一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵的制作方法

本发明属于压电泵技术领域，尤其是涉及一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵。

背景技术：

智能材料的快速发展对设计和研发具有优异性能的小型驱动器提供了新途径。基于压电陶瓷所设计的压电泵，其原理是将流体充满设计好的泵腔，通电使得流体循环流动产生压力和流量输出，并最终将其转化为一定的驱动力，实现驱动效果。由于其具有体积小、能量大以及可靠性高等特点，在航空航天、机械建筑、精准医疗等领域具有广阔的应用前景。压电陶瓷液压泵属于液压传动的范畴，是近几十年发展起来的一种新型学科，通过液压传动实现装置驱动具有控制平稳、功率更大等优点，相比较电机和机械控制具有更高可靠性。基于压电陶瓷设计出来的液压泵，结合压电陶瓷和液压传动两方面的优点，使得驱动器的综合性能大大的得到提高。

压电泵根据其结构是否有阀，可将其分为两类：有阀压电泵和无阀压电泵。无阀压电泵和同尺度的有阀压电泵相比，存在流量低、背压小、效率低和反向止流性能差等缺点，而有阀压电泵则存在结构复杂、装配困难、可靠性较低等缺陷。为了同时利用两者优点，避免缺点，提高压电泵输出性能，设计一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵，采用单阀三腔设计，且液压循环系统外壳上加工聚能锥形槽，形成漩涡，形成有利流动，在长圆柱状出液管端部出口处形成额外吸力，同时优化结构减轻驱动活塞重量并减去现有技术的密封膜片，这与大部分压电泵现有技术不同，其优点在于结构更加紧凑，重量轻，性能更加稳定，输出性能更好，效率更高。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵，包括设置在上部的液压循环系统和设置在下部的压电驱动系统，所述液压循环系统和压电驱动系统固定连接形成密封腔体结构；

所述压电驱动系统包括设置在压电驱动系统外壳内的压电陶瓷、压电驱动系统密封固定件和驱动活塞，所述的压电陶瓷从压电驱动系统外壳底部伸入后与驱动活塞固定连接，所述压电陶瓷通过压电陶瓷定位盖固定，所述驱动活塞的外围通过压电驱动系统密封固定件完成密封，所述压电驱动系统密封固定件与压电驱动系统外壳固定连接，压电陶瓷的电源线引出压电陶瓷定位盖后与外接电源连接；

所述液压循环系统包括设置在液压循环系统外壳内的入流腔组件和出流腔组件，所述入流腔组件包括由隔离块上的环形凹槽和液压循环系统外壳围合成的入流腔、在液压循环系统外壳上与入流腔相对应位置处开设的入流孔和设置在隔离块底部的单向阀，所述的隔离块的块体上开设有使入流腔内液体流入单向阀的第一流液孔，所述的单向阀固定在液压循环系统外壳上；

所述单向阀和驱动活塞之间设有间隙，此间隙与液压循环系统外壳的内壁之间形成压油腔，所述单向阀与压油腔连通；

所述出流腔组件包括由隔离块顶端与液压循环系统外壳的内壁围合而成的出流腔、在液压循环系统外壳上与出流腔相对应位置处开设的出流孔和长圆柱状出液管，所述长圆柱状出液管的底端固定在单向阀上，顶端依次穿过单向阀和隔离块，长圆柱状出液管的顶端与液压循环系统外壳的顶端设有间隙，在液压循环系统外壳的内壁上与长圆柱状出液管顶端正对处设有锥形槽；

所述外接电源通过电压控制压电陶瓷伸长带动驱动活塞挤压压油腔内液体从长圆柱状出液管内依次向出流腔、出流孔流动，所述外接电源通过电压控制压电陶瓷收缩带动驱动活塞降落将外部液体依次由入流孔、入流腔和单向阀进入压油腔内。

进一步的，所述压电驱动系统密封固定件为中空圆柱状结构，在圆柱的外表面沿轴向方向设有轴向沟槽，在圆柱的上表面设有径向沟槽，通过在轴向沟槽内安置密封圈完成压电驱动系统密封固定件与压电驱动系统外壳的密封，所述驱动活塞包括一体设置的活塞基体和中空连接杆，所述中空连接杆穿入中空圆柱内，活塞基体抵在中空圆柱上表面设置，通过在径向沟槽内安置密封圈完成驱动活塞与压电驱动系统密封固定件的密封，在活塞基体中心处开设有与中空连接杆连通的螺钉安装孔，在螺钉安装孔的上表面开设有内沟槽，通过在内沟槽中安装密封圈完成驱动活塞与压电陶瓷的密封，所述驱动活塞与压电陶瓷之间通过螺钉连接。

进一步的，所述单向阀包括圆形阀片和圆形阀体，所述圆形阀片设置在圆形阀体上，所述圆形阀体固定在液压循环系统外壳上，所述圆形阀片上均匀开设有多个第二液流孔，在圆形阀体的对应位置处也开设有多个第三液流孔，多个第三液流孔与压油腔连通。

进一步的，所述隔离块为圆柱状结构，在圆柱的轴向方向开设有两个环形沟槽，在圆柱的底端径向方向开设一个环形沟槽，通过在三个环形沟槽内配置密封圈完成液压循环系统轴向和周向的密封。

进一步的，所述长圆柱状出液管的高度为压电泵高度的三分之一至二分之一。

进一步的，所述长圆柱状出液管的顶端与锥形槽之间的间隙为3mm。

进一步的，在所述液压循环系统外壳上设有蓄能器接口。

进一步的，在所述液压循环系统外壳上均布4个入流孔。

进一步的，所述压电驱动系统外壳上设有减重孔。

进一步的，所述驱动活塞材料为不锈钢，所述压电驱动系统外壳和液压循环系统外壳的材料均为铝合金，所述单向阀的阀片为弹簧钢，所有密封圈的材料均选用氟橡胶。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵具有以下优势：

本发明所述的一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵，

1.压电泵结构采取多孔单阀设计，相比于目前的双单向阀设计以及其他结构的设计具有更高的可靠性，装配方便。

2.三腔设计使得腔内流体流动更加规律，有效的防止或者减少了流体回流，最终提高压电泵系统的压力和流量输出。

3.本发明预留蓄能器接口，结构紧凑简洁，便于管路连接，便于更换失效蓄能器，利于腔体压力控制和提高性能。

4.本发明出流管口设计锥形槽，有利于形成提高效率的湍流，形成更加合理流动，在减小体积和重量的情况下，可有效提高泵送流体的输出性能，且具有较高的实用性。

5.本发明通过改变活塞结构取消用于密封的密封垫片，减少能量损失，在减小体积和重量的情况下，可有效提高泵送流体的输出性能。

6.本发明将入流腔体、出流腔体和压油腔通过液流孔连接，构成单阀三腔结构，使得流动循环更加可靠稳定，且加工聚能锥形槽，形成漩涡，形成有利流动，在出口处形成额外吸力，同时优化结构减轻活塞重量并减去吸能密封垫片，这与大部分现有技术不同，其优点在于结构更加紧凑，性能更加稳定，输出性能更好。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵立体结构示意图。

图2是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵的剖视图。

图3是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵另一方向剖视图；

图4是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵的压油腔的结构示意图；

图5是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵的液压循环系统结构示意图；

图6是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵单向阀的立体结构示意图；

图7是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵单向阀和隔离块装配后的立体结构示意图；

图8是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵的驱动活塞与压电驱动系统密封固定件装配前的立体结构示意图；

图9是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵的驱动活塞与压电驱动系统密封固定件装配后的立体结构示意图。

附图标记说明：

1-压电驱动系统外壳，2-压电陶瓷，3-压电陶瓷定位盖，4-压电驱动系统密封固定件，401-轴向沟槽，402-径向沟槽，5-驱动活塞，501-活塞基体，502-中空连接杆，6-液压循环系统外壳，7-隔离块，8-圆形阀片，9-圆形阀体，10-入流孔，11-出流孔，12-蓄能器接口，13-长圆柱状出液管，14-锥形槽，15-入流腔，16-出流腔，17-第一流液孔，18-压油腔，19-内沟槽，20-第二液流孔，21-第三液流孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图9所示，一种基于压电陶瓷驱动的无膜片新型压电泵，包括设置在上部的液压循环系统和设置在下部的压电驱动系统，所述液压循环系统和压电驱动系统固定连接形成密封腔体结构；

所述压电驱动系统包括设置在压电驱动系统外壳1内的压电陶瓷2、压电驱动系统密封固定件4和驱动活塞5，所述的压电陶瓷2从压电驱动系统外壳1底部伸入后与驱动活塞5固定连接，所述压电陶瓷2通过压电陶瓷定位盖3固定，所述驱动活塞5的外围通过压电驱动系统密封固定件4完成密封，所述压电驱动系统密封固定件4与压电驱动系统外壳1固定连接，压电陶瓷2的电源线引出压电陶瓷定位盖3后与外接电源连接；

所述液压循环系统包括设置在液压循环系统外壳6内的入流腔组件和出流腔组件，所述入流腔组件包括由隔离块7上的环形凹槽和液压循环系统外壳6围合成的入流腔15、在液压循环系统外壳6上与入流腔15相对应位置处开设的入流孔10和设置在隔离块7底部的单向阀，所述的隔离块7的块体上开设有使入流腔15内液体流入单向阀的第一流液孔17，所述的单向阀固定在液压循环系统外壳6上；

所述单向阀和驱动活塞5之间设有间隙，此间隙与液压循环系统外壳6的内壁之间形成压油腔18，所述单向阀与压油腔18连通；

所述出流腔组件包括由隔离块7顶端与液压循环系统外壳6的内壁围合而成的出流腔16、在液压循环系统外壳6上与出流腔16相对应位置处开设的出流孔11和长圆柱状出液管13，所述长圆柱状出液管13的底端固定在单向阀上，顶端依次穿过单向阀和隔离块7，长圆柱状出液管13的顶端与液压循环系统外壳6的顶端设有间隙，在液压循环系统外壳6的内壁上与长圆柱状出液管13顶端正对处设有锥形槽14；

所述外接电源通过电压控制压电陶瓷2伸长带动驱动活塞5挤压压油腔18内液体从长圆柱状出液管13内依次向出流腔16、出流孔11流动，所述外接电源通过电压控制压电陶瓷收缩带动驱动活塞5降落将外部液体依次由入流孔10、入流腔15和单向阀进入压油腔18内。

压电驱动系统密封固定件4为中空圆柱状结构，在圆柱的外表面沿轴向方向设有两个轴向沟槽401，在圆柱的上表面设有径向沟槽402，通过在轴向沟槽401内安置密封圈完成压电驱动系统密封固定件4与压电驱动系统外壳1的密封；

所述驱动活塞5包括一体设置的活塞基体501和中空连接杆502，所述中空连接杆502穿入中空圆柱内，活塞基体501抵在中空圆柱上表面设置，通过在径向沟槽402内安置密封圈完成驱动活塞5与压电驱动系统密封固定件4的密封，在活塞基体501中心处开设有与中空连接杆502连通的螺钉安装孔，在螺钉安装孔的上表面开设有内沟槽19，通过在内沟槽19中安装密封圈完成驱动活塞5与压电陶瓷2的密封，所述驱动活塞5与压电陶瓷2之间通过螺钉连接。

通过改变驱动活塞5的结构来取消现有结构用于密封的密封垫片，减少无效输出能量，同时优化结构减轻活塞重量，减少能量吸收，可有效提高泵送流体的输出性能。

单向阀包括圆形阀片8和圆形阀体9，所述圆形阀片8设置在圆形阀体9上，所述圆形阀体9固定在液压循环系统外壳6上，所述圆形阀片8上均匀开设有多个第二液流孔20，在圆形阀体9的对应位置处也开设有多个第三液流孔21，多个第三液流孔21与压油腔18连通。

隔离块7为圆柱状结构，在圆柱的轴向方向开设有两个环形沟槽，在圆柱的底端径向方向开设一个环形沟槽，通过在三个环形沟槽内配置密封圈完成液压循环系统轴向和周向的密封。

长圆柱状出液管13的高度为压电泵高度的三分之一至二分之一，有利于聚能，提高通孔内流动速度，提高流动稳定性，提高输出性能。

长圆柱状出液管13的顶端与锥形槽14之间的间隙为3mm，在出流腔长通孔13出口处设置锥形槽14，形成漩涡，形成有利流动，在长圆柱状出液管13顶部形成额外吸力，提高流动稳定性，提高输出性能。

在液压循环系统外壳6上设有蓄能器接口12，便于外接蓄能器使得压电泵的工作状态更加稳定，相比于内置蓄能器，该设计更加可靠并减小结构体积。

在液压循环系统外壳6上均布4个入流孔10，增大流量并提高流动稳定性，提高输出性能。

压电驱动系统外壳1上设有减重孔。

驱动活塞5材料为不锈钢，所述压电驱动系统外壳1和液压循环系统外壳6的材料均为铝合金，所述单向阀的阀片8为弹簧钢，所有密封圈的材料均选用氟橡胶。

本新型压电泵的装配方法，包括下列步骤：

1)液压循环系统和压电驱动系统是两个独立的结构，在液压循环系统外壳6的径向沟槽内放置密封圈，并与压电驱动系统外壳1通过螺钉连接，由于两部分互相独立，可通过在两系统连接处加入弹簧钢片来调整压油腔18的大小；

2)装配压电泵液压循环系统结构

在隔离块7入流腔组件的三个环形沟槽内配置密封圈保证液压循环系统轴向和周向的密封，以保证腔内压力稳定，确保压电泵的输出性能。将隔离块7、圆形阀片8、圆形阀体9按照图6、图7所示顺序放置并将压电驱动系统密封固定件4、驱动活塞5用螺钉连接。并将装配好的入、出流腔组件按照图5所示装配好，用螺钉连接；

3)装配压电泵压电驱动系统结构

将压电陶瓷2从压电驱动系统外壳1底部伸入，使压电陶瓷2外圈钢结构顶住压电驱动系统外壳1内部凸台，用压电陶瓷定位盖3定位，将压电陶瓷电源线从压电陶瓷定位盖3引线槽中引出，用螺钉连接至压电驱动系统外壳1，在压电驱动系统密封固定件4两个轴向沟槽401内放置2个密封圈，并将压电驱动系统密封固定件4与压电驱动系统外壳1用螺钉连接。在压电驱动系统密封固定件4的径向沟槽402内安置密封圈，并将压电驱动系统外壳4与驱动活塞5按图9所示布置，在活塞螺钉孔内沟槽19中放入密封圈，用螺栓将驱动活塞5与压电陶瓷2固定。

新型压电泵的工作原理：在一定预冲压力下对封装叠堆压电陶瓷通高频正向交流电压，达到电压幅值过程中驱动叠堆陶瓷2产生向上凸起形变，推动驱动活塞5产生作用位移，输出能量并推动压油腔18内流体流出长圆柱状出液管13，再以流量和压力的形式通过出流孔11对外输出；同时，在电压减小，压电陶瓷2收缩，压力下降过程中，带动驱动活塞5使得压油腔18内压力降低，在蓄能器的作用下，由入流孔11进入入流腔体15内的流体通过单向阀进入压油腔18内，实现出流入流依次循环。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。