压电混联泵、脉冲水射流发生系统及动力调控方法

本发明涉及一种压电混联泵、脉冲水射流发生系统及动力调控方法，属于微流体输送与控制领域。

背景技术：

1、压电泵是一种新型流体驱动器，它是利用压电材料的逆压电效应使压电材料产生变形，进而使泵腔的容积产生变化出现压差，再通过进、排液单向阀完成流体的单向输送。同传统液压泵相比，压电泵具有体积小、重量轻、结构简单、响应快、无电磁干扰、能耗低及流量微小可控等诸多优势，在生物医疗、航空航天及微机电系统等工程领域具有广泛的应用前景。

2、同时脉冲水射流和普通连续性水射流相比具有更高的穿透力，能显著提高作业的安全性和效率。但目前的高速脉冲射流发生方法有限，且无法满足快速动作和精准调控的要求，故亟需一种基于压电泵的发生装置，同时能够精准调控高速脉冲射流。

技术实现思路

1、本发明提供一种压电混联泵、脉冲水射流发生系统及动力调控方法，实现多元化的脉冲发生方法，脉冲频率的独立调节。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种压电混联泵，包括若干组并联连接的压电叠堆串联泵，每组压电叠堆串联泵中包括若干泵单元，若干泵单元串联；

4、若干组压电叠堆串联泵相邻的端部分别通过进液流道块、排液流道块并联，在进液流道块内形成进液管路，排液流道块内形成排液管路；

5、所述泵单元包括泵体、阀体以及压电陶瓷预紧装置，在泵体内设置泵腔，在泵腔内靠近泵体底部的位置安装压电陶瓷预紧装置，泵体的底端沿着泵体中轴线设置预紧装置连接螺钉，预紧装置连接螺钉的端部嵌入压电陶瓷预紧装置内，实现压电陶瓷预紧装置与泵体的连接；

6、在压电陶瓷预紧装置顶部的泵腔内安装导向块， 泵体的顶部通过泵盖连接螺钉固定泵盖，在泵盖与泵体之间的位置，即泵体开口端安装阀体，在阀体上安装进液单向阀以及排液单向阀；

7、作为本发明的进一步优选，所述压电陶瓷预紧装置包括底座、壳体、预紧弹簧、压电叠堆以及移动端，壳体的底端安装在底座上，在壳体内部空间中，由壳体顶端至底座的中轴线上顺次同轴布设移动端以及压电叠堆，且移动端的一个端部伸出壳体，移动端位于壳体内的另一个端部套设预紧弹簧，预紧弹簧持续向压电叠堆施加预紧力；

8、预紧装置连接螺钉的端部嵌入底座内；

9、作为本发明的进一步优选，所述导向块与压电陶瓷预紧装置的移动端螺纹连接；

10、隔膜由阀体通过隔膜密封圈压设在泵体顶端；

11、在阀体上分别设置阀体进液管和阀体出液管，阀体进液管相邻阀体的位置安装进液单向阀，阀体出液管相邻阀体的位置安装排液单向阀；

12、阀体与泵盖之间设置阀体密封圈；

13、作为本发明的进一步优选，述隔膜采用金属片切割制成；

14、在隔膜朝向泵腔的一侧涂抹隔离膜；

15、导向块安装在泵体内时，与泵体之间为间隙配合；

16、作为本发明的进一步优选，前述的进液流道块与压电混联泵的一端之间、排液流道块与压电混联泵的另一端之间均通过流道块密封圈密封；且进液流道块与压电混联泵的一端、排液流道块与压电混联泵的另一端均通过流道块连接螺栓将流道块密封圈压紧；

17、所述进液管路的直径大于排液管路的直径；

18、包含所述压电混联泵的脉冲水射流发生系统，还包括水箱、上位机、驱动器、压力传感器、开关阀、流量传感器、喷嘴以及安全阀；

19、所述压电混联泵的进液管路与水箱连通，压电混联泵的排液管路与喷嘴连通，驱动器与压电混联泵电联，上位机与驱动器连通，即上位机向驱动器发送指令；

20、在压电混联泵与喷嘴连通之间的管路上安装安全阀、开关阀、压力传感器以及流量传感器，其中安全阀靠近压电混联泵；

21、其中，开关阀用于控制喷嘴处高速脉冲水射流的启闭，安全阀起安全保护作用；

22、基于所述脉冲水射流发生系统的动力调控方法，上位机向驱动器的各路输出通道发送电压输出幅值、频率以及相位差的调节指令，驱动器以同步或者异步模式驱动压电混联泵中各个泵腔内压电叠堆进行往复动作，保持压电混联泵持续从水箱内吸水，由喷嘴排出，产生高速脉冲水射流；

23、压力传感器和流量传感器实时脉冲监测水射流发生系统的输出压力和流量，并将监测值输送给上位机，形成反馈后由上位机精准调节驱动器各路输出通道的输出参数；

24、作为本发明的进一步优选，在每组压电叠堆串联泵内，设定相邻泵单元的驱动信号相位差为180°；

25、作为本发明的进一步优选，当脉冲射流的调控设定为定频调压模式时，设定驱动信号的脉冲频率固定，仅调节驱动信号的电压幅值，以此调节脉冲射流压力；

26、当脉冲射流的调控设定为定压调频模式时，脉冲射流压力不变，调节每组压电叠堆（006-4）串联泵驱动信号的脉冲频率时，匹配调节驱动信号的电压幅值，即增大驱动信号的脉冲频率时，减小驱动信号的电压幅值；

27、减小驱动信号的脉冲频率时，增大驱动信号的电压幅值；

28、作为本发明的进一步优选，当脉冲射流的调控设定为定压调频模式时，脉冲射流压力不变，每组压电叠堆串联泵驱动信号的脉冲频率固定，仅调节并联连接的各组压电叠堆串联泵之间的相位差。

29、通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

30、1、本发明提供的包含压电混联泵的脉冲水射流发生系统，每组压电叠堆串联泵的驱动信号均能够独立调节，使得各组压电叠堆串联泵处于不同的工作状态，以能够提供多元化的脉冲水射流发生方法；

31、2、本发明提供的基于脉冲水射流发生系统的动力调控方法，通过调节驱动信号的电压幅值、相位差以及脉冲频率，来实现对脉冲射流的精准调控。

技术特征：

1.一种压电混联泵，其特征在于：包括若干组并联连接的压电叠堆串联泵，每组压电叠堆串联泵中包括若干泵单元，若干泵单元串联；

2.根据权利要求1所述的压电混联泵，其特征在于：所述压电陶瓷预紧装置（006）包括底座（006-1）、壳体（006-2）、预紧弹簧（006-3）、压电叠堆（006-4）以及移动端（006-5），壳体（006-2）的底端安装在底座（006-1）上，在壳体（006-2）内部空间中，由壳体（006-2）顶端至底座（006-1）的中轴线上顺次同轴布设移动端（006-5）以及压电叠堆（006-4），且移动端（006-5）的一个端部伸出壳体（006-2），移动端（006-5）位于壳体（006-2）内的另一个端部套设预紧弹簧（006-3），预紧弹簧（006-3）持续向压电叠堆（006-4）施加预紧力；

3.根据权利要求2所述的压电混联泵，其特征在于：所述导向块（005）与压电陶瓷预紧装置（006）的移动端（006-5）螺纹连接；

4.根据权利要求3所述的压电混联泵，其特征在于：述隔膜（004）采用金属片切割制成；

5.根据权利要求4所述的压电混联泵，其特征在于：前述的进液流道块（013）与压电混联泵的一端之间、排液流道块（017）与压电混联泵的另一端之间均通过流道块密封圈（016）密封；且进液流道块（013）与压电混联泵的一端、排液流道块（017）与压电混联泵的另一端均通过流道块连接螺栓（014）将流道块密封圈（016）压紧；

6.包含权利要求5所述压电混联泵的脉冲水射流发生系统，其特征在于：还包括水箱（1）、上位机（2）、驱动器（3）、压力传感器（5）、开关阀（6）、流量传感器（7）、喷嘴（8）以及安全阀（9）；

7.基于权利要求6所述脉冲水射流发生系统的动力调控方法，其特征在于：上位机（2）向驱动器（3）的各路输出通道发送电压输出幅值、频率以及相位差的调节指令，驱动器以同步或者异步模式驱动压电混联泵（4）中各个泵腔（009）内压电叠堆（006-4）进行往复动作，保持压电混联泵（4）持续从水箱（1）内吸水，由喷嘴排出，产生高速脉冲水射流；

8.根据权利要求7所述脉冲水射流发生系统的动力调控方法，其特征在于：在每组压电叠堆（006-4）串联泵内，设定相邻泵单元的驱动信号相位差为180°。

9.根据权利要求8所述脉冲水射流发生系统的动力调控方法，其特征在于：当脉冲射流的调控设定为定频调压模式时，设定驱动信号的脉冲频率固定，仅调节驱动信号的电压幅值，以此调节脉冲射流压力；

10.根据权利要求9所述脉冲水射流发生系统的动力调控方法，其特征在于：当脉冲射流的调控设定为定压调频模式时，脉冲射流压力不变，每组压电叠堆（006-4）串联泵驱动信号的脉冲频率固定，仅调节并联连接的各组压电叠堆串联泵之间的相位差。

技术总结
本发明涉及一种压电混联泵、脉冲水射流发生系统及动力调控方法，系统包括水箱、上位机、驱动器、压电混联泵、压力传感器、开关阀、流量传感器、喷嘴、安全阀，上位机调节驱动器各路输出通道的电压输出幅值、频率以及相位差，驱动器以同步或异步模式驱动压电混联泵中各腔的压电叠堆往复动作，使得压电混联泵连续从水箱中吸水，通过喷嘴排出，产生高速脉冲水射流。压力传感器和流量传感器实时监测水射流发生系统的输出压力和流量，并将监测值输送给上位机，形成反馈后由上位机精准调节驱动器各路输出通道的输出参数；本发明实现多元化的脉冲发生方法，同时实现冲击速度和脉冲频率的独立调节。

技术研发人员：曹超,赵继云,卫鹏辉,黄笛,毛炳权,刘浩,艾延凡,高凯
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13