D)与阀芯(13)的沉头孔 (13A)配合，实现阻止液体的流入或流出。本发明基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀的优点在于①在本发明中，行程放大体采用二级放大进行输出位移放大，能保证较大放大倍率(10倍左右)；同时采用带柔性铰链的一体化结构，能减少传动部件数量、机械间隙和机械摩擦，从而使结构更加紧凑，提高磁机转换效率减少机械滞后。②使用的激励线圈由多股漆包线同时并行绕制，既可以有效减少电路滞后提高响应速度，还可以将其中一股通一定强度的直流信号去除巨磁致伸缩材料低场磁致伸缩性能的非线性段。③采用巨磁致伸缩棒1、线圈骨架2和激励线圈3形成驱动单元；在加载电流信号下通过巨磁致伸缩棒1的磁致伸缩效应实现开关阀的高速开启与关闭，有效地提高了流量的控制精度。④采用预压碟簧7、复位碟簧19、顶杆6、限位盘8、压板9、阀壳11、行程放大体12、 阀芯13、A球轴14A和B球轴14B形成传动单元。利用行程放大体12的柔性铰链与预压碟簧7、复位碟簧19的配合，减少了机械摩擦和间隙，提高了流量的控制精度和响应速度。⑤采用外套筒4、底盘5、预紧力螺栓5A、顶杆6、限位盘8、激励线圈3和巨磁致伸缩棒1形成闭合磁回路，该闭合磁回路可有效提高驱动单元的磁机转换效率。
图1是本发明基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀的外部结构图。图IA是本发明基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀的分解图。图IB是本发明基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀的剖面图。图2是本发明行程放大体的正视图。图2A是本发明行程放大体的俯视图。图2B是本发明行程放大体另一视角的结构图。图2C是本发明行程放大体为开启状态时的示意图。图2D是本发明行程放大体为关闭状态时的示意图。图3是本发明阀座的结构图。图4是本发明阀壳的结构图。图5是本发明阀体的结构图。图6是本发明阀芯的结构图。1.巨磁致伸缩棒 2.线圈骨架2A.上支撑盘2B.下支撑盘2C.支撑柱2D. E通孔2E.走线槽3.激励线圈4.外套筒4Α. F通孔4B.螺纹凸台4C.下圆盘
4D. G通孔5.底盘5Α.预紧力螺栓51. E螺纹孔
52.走线孔53.圆台H通孔6.顶杆6Α.上导柱
6B.限位圆台6C.下导柱7.预压碟簧8.限位盘8Α. I通孔
9.压板9Α. J通孔10.阀座101. A侧板102. B侧板
103. C侧板104. D侧板105.矩形通孔106.螺纹腔1 OA. A通孔
10B. B通孔10C. C通孔10D. D通孔11.阀壳111. A侧板
112. B侧板113. C侧板U4.D侧板11A.K通孔1 IB. L通孔
11C.M通孔11D. N通孔11Ε.中心通孔 12.行程放大体
12Α·Α连接臂12Β·Β连接臂12GC连接臂12D.间隙12E.擺支撑
12G.A沉头圆孔12RB沉头圆孔m.A支撑臂
122. B支撑臂123.梯形槽124.行程圆柱m.A螺纹孔122. B螺纹孔
123. C螺纹孔124. D螺纹孔12J.A连杆12(. B连杆12L.C连杆
12Μ. D连杆120. A柔性铰链12P. B柔性铰链
12Q.C柔性铰链12RD柔性铰链1 . E柔性铰链
12T.F柔性铰链m. G柔性铰链12V.H柔性铰链
13.阀芯13Α.密封圈131.沉头孔132.导轨牛曹 14A.A球轴
14Β. B球轴18.阀体18A.入口18Β.出口18C.空腔
18D.止液圆台19.复位碟簧
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图1、图1A、图IB所示，本发明的一种基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀，该开关阀包括有巨磁致伸缩棒1、线圈骨架2、激励线圈3、外套筒4、底盘5、预紧力螺栓5A、顶杆6、预压碟簧7、复位碟簧19、限位盘8、压板9、阀座10、阀壳11、行程放大体12、阀芯13、 A球轴14A、B球轴14B、阀体18 ；其中，巨磁致伸缩棒1、线圈骨架2和激励线圈3形成驱动单元；预压碟簧7、复位碟簧19、顶杆6、限位盘8、压板9、阀壳11、行程放大体12、阀芯13、A 球轴14A和B球轴14B形成传动单元。外套筒4、底盘5、预紧力螺栓5A、顶杆6、限位盘8、 激励线圈3和巨磁致伸缩棒1形成闭合磁回路，该闭合磁回路可有效提高驱动单元的磁机转换效率，能有效利用磁能和避免漏磁。在本发明中，预压碟簧7至少采用四片碟簧，这四片碟簧采用两两叠合后再对合的方式装配。预压碟簧7与预紧力螺栓5A共同调节巨磁致伸缩棒1的预压力。在本发明中，复位碟簧19至少采用两片碟簧。在激励线圈3断开电流的情况下， 巨磁致伸缩棒1缩短，则复位碟簧19使阀芯13复位，使本发明设计的开关阀开启。(一 )巨磁致伸缩棒1参见图IA所示，巨磁致伸缩棒1采用铽镝铁材料加工。该巨磁致伸缩棒1为实心圆柱结构。巨磁致伸缩棒1的半径记为r，巨磁致伸缩棒1的长度记为1，截面面积记为S (S =nr2)。当巨磁致伸缩棒1的截面面积S大时则其输出力大，反之，截面面积S小时则其输出力小。当巨磁致伸缩棒1的长度1大时，则其输出行程大，反之，长度1小时则其输出行程小。在本发明中，铽镝铁材料的化学式为TbxDyi_x (Fei_yTy) z，其中X = 0. 01 0. 43、y = 0. 00 0. 30、ζ = 1. 50 2. 00，T为Cr、V、Co、Ni四种元素中的一种或两种以上的组合。 具体可以是 Tb。.4Dy。.6(!^ea75Vaci5Cra。5Ni。.。5Co。. 1(I)L9 的材料、Tb0 36Dy0 64 (FeO. 80Co0.20)L9 的材料。在本发明中，巨磁致伸缩棒1的使用温度范围为-80°C 150°C。(二)线圈骨架2、参见图IA所示，线圈骨架2上设有上支撑盘2A、下支撑盘2B、支撑柱2C ；所述下支撑盘2B上设有走线槽2E，该走线槽2E用于激励线圈3的导线通过；线圈骨架2的中心设有E通孔2D，该E通孔2D用于放置巨磁致伸缩棒1 ；上支撑盘2A与下支撑盘2B之间的支撑柱2C上缠绕有漆包线，该缠绕后的漆包线形成激励线圈3。上支撑盘2A与下支撑盘2B 用于阻挡漆包线在缠绕过程中溢出。(三)激励线圈3参见图IA所示，将漆包线缠绕在线圈骨架2上形成激励线圈3。当在激励线圈3中通入电流，激励线圈3产生激励磁场，该激励磁场导致巨磁致伸缩棒1产生磁致伸缩效应，从而驱动传动单元实现本发明设计的开关阀的开与关。激励线圈3由多股漆包线并行缠绕在线圈骨架2上，可并联后通同样的电流信号， 也可以部分通一定直流信号去除巨磁致伸缩材料低场磁致伸缩性能的非线性段。在本发明中，激励线圈3可以采用PWM(脉宽调制)方式进行电流信号加载。(四)外套筒4参见图1、图IA所示，外套筒4的上端设有螺纹凸台4B，外套筒4的下端设有下圆盘4C，下圆盘4C上设有G通孔4D，外套筒4的中心设有F通孔4A ；所述螺纹凸台4B连接在阀座10下端的螺纹腔106内，实现外套筒4上端与阀座10下端的连接。所述下圆盘4C安装在底盘5上，且通过螺钉穿过H通孔M、G通孔4D后实现下圆盘4C与底盘5的固定连接。所述F通孔4A用于放置驱动单元。外套筒4采用高磁导率的材料加工，如电工纯铁、坡莫合金。(五)底盘5参见图1、图IA所示，底盘5上设有圆台53和H通孔M，底盘5的中心设有E螺纹孔51 ；所述圆台53上设有走线孔52 ；圆台53置于外套筒4下端的F通孔4A内；走线孔 52用于外部导线通过；E螺纹孔51用于螺纹连接预紧力螺栓5A。预紧力螺栓5A的一端与巨磁致伸缩棒1的下端接触，通过调节预紧力螺栓5A在 A螺纹孔51中的深度，实现对巨磁致伸缩棒1的施加预紧力的大小调节。底盘5采用高磁导率的材料加工，如电工纯铁、坡莫合金。(六)顶杆6参见图IA所示，顶杆6的上端设有上导柱6A，顶杆6的下端设有下导柱6C，上导柱6A与下导柱6C之间是限位圆台6B ；上导柱6A上套接有预压碟簧7。下导柱6C安装在限位盘8的I通孔8A内。顶杆6的上端与行程放大体12的下端接触，顶杆6的下端与巨磁致伸缩棒1的上端接触。顶杆6采用高磁导率的材料加工，如电工纯铁、坡莫合金。(七)限位盘8参见图IA所示，限位盘8为圆盘结构，限位盘8的中心设有I通孔8A，该I通孔 8A用于顶杆6的下导柱6C穿过。限位盘8采用高磁导率的材料加工，如电工纯铁、坡莫合金。(八)压板9参见图IA所示，压板9为圆盘结构，压板9的中心设有J通孔9A，该J通孔9A用于顶杆6的上导柱6A穿过。(九)阀座10参见图1、图1A、图3所示，阀座10的上端设有A侧板101、B侧板102、C侧板103、 D侧板104，A侧板101与C侧板103对称设置，B侧板102与D侧板104对称设置；阀座10 的中心设有矩形通孔105 ；阀座10的底部设有螺纹腔106，该螺纹腔106内螺纹连接有外套筒4的螺纹凸台4B;A侧板101上设有A通孔IOA ；B侧板102上设有B通孔IOB ；C侧板103上设有C通孑L IOC ；D侧板104上设有D通孔IOD。在本发明中，阀座10用于支撑起本发明开关阀的传动单元。(十)阀壳11参见图1、图1A、图4所示，阀壳11为矩形腔结构。阀壳11的A侧板111上设有K通孔1IA ；阀壳11的B侧板112上设有L通孔IlB ；阀壳11的C侧板113上设有M通孔IlC ；
阀壳11的D侧板114上设有N通孔IlD ；阀壳11的中心设有中心通孔11E，该中心通孔IlE用于阀芯13穿过。为了起到密封的作用，在中心通孔IlE与阀芯13之间设有密封圈13A。(十一)行程放大体12参见图1A、图2、图2A、图2B所示，行程放大体12为一体成型加工件。行程放大体12的左端设有A连接臂12A ；行程放大体12的右端设有C连接臂12C ；行程放大体12的上端设有A连杆12J、C连杆12L ；A连杆12J与C连杆12L之间存在有间隙12D ；行程放大体12的下端设有行程支撑12E ；行程支撑12E为Y形结构，行程支撑12E 的A支撑臂121与B支撑臂122之间是梯形槽123，行程支撑12E的下端为行程圆柱124 ；行程放大体12的中间设有B连接臂12B、B连杆12K、D连杆12M。A连接臂12A与A连杆12J之间采用A柔性铰链120连接。A连杆12J与B连杆12K之间采用B柔性铰链12P连接。B连杆12K与B连接臂12B之间采用C柔性铰链12Q连接。B连杆12K与行程支撑12E的A支撑臂121之间采用D柔性铰链12R连接。C连接臂12C与C连杆12L之间采用E柔性铰链12S连接。C连杆12L与D连杆12M之间采用F柔性铰链12T连接。D连杆12M与B连接臂12B之间采用G柔性铰链12U连接。D连杆12M与行程支撑12E的B支撑臂122之间采用H柔性铰链12V连接。A连接臂12A的一侧板面上设有A螺纹孔121 ；C连接臂12C的一侧板面上设有C螺纹孔123 ；B连接臂12B的一端板面上设有B螺纹孔122 ；B连接臂12B的另一端板面上设有D螺纹孔124 ；阀壳11的A侧板111上设有K通孔1IA ；阀壳11的B侧板112上设有L通孔1IB ；阀壳11的C侧板113上设有M通孔1IC ；阀壳11的D侧板114上设有N通孔1ID ；阀座10的A侧板101上设有A通孔IOA ；阀座10的B侧板102上设有B通孔IOB ；阀座10的C侧板103上设有C通孔IOC ；阀座10的D侧板104上设有D通孔IOD ；A螺纹孔121、K通孔IlA和A通孔IOA装配时保持同轴，采用A螺钉(图中未示出)顺次穿过A通孔10A、K通孔IlA后螺纹连接在A螺纹孔121上；B螺纹孔122、L通孔IlB和B通孔IOB装配时保持同轴，采用B螺钉(图中未示出)顺次穿过B通孔10B、L通孔IlB后螺纹连接在B螺纹孔122上；C螺纹孔123、M通孔IlC和C通孔IOC装配时保持同轴，采用C螺钉(图中未示出)顺次穿过C通孔10C、M通孔1IC后螺纹连接在C螺纹孔123上；D螺纹孔124、N通孔IlD和D通孔IOD装配时保持同轴，采用D螺钉(图中未示出)顺次穿过D通孔10D、N通孔IlD后螺纹连接在D螺纹孔IM上；实现了行程放大体12、阀壳11、阀座10三者之间的安装。 A连接臂12A的另一侧板面通过A柔性铰链120与A连杆12J连接；A连杆12J的另一端上设有A沉头圆孔12G，所述A沉头圆孔12G用于放置A球轴14A。C连接臂12C的一侧板面上设有C螺纹孔123，该C螺纹孔123与螺钉的配合实现行程放大体12的C连接臂12C与阀壳11、阀座10的C立板IOC固定安装；C连接臂12C的另一侧板面通过E柔性铰链12S与C连杆12L连接；C连杆12L的另一端上设有B沉头圆孔12H，所述B沉头圆孔12H用于放置B球轴14B。B连接臂12B的一端设有B螺纹孔122，该B螺纹孔122与螺钉的配合实现行程放大体12的B连接臂12B与阀壳11、阀座10的B立板IOB固定安装；B连接臂12B的另一端设有D螺纹孔124，该D螺纹孔124与螺钉的配合实现行程放大体12的B连接臂12B与阀壳11、阀座10的D立板IOD固定安装；行程支撑12E下端部为行程圆柱12F ；该行程圆柱12F置于压板9的J通孔9A内；参见图2C、图2D所示，在本发明中，行程放大体12为一体化设计。行程放大体12 上采用柔性铰链连接，这种柔性铰链能够起到轴和传递力的双重作用，可以有效地减少结构零件的数量、以及减小摩擦力、间隙和机械滞后，提高开关阀整体可靠性和控制精度。B连杆II与A支撑臂121形成第一级A放大单元；D连杆12M与B支撑臂122形成第一级B放大单元；A连杆12J与B连杆1 形成第二级A放大单元；C连杆12L与D连杆12M形成第二级B放大单元；第一级A放大单元与第一级B放大单元共用B连接臂12B，且以C柔性铰链1 和 G柔性铰链12U作为支点；第二级A放大单元以A柔性铰链120作为支点；第二级B放大单元以E柔性铰链12S作为支点；本发明设计的开关阀在运动时，A支撑臂121通过D柔性铰链12R推动B连杆II 绕C柔性铰链1 转动，导致B连杆1 通过B柔性铰链12P推动A连杆12J绕A柔性铰链120转动；同时B支撑臂122通过H柔性铰链12H推动D连杆12M绕G柔性铰链12U转动，导致D连杆12M通过F柔性铰链12T推动C连杆12L绕E柔性铰链12S转动；最终实现输出位移的二级放大。(十二)阀芯13参见图1、图IA所示，阀芯13的一端设有沉头孔13A，该沉头孔13A用于与阀体18 的止液圆台18D配合，实现止液体的流入或流出。阀芯13的另一端设有导轨槽13B，该导轨槽13B用于A连杆12J、C连杆12L、A球轴14A和B球轴14B在其内运动。阀芯13上套接有复位碟簧19。(十三)阀体I8参见图1、图1A、图5所示，阀体18为空腔18C结构。阀体18的一侧板上设有液体入口 18A，阀体18的盖板上设有液体出口 18B，在液体出口 18B处设有止液圆台18D，该止液圆台18D与阀芯13的沉头孔13A配合，实现阻止液体的流入或流出。在本发明中，阀芯13和行程放大体12之间通过两个球轴(A球轴14A、B球轴14B)传动。在本发明中，套筒4、调节螺栓5A、限位盘8、顶杆6均为如纯铁、硅钢或者坡莫合金等高磁导率软磁材料制成。本发明的一种基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀的装配为巨磁致伸缩棒1放入线圈骨架2中，将漆包线缠绕在线圈骨架2上，套上外套筒4，在外套筒4的下端安装上底盘5，在外套筒4的上端将限位盘8安装上，顶杆6置入限位盘8的I通孔8A里，在顶杆6 的上导柱6A上套接预压碟簧7，将压板9压入外套筒4的上端，将在预紧力螺栓5A拧入底盘5的E螺纹孔51中；外套筒4的螺纹凸台4B安装在阀座10的螺纹腔106内，行程放大体12的行程圆柱IM置于压板9的J通孔9A内，球轴置于行程放大体12的沉头圆孔内， 且球轴在阀芯13的导轨槽132内运动，阀芯13安装在阀壳11的中心通孔IlE内，行程放大体12、阀壳11和阀座10采用螺钉安装，阀体18焊接在阀壳11上。参见图IA所示，在本发明中，阀芯13套有复位碟簧19，并置于阀壳11内，复位碟簧19提供适当的回复力，使行程放大体12在巨磁致伸缩棒1收缩时回到初始位置。阀芯 13与阀壳11的中心通孔IlE之间有弹性密封圈13A密封，防止漏液。阀壳11和阀体18可以是焊接。阀芯13顶端的沉头孔131与阀体18的止液圆台18D对应，当巨磁致伸缩棒1 伸长时，沉头孔131与止液圆台18D接触，阀门关闭；巨磁致伸缩棒1收缩时，阀芯13复位， 阀门开启。在本发明中，激励线圈3由多股漆包线同时并行绕制，可以有效缩短响应时间，也可以部分通一定直流信号去除巨磁致伸缩材料低场磁致伸缩性能的非线性段。激励线圈3 长度约为巨磁致伸缩棒1的1.1倍，长径比约为10 1，可以使巨磁致伸缩棒1上的磁场较均勻的分布。本发明设计的开关阀的工作原理为，先通过调节压盘9和调节螺栓5A固定巨磁致伸缩棒1的位置和预压力，当控制信号以电流形式通入激励线圈3通电后，巨磁致伸缩棒1 随电磁场变换迅速伸缩，将位移量通过顶杆6传导给行程放大体12，行程放大体12中的一级放大单元被顶起，自由端转动顶起二级放大单元，因为支点处是柔性铰链结构，省去了轴承体系，在高速运动时能有效减少摩擦，提高工作效率和元件寿命。行程放大体12中的二级放大单元将位移量传递给阀芯13，阀芯13向前运动，阀芯13的沉头孔端与阀体18的止液圆台18D接触压紧，开关阀被关闭，液体通路被阻断；当巨磁致伸缩棒1收缩时，在复位碟簧19将阀芯13和行程放大体12回复到初始状态，阀体18的出口 18B开启，液体可以通过液体流入口 18A进入阀体18，从出口 18B流出。本发明的开关阀因为具有高效的机械放大机构和激励电磁系统，响应时间短、控制精度和可靠性高适合采用PWM(脉宽调制)方式对其进行控制。。
权利要求
1. 一种基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀，其特征在于该开关阀包括有巨磁致伸缩棒(1)、线圈骨架(2)、激励线圈(3)、外套筒(4)、底盘(5)、预紧力螺栓(5A)、顶杆(6)、预压碟簧(7)、复位碟簧(19)、限位盘(8)、压板(9)、阀座(10)、阀壳(11)、行程放大体(12)、阀芯(13)、A 球轴(14A)、B 球轴(14B)、阀体(18)；线圈骨架( 上设有上支撑盘(2A)、下支撑盘(2B)、支撑柱QC)；所述下支撑盘OB) 上设有走线槽(2E)，该走线槽QE)用于激励线圈(3)的导线通过；线圈骨架O)的中心设有E通孔(2D)，该E通孔QD)用于放置巨磁致伸缩棒1 ；上支撑盘以K)与下支撑盘QB) 之间的支撑柱0C)上缠绕有漆包线，该缠绕后的漆包线形成激励线圈(3)；外套筒4的上端设有螺纹凸台(4B)，外套筒的下端设有下圆盘(4C)，下圆盘GC) 上设有G通孔(4D)，外套筒(4)的中心设有F通孔(4A)；底盘(5)上设有圆台(53)和H通孔(M)，底盘(5)的中心设有E螺纹孔(51)；所述圆台(53)上设有走线孔(52)；圆台(53)置于外套筒(4)下端的F通孔(4A)内；走线孔(52) 用于外部导线通过；E螺纹孔(51)用于螺纹连接预紧力螺栓(5A)；顶杆(6)的上端设有上导柱(6A)，顶杆(6)的下端设有下导柱(6C)，上导柱(6A)与下导柱(6C)之间是限位圆台(6B)；上导柱(6A)上套接有预压碟簧(7)；下导柱(6C)安装在限位盘(8)的I通孔(8A)内；阀座(10)的上端设有A侧板(101)、B侧板(102)、C侧板(103)、D侧板(104)，A侧板 (101)与C侧板(103)对称设置，B侧板(102)与D侧板(104)对称设置；阀座(10)的中心设有矩形通孔(105)；阀座(10)的底部设有螺纹腔(106)，该螺纹腔(106)内螺纹连接有外套筒⑷的螺纹凸台GB) ；A侧板(101)上设有A通孔(IOA) ；B侧板(102)上设有B通孔 (IOB) ；C侧板(103)上设有C通孔(IOC) ；D侧板(104)上设有D通孔(IOD)；阀壳(11)的A侧板(111)上设有K通孔(IlA)；阀壳(11)的B侧板(112)上设有L通孔(IlB)；阀壳(11)的C侧板(113)上设有M通孔(IlC)；阀壳(11)的D侧板(114)上设有N通孔(IlD)；阀壳(11)的中心设有中心通孔(IlE)；行程放大体(1 的左端设有A连接臂(12A)；行程放大体(1 的右端设有C连接臂(12C)；行程放大体(12)的上端设有A连杆(12J)、C连杆(12L) ；A连杆(12J)与C连杆(12L)之间存在有间隙(12D)；行程放大体(1 的下端设有行程支撑(12E)；行程支撑(12E)为Y形结构，行程支撑(12E)的A支撑臂(121)与B支撑臂(122)之间是梯形槽 (123)，行程支撑(12E)的下端为行程圆柱(124)；行程放大体(12)的中间设有B连接臂 (12B)、B连杆(12K)、D连杆(12M) ；A连接臂(12A)与A连杆(12J)之间采用A柔性铰链 (120)连接；A连杆(12J)与B连杆(12K)之间采用B柔性铰链(12P)连接；B连杆(12K) 与B连接臂(12B)之间采用C柔性铰链(12Q)连接。B连杆(12K)与行程支撑(12E)的A 支撑臂(121)之间采用D柔性铰链(12R)连接。C连接臂(12C)与C连杆(12L)之间采用 E柔性铰链(12S)连接。C连杆(12L)与D连杆(12M)之间采用F柔性铰链(12T)连接。D 连杆(12M)与B连接臂(12B)之间采用G柔性铰链(12U)连接。D连杆(12M)与行程支撑 (12E)的B支撑臂(122)之间采用H柔性铰链(12V)连接。A连接臂(12A)的一侧板面上设有A螺纹孔(121) ；C连接臂(12C)的一侧板面上设有 C螺纹孔(123) ；B连接臂(12B)的一端板面上设有B螺纹孔(122) ；B连接臂(12B)的另一端板面上设有D螺纹孔(IM)；A螺纹孔(121)、K通孔(IlA)和A通孔(IOA)装配时保持同轴，采用A螺钉顺次穿过A 通孔(IOA)、K通孔(IlA)后螺纹连接在A螺纹孔(121)上；B螺纹孔(122)、L通孔(IlB)和B通孔(IOB)装配时保持同轴，采用B螺钉顺次穿过B 通孔(IOB)、L通孔(IlB)后螺纹连接在B螺纹孔(122)上；C螺纹孔(123)、M通孔(IlC)和C通孔(IOC)装配时保持同轴，采用C螺钉顺次穿过C 通孔(IOC)、M通孔(IlC)后螺纹连接在C螺纹孔(123)上；D螺纹孔(124)、N通孔(IlD)和D通孔(IOD)装配时保持同轴，采用D螺钉顺次穿过D 通孔(IOD)、N通孔(IlD)后螺纹连接在D螺纹孔(124)上；A连接臂(12A)的另一侧板面通过A柔性铰链(120)与A连杆(12J)连接；A连杆(12J) 的另一端上设有A沉头圆孔(12G)，所述A沉头圆孔(12G)用于放置A球轴(14A)。C连接臂(12C)的一侧板面上设有C螺纹孔(123)，该C螺纹孔(12 与螺钉的配合实现行程放大体(12)的C连接臂(12C)与阀壳(11)、阀座(10)的C立板(IOC)固定安装；C 连接臂(12C)的另一侧板面通过E柔性铰链(12S)与C连杆(12L)连接；C连杆(12L)的另一端上设有B沉头圆孔(12H)，所述B沉头圆孔(12H)用于放置B球轴(14B)。B连接臂(12B)的一端设有B螺纹孔(122)，该B螺纹孔(12 与螺钉的配合实现行程放大体(12)的B连接臂(12B)与阀壳(11)、阀座(10)的B立板(IOB)固定安装；B连接臂 (12B)的另一端设有D螺纹孔(IM)，该D螺纹孔(124)与螺钉的配合实现行程放大体(12) 的B连接臂(12B)与阀壳(11)、阀座(10)的D立板(IOD)固定安装；行程支撑(12E)下端部为行程圆柱(12F)；该行程圆柱(12F)置于压板(9)的J通孔 (9A)内；阀芯(13)的一端设有沉头孔(13A)，该沉头孔(13A)用于与阀体(18)的止液圆台 (18D)配合，实现止液体的流入或流出。阀芯(13)的另一端设有导轨槽(1 )，该导轨槽 (13B)用于A连杆(12J)、C连杆(12L)、A球轴(14A)和B球轴(14B)在其内运动。阀体(18)的一侧板上设有液体入口(18A)，阀体(18)的盖板上设有液体出口(18B)， 在液体出口(18B)处设有止液圆台(18D)，该止液圆台(18D)与阀芯(13)的沉头孔(13A) 配合，实现阻止液体的流入或流出。
2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀，其特征在于巨磁致伸缩棒(1)、线圈骨架(2)和激励线圈(3)形成驱动单元。
3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀，其特征在于预压碟簧(7)、复位碟簧(19)、顶杆(6)、限位盘(8)、压板(9)、阀壳(11)、行程放大体(12)、阀芯 (13)、A球轴(14A)和B球轴(14B)形成传动单元。
4.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀，其特征在于外套筒 (4)、底盘(5)、预紧力螺栓(5A)、顶杆(6)、限位盘(8)、激励线圈(3)和巨磁致伸缩棒1形成闭合磁回路。
5.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀，其特征在于巨磁致伸缩棒1的使用温度范围为-80°C 150°C。
6.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀，其特征在于巨磁致伸缩棒(1)的采用铽镝铁材料加工。
7.根据权利要求6所述的基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀，其特征在于巨磁致伸缩棒⑴的铽镝铁材料的化学式为TbxDyi_x(Fei_yTy)z，其中X = 0. 01 0. 43、y = 0. 00 0. 30、ζ = 1. 50 2. 00，T为Cr、V、Co、Ni四种元素中的一种或两种以上的组合。具体可以是 Tb0 4Dy0 6 (Fe0 75V0 05Cr0 05Ni0 05Co0 10) L 9 的材料、Tb0 36Dy0.64 (FeO. 80Co0 20) L 9 的材料。
8.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀，其特征在于行程放大体(1 为一体化设计，B连杆(12K)与A支撑臂(121)形成第一级A放大单元；D连杆(12M) 与B支撑臂(12 形成第一级B放大单元；A连杆(12J)与B连杆(12K)形成第二级A放大单元；C连杆(12L)与D连杆(12M)形成第二级B放大单元；第一级A放大单元与第一级 B放大单元共用B连接臂(12B)，且以C柔性铰链(12Q)和G柔性铰链(12U)作为支点；第二级A放大单元以A柔性铰链(120)作为支点；第二级B放大单元以E柔性铰链(12S)作为支点；开关阀在运动时，A支撑臂(121)通过D柔性铰链(12R)推动B连杆(12K)绕C柔性铰链(12Q)转动，导致B连杆(12K)通过B柔性铰链(12P)推动A连杆(12J)绕A柔性铰链(120)转动；同时B支撑臂(122)通过H柔性铰链(12H)推动D连杆(12M)绕G柔性铰链(12U)转动，导致D连杆(12M)通过F柔性铰链(12T)推动C连杆(12L)绕E柔性铰链(12 转动；最终实现输出位移的二级放大。
9.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀，其特征在于套筒(4)、 调节螺栓(5A)、限位盘(8)、顶杆(6)均为如纯铁、硅钢或者坡莫合金等高磁导率软磁材料制成。
全文摘要
本发明公开了一种基于磁致伸缩执行器驱动的开关阀，该开关阀中的巨磁致伸缩棒放入线圈骨架中，将漆包线缠绕在线圈骨架上，套上外套筒，在外套筒的下端安装上底盘，在外套筒的上端将限位盘安装上，顶杆置入限位盘的I通孔里，在顶杆的上导柱上套接预压碟簧，将压板压入外套筒的上端，将在预紧力螺栓拧入底盘的E螺纹孔中；外套筒的螺纹凸台安装在阀座的螺纹腔内，行程放大体的行程圆柱置于压板的J通孔内，球轴置于行程放大体的沉头圆孔内，且球轴在阀芯的导轨槽内运动，阀芯安装在阀壳的中心通孔内，行程放大体、阀壳和阀座采用螺钉安装，阀体焊接在阀壳上。
文档编号F16K31/06GK102359643SQ20111031691
公开日2012年2月22日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者张天丽, 张恒, 徐惠彬, 蒋成保 申请人:北京航空航天大学