本发明属于流体传动系统中压力突变进行蓄能、抗冲击防护技术领域，具体涉及一种基于负泊松比结构的流体传动系统蓄能装置及其使用方法。
背景技术：
压力冲击是一种流体传动系统(如液压系统或气压系统)的常见现象，其主要表现为传动回路中流体压力的急剧变化，在极短时间内出现一个远高于正常工作压力的压力峰值。对流体传动系统的稳定性和工作可靠性有严重的危害。其主要原因主要有两种，第一种是在运行过程中的流体传动系统工作状态突然发生变化，例如急停、变向、打滑，会导致传动系统内部流体运动状态也发生剧烈变化，此时流体受到挤压，其动能转换为压力能，导致流体压力急剧升高；第二种是设备上的载荷发生急剧变化，也会导致流体压力迅速升高，形成压力冲击波，并迅速在管道内传播。
目前最常见和最成熟的减少液压冲击危害的措施是采用蓄能器和安全阀减小液压冲击。蓄能器能够吸收液压系统中的压力冲击，有效减小冲击压力的峰值。安全阀可以在压力过大的时候讲部分液压油溢流回油箱，从而避免液压过大对液压设备产生而破坏作用。最常用的气囊式蓄能器通过压缩气体完成能量转化和存储的，压缩空气的状态受温度影响较大，气囊存在泄漏和爆炸隐患，需要经常检测和维护。而安全阀动作需要响应时间，有时无法满足对高速冲击载荷进行卸载的要求。即使采取了相关降低冲击载荷的措施，但在实际使用过程中，由于压力冲击而发生泄漏、失效、缸体爆裂等故障仍时有发生。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于负泊松比结构的流体传动系统蓄能装置及其使用方法，用于减少压力冲击对流体传动设备的不良影响，提高设备运行可靠性。
本发明采用以下技术方案：
本发明基于负泊松比结构的流体传动系统蓄能装置，包括外壳，外壳的内部分别填充有负泊松比材料和零泊松比材料，外壳的顶部设置有用于连接液压回路的进油口，外壳的底部一侧设置有溢流口，外壳的内侧分别与负泊松比材料和零泊松比材料之间形成用于实现开闭的阀口。
具体的，外壳内部由上腔体和下腔体组成，零泊松比材料设置在下腔体内，与外壳的底部连接，负泊松比材料设置在零泊松比材料顶部的上腔体内。
具体的，外壳的内侧径向设置有突出的环形台阶，环形台阶与零泊松比材料紧密接触形成阀口，阀口为常闭状态。
进一步的，外壳为金属抗压结构。
进一步的，负泊松比材料的弹性模量小于零泊松比材料的弹性模量。
更进一步的，零泊松比材料轴向受力时，在径向尺寸不发生变化。
一种基于负泊松比结构的流体传动系统蓄能装置的使用方法，根据进油口压力冲击的大小变化，相互连接的负泊松比材料和零泊松比材料发生弹性变形，使阀口处于闭合或打开状态，实现正常工作或溢流卸载。
具体的，当进油口的压力冲击不满足打开阀口时，负泊松比材料通过弹性变形吸收压力能，底部的零泊松比材料和负泊松比材料相连发生弹性变形，参与到吸收压力能的过程中，零泊松比材料的弹性模量比负泊松比材料大，变形量较小，且零泊松比材料顶部受压时侧面尺寸不发生变化，零泊松比材料与环形台阶组成的阀口处于闭合状态。
具体的，当进油口的压力冲击满足打开阀口时，负泊松比材料和底部的零泊松比材料同时发生向下的弹性变形，底部的零泊松比材料向下移动，与外壳内侧径向设置的环形台阶脱离接触，环形台阶与负泊松比材料组成阀口，负泊松比材料受压后径向尺寸减小，阀口打开，液压油通过阀口进入下腔体，并从溢流口流回油箱，从而实现溢流卸载。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于负泊松比结构的流体传动系统蓄能装置，在外壳的内部分别填充有负泊松比材料和零泊松比材料，通过顶部设置的进油口连接液压回路，底部设置溢流口用于排出，通过负泊松比材料和零泊松比材料的弹性变形实现阀口的开闭，在压力波动时，可以通过弹性变形吸收流体压力能，如果冲击压力达到临界点，负泊松比结构体由于弹性变形会打开溢流通道，进行溢流卸载，一个装置可以具有两种功能。
进一步的，基于负泊松比材料在受到轴向力时会产生径向收缩变形的特性，以及由此特性而具有的优异抗冲击能力。
进一步的，通过阀口处负泊松比弹性变形来实现阀口的开闭，不需要其他任何机械结构和配合，简化了结构，提高了开闭动作的可靠性以及响应速度。
进一步的，通过负泊松比材料和零泊松比材料之间的配合，不但可以通过弹性变形的方式吸收压力冲击，而且可以在压力冲击较大的情况下实现溢流卸载。通过一种结构实现了两种功能，对不同程度的压力冲击都可以起到良好的防护作用。
本发明还公开了一种基于负泊松比结构流体传动系统蓄能装置的使用方法，根据进油口压力冲击的大小变化，相互连接的负泊松比材料和零泊松比材料发生弹性变形，使阀口处于闭合或打开状态，实现正常工作或溢流卸载，整个方法操作简单，显示直观。
综上所述，本发明蓄能结构为单一结构体，不存在零件之间的相对运动，不但结构简单、可靠性高，而且具有更好的响应特性，相较于目前传统方法有较大的优势和较好的应用前景。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为负泊松比结构变形特点图，其中，(a)为受压状态，(b)为受拉状态；
图2为本发明负泊松比材料的结构图，其中，(a)为单胞，(b)为单胞组成的二位结构；
图3为本发明负泊松比材料受压后的变形趋势图，其中，(a)为正泊松比材料，(b)为负泊松比材料，(c)为图(b)的放大示意图；
图4为零泊松比结构变形特点图，其中，(a)为受压状态，(b)为受拉状态；
图5为本发明抗冲击蓄能器工作原理图；
图6为本发明抗冲击和溢流卸载原理图，其中，(a)为通过弹性变形吸收压力冲击；(b)为压力过高时阀口A打开进行溢流。
其中：1.外壳；2.负泊松比材料；3.零泊松比材料；4.进油口；5.阀口；6.溢流口；7.环形台阶。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图5，本发明提供了一种基于负泊松比结构的流体传动系统蓄能装置，包括外壳1、负泊松比材料2和零泊松比材料3，负泊松比材料2和零泊松比材料3填充在外壳1的内部，外壳1的顶部设置有用于连接液压回路的进油口4，外壳1的底部一侧设置有溢流口6。
外壳1的内侧径向设置有突出的环形台阶7，环形台阶7与零泊松比材料3的结构紧密接触形成阀口5，阀口5在正常情况下为常闭状态。
外壳1为金属抗压结构，外壳1的下部为零泊松比材料3(顶部受压或受拉，侧向尺寸不会发生变化)与外壳1的底部连接，零泊松比材料3的顶部连接有负泊松比材料2(顶部受压或受拉，侧向尺寸会收缩)，通过对胞元和整体结构及选材的优化设计使负泊松比材料2的弹性模量小于零泊松比材料3的弹性模量。
负泊松比材料是一种受到单轴拉伸时会发生侧向膨胀,而受到单轴压缩时会发生侧向收缩的材料或结构，其工作机理如图1所示。通过材料中微结构(也称单胞)的设计，当沿着某一个方向施加挤压作用力时微结构沿着垂直于作用力的方向收缩，而当沿着某一个方向施加拉伸作用力时微结构沿着垂直于作用力的方向扩张，从而实现拉胀效果，如图2所示。
由于负泊松比材料在受挤压和冲击的时候，材料会向受挤压或冲击的位置收缩，从而使更多的材料参与到能量吸收过程中。因此，负泊松比材料具有优异的抗冲击能力如图3所示。
零泊松比材料是在负泊松比的基础上发展出来的一种新材料，其特点为轴向受力时，在径向尺寸不发生变化，如图4所示(由于零泊松比材的提出和发展都来源于对负泊松比材料的研究，且其设计、分析方法与负泊松比材料基本相同，为简单起见，本发明将零泊松比材料也视为一种特殊的负泊松比材料)。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图6，本发明一种基于负泊松比结构流体传动系统蓄能装置的使用方法，具体如下：
当进油口4的压力冲击不满足打开阀口5时，负泊松比材料2通过弹性变形吸收压力能，此时底部的零泊松比材料3由于和负泊松比材料2相连，因此，也会发生弹性变形，参与到吸收压力能的过程中，由于零泊松比材料3的弹性模量比负泊松比材料2大，变形量较小，且零泊松比材料3顶部受压时侧面尺寸不发生变化，零泊松比材料3与环形台阶7组成的阀口5处于闭合状态，如图6(a)所示。
当进油口4的压力冲击满足打开阀口5时，负泊松比材料2和底部的零泊松比材料3同时发生向下的弹性变形，由于底部的零泊松比材料3向下移动，与环形台阶7脱离接触；此时，环形台阶7与负泊松比材料2组成阀口5，由于负泊松比材料2受压后径向尺寸减小，阀口5打开，液压油通过阀口5进入下腔体，并从溢流口6流回油箱，从而实现溢流卸载，如图6(b)所示。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。