一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀的制作方法

本发明属于机械领域，涉及一种基于弹簧管位移放大的小型化高压压电比例阀。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：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。

本发明的技术解决方案是：

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。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明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)本发明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)本发明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为本发明高压压电比例阀的二维剖面图；

图2为本发明高压压电比例阀的三维外观图(未显示外罩)；

图3为本发明高压压电比例阀的压电驱动组件图；

图4为本发明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，为本发明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。

本发明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。

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，即ni36crtial。

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。

所述压电驱动组件1包括：锁紧螺钉11、支架12、顶套13、两个叠堆型压电陶瓷14、滑块15和顶头16；如图3所示。

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运动；

支架12下层设置有一个压电陶瓷14，滑块15的上层有一个压电陶瓷14；

位于滑块15的上层的压电陶瓷14输出端固定连接顶头16，位于滑块15的上层的压电陶瓷14能够独立输出位移使顶头16相对滑块15运动，进而使得顶头16驱动阀杆22运动；

位于支架12下层的压电陶瓷14输出位移使滑块15相对支架12运动，进而滑块15带动位于支架12上层的压电陶瓷14以及顶头16同步运动，使得顶头16驱动阀杆22运动；

锁紧螺钉11通过螺纹连接支架12下层侧壁的螺纹通孔形成螺纹副，顶套13放置在支架12下层上，顶套13能够相对支架12运动；锁紧螺钉11、顶套13、位于支架12下层的压电陶瓷14依次连接，通过螺纹副使锁紧螺钉11推动顶套13和位于支架12下层的压电陶瓷14联动，改变位于支架12下层的压电陶瓷14的装配位置，使得阀针13插入出气接头5的进气口实现密封。

锁紧螺钉11一端为外六方结构、一端为球形结构、中间为外螺纹结构，支架12为上下两层结构，下层外形为“工”字形结构，上层为矩形结构，上下两层分别开有矩形的中空滑轨结构，下层“工”字形结构的四个角分别开有安装孔，顶套13为正方形截面的矩形块，一层正方形侧面上开由半球形凹孔，另一层开有正方形凹孔，压电陶瓷14为叠堆型压电陶瓷。压电陶瓷14为正方形截面的长方体，滑块15为z形块，左右两侧的突出部分的内侧均开由正方形的盲孔，顶头16的截面为t形结构，一层为侧面开有正方形盲孔的长方体块，另一测为中心具有球形凸起的半圆弧结构。除了压电陶瓷14外，锁紧螺钉11、支架12、顶套13、滑块15和顶头16的材料均为不锈钢，牌号具体为316l或1cr18ni9ti。

出气接头5包括：接头51和密封垫52。接头51的一端固定连接密封垫52作为出气接头5的进气口，；密封垫52中心开有圆形通孔，密封垫52的外径与所述接头51一端的内径过盈配合；即图1所示，接头51左侧盲孔位置。接头51的另一端作为出气口连接外部管路；接头51的外壁和阀体4的出气孔固定连接。所述密封垫52采用硬塑料结构，如聚酰亚胺等。

所述弹簧管21壁厚取值范围为0.2mm～0.3mm，弹簧管21外径较小值的取值范围为2.5mm～3.5mm。

所述阀体4采用不锈钢材料如316l、1cr18ni9ti。

阀体4的主体为一个中空管结构，在中空管的上部一侧延伸出一个矩形平面，此矩形面上开有四个螺钉孔用于压电驱动组件1的安装，阀体4中空管下端为外螺纹结构，作为压电比例阀的介质入口；阀体4下端的一侧有一个具有内螺纹的直管段，用于与出气接头5进行连接。阀体4采用不锈钢材料(如316l、1cr18ni9ti)。

本发明压电比例阀的装配过程如下，如图2所示：

1)以弹簧管21的上端面作为装配平面，将阀杆22从弹簧管21的头段中心孔插入，直到两者的上端面平齐，然后通过电子束焊进行焊接，然后将阀针23插入阀杆22下端圆柱中，通过过盈配合进行固定，形成了弹性放大组件2。

2)将弹性放大组件2装入阀体4中，并在弹簧管21基座段与阀体4进行电子束焊接。

3)将一个压电陶瓷14一端套上顶套13，另一端套在滑块15一侧，另一个压电陶瓷14一端套在滑块15的另一侧，另一端套在顶头16的正方形盲孔内；将上述组件装入支架12的中空滑轨内，推到最底部，并将锁紧螺钉11安装在支架12上，这就组成了压电驱动组件1。将压电驱动组件1安装在阀体4上，并通过四个螺钉进行紧固。

4)将出气接头5通过螺纹安装到阀体4的下游侧面的直管段内，使阀针13的圆锥部分插入密封垫51的中心孔内，并使阀杆22产生变形产生压电比例阀的密封力，最后将出气接头5和阀体4通过电子束焊连接在一起。

5)调节锁紧螺钉11推动顶套13、两个压电陶瓷14、滑块15和顶头16一起向右运动，直到顶头16与弹簧管21的头段接触为止，此时作为初始装配状态，阀针23恰好堵住出气接头5进气口实现密封。这样就完成了如图2所示压电比例阀的装配。

阀体4的进气孔连接外部高压气体管路，高压气体从阀体4的进气孔流入阀体4和阀杆22之间的空腔，阀杆22的上端固定连接弹簧管21且阀杆22和弹簧管21之间密封连接，初始装配状态，阀针23堵住出气接头5进气口，使上述空腔形成高压密闭空间。

本发明压电比例阀的工作原理如下：

本发明压电驱动组件1包括两级驱动，位于滑块15的上层的压电陶瓷14作为第一级驱动，能够独立驱动弹簧管21上端向图1所示的右侧运动，产生对应位移。将上下两层的压电陶瓷14和滑块15组合起来作为第二级驱动，位于下层的压电陶瓷14驱动滑块15和位于上层的压电陶瓷14联动，进而使弹簧管21上端向图1所示的右侧运动，产生对应位移，在此位移量的基础上，位于上层的压电陶瓷14还可以进一步驱动弹簧管21上端向图1所示的右侧运动，获得更大的位移量。

当给两个压电陶瓷14同时供电时，两个压电陶瓷产生的总位移xpzt从顶头16输出，顶动弹簧管21的头段，使阀针23产生位移xv。由于弹簧管21的特殊结构，弹性放大组件2将以弹簧管21薄壁段的中间点为轴心进行旋转，进而实现了位移放大，根据结构参数，其放大倍数约为6。由于压电陶瓷的输出位移与输入电压成正比，当给压电陶瓷0～150v之间变化的电压时，顶头16输出位移为0～40μm，进而实现了流量比例流量调节。弹簧管-阀杆组件2的变形如图4所示，当压电陶瓷14产生位移xpzt后，弹簧管-阀杆组件2将绕着旋转点a进行旋转，在阀针23处产生位移xv。根据图4所示的尺寸参数，其位移放大倍数为k＝xv/xpzt＝lv/lpzt。

本发明压电比例阀的特点如下：

1)通过弹簧管同时实现了位移放大和高压密封，实现了小型化，重量小于50g；

2)弹簧管作为位移放大机构，可实现不小于6的放大倍数；

3)弹簧管虽然为薄壁结构(壁厚0.2mm～0.3mm)，但是其薄壁段外径较小(2.5mm～3.5mm)可以承受20mpa以上的压力；

4)弹簧管在压电阀工作过程中的最大应力集中小于400mpa，寿命大于100万次。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。