一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀

本发明涉及流体传动及控制领域，特别是涉及一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀。

背景技术：

1、气动压电阀具有结构简单、体积小重量轻、紧密可靠、密封性好、维修安装方便、流阻小适应性强等优点，广泛应用于各工业自动控制系统中。传统的直接驱动式伺服阀，采用力矩马达或电磁马达驱动，优点是构造简单，缺点是响应速度差和采用大电机驱动阀芯造成的高重量和大尺寸。随着压电材料的发展，采用压电驱动器作为新型驱动元件的伺服阀，与直线力电机相比，控制精度更高、响应速度更快、结构更加紧凑，具有动态响应快、重量轻等优点，在航空航天、汽车、微机电工程、生物医疗等领域显示出广阔的应用前景。

2、压电堆栈作为驱动器具有频率响应快、输出力大等优点，然而其最大的缺点是输出位移小(通常为其自身长度的0.15％)。为了在较为紧凑的结构下兼顾输出位移(即流量)和动态带宽，故需要采用放大机构对压电堆栈的输出位移进行放大，来实现大流量。目前，几种常见的柔性铰链式放大机构有杠杆放大、三角放大和桥式放大等。杠杆放大结构简单，但放大倍率高时其尺寸比较大，三角放大结构的放大比理论上可以很高，空间利用率不高，桥式放大机构具有对称、稳定和紧凑的结构，应用更加广泛。

3、然而，在现有的压电阀中，在更紧凑的结构中难以兼顾具有较高的动态带宽和位移放大效率，此外结构多为一体设计，虽然整体结构稳固，但是部件结构用途单一、加工和更换关键部件不便，兼容性一般，应用场合受限。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中阀门流量性能不足、阀芯运动位移量小以及结构通用性弱而不便更换的缺陷，提供一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，以在紧凑的结构下提高压电驱动器动态带宽，实现阀门高精度大流量的控制，且部件更换操作简单方便，整体结构设计简单，使用便捷。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

3、一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，包括压电阀结构和压电驱动器，所述压电阀结构包括主阀体、锥形阀芯、固定支架、胀紧套、光轴和弹性回复板，所述压电驱动器由位移放大机构和压电堆栈组成；

4、所述主阀体的中心设置有阶梯孔，主阀体的侧面上分别开设有与阶梯孔连通的进口p和出口t，且进口p和出口t分别位于阶梯孔的不同孔径段上，阶梯孔的台阶面上设置橡胶密封垫片；

5、所述弹性回复板和固定支架分别位于阶梯孔的两端并分别固定安装于主阀体的两侧端面上，所述光轴固定设置于固定支架远离主阀体的一端内，光轴的外侧套设有胀紧套，胀紧套固定设置于固定支架内；

6、所述锥形阀芯为与阶梯孔相适配的阶梯柱结构，并活动设置于阶梯孔内，阶梯柱的台阶面与橡胶密封垫片接触或分离，阶梯柱的中部设置有环形凹槽，锥形阀芯的一端固定连接于弹性回复板的中心处；

7、所述固定支架为中空的框架结构，所述压电驱动器包括设置于固定支架内的位移放大机构和固定连接于位移放大机构内的压电堆栈，所述位移放大机构的一端通过六角螺柱与锥形阀芯位于固定支架内的一端固定连接，位移放大机构的另一端与光轴位于固定支架内的一端固定连接；

8、通过位移放大机构的弹性变形，将压电堆栈输出并施加在输入端的位移经放大后转化为位移放大机构输出端的位移，从而带动锥形阀芯的轴向运动，锥形阀芯的台阶面与橡胶密封垫片分离，主阀体的进口p和出口t通过锥形阀芯中部的环形凹槽连通。

9、进一步的，所述锥形阀芯的阶梯柱外侧嵌设有o形密封圈，o形密封圈与主阀体的阶梯孔内壁滑动密封连接。

10、进一步的，所述锥形阀芯的阶梯柱两端面上均设置有螺纹柱，且两侧的螺纹柱结构相同。

11、进一步的，所述固定支架和弹性回复板在主阀体的两侧端面安装位置可相互调换。

12、进一步的，所述锥形阀芯为一体成型结构，其阶梯柱的台阶面边缘设置有环形凸起，所述环形凸起的外侧设置有外锥面、内侧设置有内锥面，内锥面的母线与锥形阀芯的轴线夹角为45°～90°。

13、进一步的，所述弹性回复板为金属片状弹性体，由若干层环状支架和连接于相邻两层环状支架之间的若干个小支架组成，弹性回复板的边缘处固定在主阀体的端面上，弹性回复板的中心处通过螺母与锥形阀芯的端部连接。

14、进一步的，所述位移放大机构为半桥式放大机构二级桥式放大机构。

15、进一步的，所述半桥式放大机构包括条形块状的底座、位于底座两侧的杠杆臂、位于两个杠杆臂另一端之间的输出端以及位于杠杆臂内侧的输入端，所述杠杆臂的一端通过柔性铰链与底座连接，所述输出端的两端分别通过柔性臂与两个杠杆臂的另一端连接，两个输入端分别通过柔性铰链与两侧杠杆臂分别对应连接，且输入端位于杠杆臂的中部靠近底座的一侧位置上。

16、进一步的，所述二级桥式放大机构包括第一级放大机构和位于第一级放大机构外侧的第二级放大机构，压电堆栈固定连接于第一级放大机构的位移输入端，第一级放大机构的位移输出端与第二级放大机构的位移输入端固定连接。

17、进一步的，所述压电堆栈为叠层型压电陶瓷结构，且沿堆叠方向极化，压电堆栈的两端分别与位移放大机构的两输入端内壁固定胶粘。

18、与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

19、1.本发明的压电驱动部分采用桥式两级放大机构，弥补了压电堆栈输出位移较小的不足，同时配合弹性回复板增加了阀芯的复位速度。半桥式放大机构一端被固定，一端变形输出，避免了传统桥式放大机构中压电堆栈的惯性运动，可以有效增强动态响应。

20、2.本发明采用模块化可拆卸结构设计，简化了设计，便于加工，固定支架内可安装不同的位移放大机构如桥式或反向桥式放大机构，可使压电驱动器的输出方向改变，也可通过改变各部分安装位置来灵活应用，增加了阀门的适用性。

21、3.本发明采用位置可调的光轴及其外侧设置的胀紧套对压电驱动器的固定端进行固定，以及通过调整锥形阀芯的端部与弹性回复板之间的安装位置，可方便调节阀芯的初始位置和预紧力，施力方便，结构稳固，提高了阀门输出稳定性。

22、4.本发明的主阀体节流阀口处通过固定设置橡胶密封垫片，在锥形阀芯的台阶面对应设置尖锥状的环形凸起，使得锥形阀芯与主阀体的接触面为圆环形，且可有效增加密封接触面积，降低了阀体关键配合面的加工要求，保证了阀门密封性。

技术特征：

1.一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，其特征在于：包括压电阀结构和压电驱动器，所述压电阀结构包括主阀体(2)、锥形阀芯(1)、固定支架(3)、胀紧套(7)、光轴(6)和弹性回复板(11)；

2.根据权利要求1所述的一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，其特征在于：所述锥形阀芯(1)的阶梯柱外侧嵌设有o形密封圈(9)，o形密封圈(9)与主阀体(2)的阶梯孔内壁滑动密封连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，其特征在于：所述锥形阀芯(1)的阶梯柱两端面上均设置有螺纹柱，且两侧的螺纹柱结构相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，其特征在于：所述固定支架(3)和弹性回复板(11)在主阀体(2)的两侧端面安装位置可相互调换。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，其特征在于：所述锥形阀芯(1)为一体成型结构，其阶梯柱的台阶面边缘设置有环形凸起(1.1)，所述环形凸起(1.1)的外侧设置有外锥面(1.2)、内侧设置有内锥面(1.3)，内锥面(1.3)的母线与锥形阀芯(1)的轴线夹角为45°～90°。

6.根据权利要求1所述的一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，其特征在于：所述弹性回复板(11)为金属片状弹性体，由若干层环状支架和连接于相邻两层环状支架之间的若干个小支架组成，弹性回复板(11)的边缘处固定在主阀体(2)的端面上，弹性回复板(11)的中心处通过螺母与锥形阀芯(1)的端部连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，其特征在于：所述位移放大机构为半桥式放大机构(4)或二级桥式放大机构(4.2)。

8.根据权利要求7所述的一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，其特征在于：所述半桥式放大机构(4)包括条形块状的底座(4.13)、位于底座(4.13)两侧的杠杆臂(4.14)、位于两个杠杆臂(4.14)另一端之间的输出端(4.12)以及位于杠杆臂(4.14)内侧的输入端(4.11)，所述杠杆臂(4.14)的一端通过柔性铰链(4.16)与底座(4.13)连接，所述输出端(4.12)的两端分别通过柔性臂(4.15)与两个杠杆臂(4.14)的另一端连接，两个输入端(4.11)分别通过柔性铰链(4.16)与两侧杠杆臂(4.14)分别对应连接，且输入端(4.11)位于杠杆臂(4.14)的中部靠近底座(4.13)的一侧位置上。

9.根据权利要求7所述的一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，其特征在于：所述二级桥式放大机构(4.2)包括第一级放大机构(4.21)和位于第一级放大机构(4.21)外侧的第二级放大机构(4.22)，压电堆栈(5)固定连接于第一级放大机构(4.21)的位移输入端，第一级放大机构(4.21)的位移输出端与第二级放大机构(4.22)的位移输入端固定连接。

10.根据权利要求1或7或8或9所述的一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，其特征在于：所述压电堆栈(5)为叠层型压电陶瓷结构，且沿堆叠方向极化，压电堆栈(5)的两端分别与位移放大机构的输入端内壁固定胶粘。

技术总结
本发明公开了一种基于桥式放大机构的大流量气动压电阀，包括压电阀结构和压电驱动器，压电阀结构包括主阀体、锥形阀芯、固定支架、胀紧套、光轴和弹性回复板；弹性回复板和固定支架分别固定安装于主阀体的两侧端面上，光轴固定设置于固定支架内，光轴的外侧套设有胀紧套；锥形阀芯的一端连接压电驱动器，一端固定连接于弹性回复板的中心处；压电驱动器包括桥式位移放大机构和压电堆栈，位移放大机构的一端与锥形阀芯固定连接，另一端与光轴固定连接；压电驱动部分采用位移放大机构，弥补了压电堆栈输出位移较小的不足，半桥式放大机构减小了压电堆栈的惯性运动，可以有效增强动态响应效率，且阀芯的复位速度快、预紧力可调，适用性好。

技术研发人员：曾亿山,王帅宜,陈建,冯梓涵,金融
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14