便携式纯水液压系统   0    0

[0001] 本发明属于液压驱动与控制技术领域，具体涉及一种便携式纯水液压系统。

[0002] 液压与气动系统具有高能量密度、低噪音、无冲击等优势，在国民经济和国防工业的各个行业已成功应用多年。传统的气压动力系统通常都是由尺寸较大的电动机和机械式气泵进行驱动的，并通过换向阀、减压阀及调速阀等多类型阀的联合作业实现输出力、速度及位置等的有效控制，故体积庞大、结构连接及控制比较复杂，应用上具有很大的局限性：无法用于航空航天、行走机器人等微小系统及远程控制系统；同时，由于现有气压动力系统采用种类繁多的气阀进行联合控制，难以实现驱动力、速度及位置的精确控制与调节，无法用于精密机械加工与装配、精密测量、精密光学驱动等要求驱动、定位及控制精度高的领域。因此人们相继提出了多种类型的微小型液压及气动系统，如中国专利201510843026.7、
201310132556.1、201410611173.7等，因现有液压或气动系统均由固定频率驱动的，实际工作中其驱动力及速度受工作负载影响较大，当具体工况下的驱动元件谐振频率与所设定的激励频率偏差较大时，气体输出量和压力都将大幅度下降，且根据设定驱动电压及频率计算所得的驱动力及速度精确度也较低。

[0003] 本发明提出一种便携式纯水液压系统，本发明的实施方案是：左右端盖经螺钉安装在壳体的左右两端并与缸腔及置于缸腔内的活塞共同形成左右缸腔，左端盖上安装有左进出口阀，右端盖上安装有右进出口阀；壳体上下两侧都经螺钉安装有盖板，盖板经密封圈将换能器压接在壳体的沉腔内，密封圈位于换能器上下两侧，换能器及密封圈与壳体形成内泵腔、与盖板形成外泵腔；盖板将密封环压接在壳体的连通腔内，密封环与壳体及盖板形成缓冲腔；缓冲腔与内泵腔之间、以及两个相邻的内泵腔之间经壳体的内通孔和内阀腔连通，最右侧的内泵腔与壳体的出孔连通；缓冲腔与外泵腔之间、以及两个相邻的外泵腔之间经盖板的外通孔和外阀腔连通，最右侧的外泵腔与盖板的进孔连通；内外阀腔内都设有阀片；出孔与内泵腔串联成内泵，进孔与外泵腔串联成外泵；壳体上方的内外泵经缓冲腔串联成上供液单元，壳体下方的内外泵经缓冲腔串联成下供液单元；上下供液单元经管路并联，上下供液单元的进口、左右出口阀及蓄能器经管路相互连接，上下供液单元的出口及左右进口阀经管路相关连接。

[0004] 换能器由两个驱动器及垫圈构成，驱动器由基板与压电片粘接而成，压电片靠近垫圈安装；至少一个换能器中的两个驱动器含有驱动单元和传感单元，即压电片表面电极被分割成两部分并分别与基板构成驱动单元和传感单元；驱动器及驱动单元的驱动电压为直流电压或交流电压；工作中，同一换能器中两个驱动器的变形方向相同且代表换能器的变形方向，同一个上下供液单元中左右相邻的的两个换能器的变形方向相反，上下供液单元中上下相对的两个供液单元中的换能器的变形方向相同；驱动电压为直流电压时，驱动器中驱动单元受驱动电压作用变形并使传感单元输出电压达到极值时驱动电压换向，驱动器实现自激驱动；传感单元的输出电压还用于表征活塞的运动速度和驱动力。

[0005] 本发明中，左进出口阀和右进出口阀均为常闭开关阀，工作中未提及开启时均处截止状态；便携式纯水液压系统的驱动过程如下：①驱动阶段：上下供液单元中的一个或两个同步工作状态下，左进口阀和右出口阀开启、左出口阀和右进口阀关闭时活塞向右运动，左进口阀和右出口阀关闭、左出口阀和右进口阀开启时活塞向左运动；②定位及保持阶段：活塞运动到预定位置后，左进出口阀和右进出口阀均关闭，上下供液单元均停止工作。

[0006] 本发明的便携式纯水液压系统根据所需的驱动能力确定上供液单元所含的换能器的数量N；驱动器由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成，工作介质为纯水，上下供液单元同步工作时活塞的速度v与驱动力F的关系为其中，ηq、ηp分别为阀片的速度和推力系数，R、H分别为内外泵腔的半径和高度，hp为压电片厚度，f为激励频率，U0为驱动电压，A、Ff分别为活塞的有效面积和摩擦力。

[0007] 特点及优势：供液单元与壳体集成，体积小、集成度高、无需额外的泵站，可作为独立的标准部件应用；通过步进的方法实现较大行程内的精密驱动与定位控制，可避免爬行现象；根据驱动器变形状态使直流驱动电压换向，实现换能器自激驱动，激励频率的负载等变化适应性强，驱动能力强、性能稳定；以水为工作介质，清洁环保。

[0018] 左端盖x和右端盖y经螺钉安装在壳体a的左右两端并与缸腔a6及置于缸腔a6内的活塞f共同形成左缸腔B1和右缸腔B2，左端盖x上安装有左进口阀v1和左出口阀v2，右端盖y上安装有右进口阀v3和右出口阀v4；壳体a的上下两侧都经螺钉安装有盖板b，盖板b经密封圈h将换能器D压接在壳体a的沉腔a2内，密封圈h位于换能器D的上下两侧，换能器D及密封圈h与壳体a形成内泵腔C1、与盖板b形成外泵腔C2；盖板b将密封环g压接在壳体a的连通腔a1内，密封环g与壳体a及盖板b形成缓冲腔C3；缓冲腔C3与内泵腔C1之间、以及两个相邻的内泵腔C1之间经壳体a的内通孔a3和内阀腔a4连通，最右侧的内泵腔C1与壳体a的出孔a5连通；缓冲腔C3与外泵腔C2之间、以及两个相邻的外泵腔C2之间经盖板b的外通孔b3和外阀腔b4连通，最右侧的外泵腔C2与盖板b的进孔b5连通；内阀腔a4和外阀腔b4内都设有阀片e；出孔a5与内泵腔C1串联成内泵q1，进孔b5与外泵腔C2串联成外泵q2；壳体a上方的内泵q1和外泵q2经缓冲腔C3串联成上供液单元I，壳体a下方的内泵q1和外泵q2经缓冲腔C3串联成下供液单元II；上供液单元I和下供液单元II经管路并联，上供液单元I和下供液单元II的进口b5、左出口阀v2、右出口阀v4及蓄能器Y经管路相互连接，上供液单元I和下供液单元II的出口a5、左进口阀v1及右进口阀v3经管路相关连接。

[0019] 换能器D由两个驱动器d及垫圈d0构成，驱动器d由基板d1与压电片d2粘接而成，压电片d2靠近垫圈d0安装；至少一个换能器D中的两个驱动器d含有驱动单元d21和传感单元d22，即压电片d2表面电极被分割成两部分并分别与基板d1构成驱动单元d21和传感单元d22；驱动器d及驱动单元d21的驱动电压为直流电压或交流电压；工作中，同一换能器D中两个驱动器d的变形方向相同且代表换能器D的变形方向，同一个上供液单元I和同一个下供液单元II中左右相邻的的两个换能器D的变形方向相反，上下相对的上供液单元I和下供液单元II中的两个换能器D的变形方向相同；驱动电压为直流电压时，驱动器d中驱动单元d21受驱动电压作用变形并使传感单元d22输出电压达到极值时驱动电压换向，驱动器d实现自激驱动；传感单元d22的输出电压还用于表征活塞f的运动速度和驱动力。

[0020] 本发明中，左进口阀v1、左出口阀v2、右进口阀v3和右出口阀v4均为常闭开关阀，工作中未提及开启时均处截止状态；便携式纯水液压系统的驱动过程如下：①驱动阶段：上供液单元I和下供液单元II中的一个或两个同步工作状态下，左进口阀v1和右出口阀v4开启、左出口阀v2和右进口阀v3关闭时活塞f向右运动，左进口阀v1和右出口阀v4关闭、左出口阀v2和右进口阀v3开启时活塞f向左运动；②定位及保持阶段：活塞f运动到预定位置后，左进口阀v1、左出口阀v2、右进口阀v3和右出口阀v4均关闭，上供液单元1和下供液单元II均停止工作。

[0021] 本发明的便携式纯水液压系统根据所需的驱动能力确定上供液单元I所含的换能器D的数量N；驱动器d由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成，工作介质为纯水，上供液单元I 和下供液单 元II同 步工 作时活塞 f的速 度v与驱 动力F的 关系 为其中，ηq、ηp分别为阀片e的速度和
推力系数，R、H分别为内泵腔C1及外泵腔C2的半径和高度，hp为压电片d2的厚度，f为激励频率，U0为驱动电压，A、Ff分别为活塞f的有效面积和摩擦力。

[0008] 图1是本发明一个较佳实施例中液压系统的系统构成原理图；

[0009] 图2是本发明一个较佳实施例中液压系统驱动过程原理图；

[0010] 图3是本发明一个较佳实施例中驱动电压的波形图；

[0011] 图4是本发明一个较佳实施例中传感电压的波形图；

[0012] 图5是壳体的结构示意图；

[0013] 图6是图5的俯视图；

[0014] 图7是本发明一个较佳实施例中盖板的结构示意图；

[0015] 图8是图7的仰视图；

[0016] 图9是本发明一个较佳实施例中换能器的结构示意图；

[0017] 图10是图9的A-A剖视图。