CN105864491B - 一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置，其包括驱动机构和液压放大机构等；驱动机构包括圆管形壳体、右、左端盖、第一级输出顶杆、超磁致伸缩棒、励磁线圈、永磁体等；液压放大机构包括方形油腔腔体、圆形大膜片、方形大膜片盖、圆形小膜片、圆形小膜片盖和油腔调节螺栓等；本发明可将超磁致伸缩棒输出的位移放大5~10倍，可以直接驱动电液伺服阀工作，实现整个电液伺服阀的小型化；采用基于大、小膜片的柔性活塞结构，避免了传统液压式放大机构油液泄露问题，油腔采用的锥形结构避免了放大机构工作中的“困油”、“缩流”现象所带来的压力损失。

Description

一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置
技术领域
本发明属于直接驱动式电液伺服阀微驱动技术领域，涉及一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置。
背景技术
电液伺服***具有单位功率质量小、力—质量比大、工作频带宽、鲁棒性好和抗过载能力强等优良特性，在现代航空工业、汽车工业等领域中得到了广泛地应用。电液伺服阀（Electro Hydraulic Servo Valve, EHSV）是电液伺服***中最重要的部件，它是沟通电子器件和液压器件的桥梁，对整个***的动态性能起着决定性的作用。目前常用的EHSV大多是喷嘴挡板阀，这种阀具有很高的性能，但其缺点是加工困难，造成价格昂贵；对油液清洁度要求很高，否则很容易造成先导级的堵塞故障；先导级的存在提高了***的阶次，增加了***的设计难度。目前，这种多级式EHSV正在被可靠性更高的直接驱动电液伺服阀所取代。
直接驱动式电液伺服阀（Direct Drive Valve, DDV）采用驱动机构直接驱动功率滑阀阀芯，通过阀芯位移传感器反馈阀芯位置，闭环控制阀芯开口，保证伺服阀频响和控制精度的同时改善了伺服阀的抗污染能力，使其可靠性大大提高。
超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material, GMM）是一种新型功能材料，在磁场激励下能够产生较大的应变，具有响应速度快，能量密度大，居里温度高等一系列优良的特性，在DDV驱动机构的研发中具有非常大的应用前景。但是，基于GMM的驱动机构在带动DDV工作时仍存在一些问题：一方面是温升问题，由于GMM棒的驱动电流较大发热现象比较严重，由GMM棒热膨胀导致的驱动机构输出位移精度大大下降，通常需要对其热变形进行抑制；另一方面是位移放大问题，由于GMM棒产生的轴向变形量不足以驱动阀芯工作，所以必须采用合适的微位移放大机构对GMM棒的输出位移进行放大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够放大微位移且具有自动热补偿功能的直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置，其包括驱动机构、液压放大机构和方形固定板；
所述驱动机构包括圆管形壳体、与所述圆管形壳体螺纹连接的右端盖及左端盖、第一级输出顶杆、超磁致伸缩棒、具有热补偿功能的线圈骨架、励磁线圈、圆管形永磁体和碟簧；
在所述左端盖的中心设有顶杆孔；所述顶杆孔的直径大于所述超磁致伸缩棒的直径；
所述线圈骨架为设有线圈槽和右挡板的圆筒形骨架；在所述右挡板右侧面中心设有与所述碟簧相适配的圆形凸台；所述超磁致伸缩棒位于所述线圈骨架的筒体内，并与其间隙配合；所述励磁线圈位于所述线圈槽内；
所述圆管形永磁***于圆管形壳体内，并分别与圆管形壳体、右端盖及左端盖间隙配合；所述线圈骨架位于圆管形永磁体内，并与其间隙配合；所述线圈骨架左端面与左端盖相接触；所述碟簧位于所述右挡板与右端盖之间；
在所述第一级输出顶杆的左端面上设有圆筒式顶杆头；所述第一级输出顶杆的右端穿过所述左端盖的顶杆孔与所述超磁致伸缩棒的左端面相接触；
所述液压放大机构包括方形油腔腔体、油腔、圆形大膜片、设有第一中心孔的方形大膜片盖、圆形小膜片、设有第二中心孔的圆形小膜片盖和油腔调节螺栓；
在所述圆形大膜片两侧面上对称设有第一圆环形凹槽，在所述第一圆环形凹槽外侧均布有安装孔；
所述第一中心孔的直径大于圆筒式顶杆头的外径；所述圆筒式顶杆头的左端面与所述第一圆环形凹槽相接触；
在所述圆形小膜片两侧面上对称设有第二圆环形凹槽；所述油腔的中部为“⊥”形，其左端为小膜片腔室，右端为大膜片腔室；所述小膜片腔室与大膜片腔室通过水平油路连通；在竖直油路的上口处设有内螺纹，并与所述油腔调节螺栓螺纹连接；
所述圆形小膜片位于小膜片腔室内，并通过小膜片盖由螺栓压紧；所述圆形大膜片位于大膜片腔室内，并通过方形大膜片盖由螺栓压紧；
在所述方形固定板的左侧面上设有与圆管形壳体相适配的盲孔，在所述盲孔的***设有第一螺杆孔；在所述方形油腔腔体及方形大膜片盖上分别设有与所述第一螺杆孔相对应的螺杆孔；
所述方形固定板通过螺杆将所述驱动机构和液压放大机构固定在一起；
所述水平油路的轴线为圆形大膜片和圆形小膜片的中心连线；水平油路的轴线在所述超磁致伸缩棒的轴线延长线上。
所述线圈骨架的材质为高强度结构材料25Cr2MoVA。
所述超磁致伸缩棒的最大截面半径不大于8mm。
所述第一圆环形凹槽的中心圆盘直径为第二圆环形凹槽的中心圆盘直径的1.7倍。
所述圆形大膜片和圆形小膜片的材质均为铍青铜。
所述第二圆环形凹槽的内圆直径小于第二中心孔的直径。
所述大膜片腔室为锥形结构。
在所述圆形大膜片与方形油腔腔体之间设有与第一圆环形凹槽外边缘相接触的密封胶圈；在所述圆形小膜片与方形油腔腔体之间设有与第二圆环形凹槽外边缘相接触的密封胶圈。
本发明的有益效果是：本发明采用了机械杠杆式和液压式两级放大，可将超磁致伸缩棒输出的位移放大5~10倍，可以直接驱动电液伺服阀工作；本发明采用带有热补偿功能的线圈骨架，抑制了线圈发热对超磁致伸缩棒输出精度的影响，从而实现了整个电液伺服阀的小型化，拓宽了电液伺服阀的工作频带，适合应用于高精度、速度快的电液伺服***之中；本发明采用基于大、小膜片的柔性活塞结构，避免了传统液压式放大机构油液泄露问题，也避免了传统液压式放大机构活塞与油腔摩擦的问题；本发明的密闭油腔采用锥形结构，避免了放大机构工作中的“困油”、“缩流”现象所带来的压力损失。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为驱动机构与液压放大机构连接示意图。
图3为图1的左视图。
图4为方形大膜片盖的主视图。
在图1-4中，
1、圆形小膜片盖，1-1、第二中心孔，2、方形油腔腔体，3、油腔调节螺栓，4、方形大膜片盖，4-1、第一中心孔，5、圆管形壳体，5-1、右端盖，5-2、左端盖，6、圆管形永磁体，7、线圈骨架，7-1、右挡板，7-2、圆形凸台，8、方形固定板， 9、螺杆，10、碟簧，11、励磁线圈，12、超磁致伸缩棒，13、第一级输出顶杆，13-1、圆筒式顶杆头， 14、圆形大膜片，14-1、第一圆环形凹槽， 15、圆形小膜片， 15-1、第二圆环形凹槽，16、油腔， 17、密封胶圈。
具体实施方式
由图1-4所示的实施例可知，它包括驱动机构、液压放大机构和方形固定板8；
驱动机构包括圆管形壳体5、与圆管形壳体5螺纹连接的右端盖5-1及左端盖5-2、第一级输出顶杆13、超磁致伸缩棒12、具有热补偿功能的线圈骨架7、励磁线圈11、圆管形永磁体6和碟簧10；
在左端盖5-2的中心设有顶杆孔；顶杆孔的直径大于超磁致伸缩棒12的直径；
线圈骨架7为设有线圈槽和右挡板7-1的圆筒形骨架；在右挡板7-1右侧面中心设有与碟簧10相适配的圆形凸台7-2；超磁致伸缩棒12位于线圈骨架7的筒体内，并与其间隙配合；励磁线圈11位于线圈槽内；励磁线圈11缠绕于线圈骨架7，置于圆管形壳体5内部实现周向固定；超磁致伸缩棒12置于线圈骨架7内部，一端与骨架后端面接触，另一端与位移传递机构接触。
圆管形永磁体6位于圆管形壳体5内，并与其间隙配合；线圈骨架7位于圆管形永磁体6内，并与其间隙配合；线圈骨架7左端面与左端盖5-2相接触；碟簧10位于右挡板7-1与右端盖5-1之间；
在第一级输出顶杆13的左端面上设有圆筒式顶杆头13-1；第一级输出顶杆13的右端穿过顶杆孔5-2-1与超磁致伸缩棒12的左端面相接触；
液压放大机构包括方形油腔腔体2、油腔16、圆形大膜片14、设有第一中心孔4-1的方形大膜片盖4、圆形小膜片15、设有第二中心孔1-1的圆形小膜片盖1和油腔调节螺栓3；
在圆形大膜片14两侧面上对称设有第一圆环形凹槽14-1，在第一圆环形凹槽14-1外侧均布有安装孔；
第一中心孔4-1的直径大于圆筒式顶杆头13-1的外径；圆筒式顶杆头13-1的左端面与第一圆环形凹槽14-1相接触；
在圆形小膜片15两侧面上对称设有第二圆环形凹槽15-1；第二圆环形凹槽15-1的内圆直径小于第二中心孔1-1的直径；
油腔16的中部为“⊥”形，其左端为小膜片腔室，右端为大膜片腔室；小膜片腔室与大膜片腔室通过水平油路连通；在竖直油路的上口处设有内螺纹，并与油腔调节螺栓3螺纹连接；
圆形小膜片15位于小膜片腔室内，并通过小膜片盖1由螺栓压紧；圆形大膜片14位于大膜片腔室内，并通过大膜片盖4由螺栓压紧；
在方形固定板8的左侧面上设有与圆管形壳体5的右端盖5-1相适配的盲孔，在盲孔的***设有第一螺杆孔；在方形油腔腔体2及大膜片盖4上分别设有与第一螺杆孔相对应的螺杆孔；
方形固定板8通过螺杆9将驱动机构和液压放大机构固定在一起；
水平油路的轴线为圆形大膜片14和圆形小膜片15的中心连线；水平油路的轴线在超磁致伸缩棒12的轴线延长线上。
线圈骨架7由高强度结构材料25Cr2MoVA构成。
超磁致伸缩棒12的最大截面半径不大于8mm。
第一圆环形凹槽14-1的中心圆盘直径为第二圆环形凹槽15-1的中心圆盘直径的1.7倍；根据帕斯卡原理，圆形小膜片15输出位移约为圆形大膜片14输出位移的3倍。
圆形大膜片14和圆形小膜片15的材质均为铍青铜（QBe2），加工方法为电化学腐蚀，圆形大膜片14和圆形小膜片15为柔性活塞结构，圆形大膜片14和圆形小膜片15的环形槽为柔性铰链结构。
在圆形大膜片14与油腔腔体2之间设有密封胶圈17；密封胶圈17与第一圆环形凹槽14-1外边缘相接触；在小膜片15与油腔腔体2之间设有密封胶圈17；密封胶圈17与第二圆环形凹槽15-1外边缘相接触。本发明采用基于大、小膜片的柔性活塞结构，避免了传统液压式放大机构油液泄露问题，也避免了传统液压式放大机构活塞与油腔摩擦的问题。
本发明提供一种用于驱动直接驱动式电液伺服阀工作的驱动及位移放大装置，其采用机械——液压联合放大的方式将超磁致伸缩棒输出的微位移放大五倍以上，进而可以直接带动阀芯产生位移。针对超磁致伸缩棒的热膨胀现象，本发明还设置了具有自动热补偿功能的线圈骨架7，线圈骨架7具有与超磁致伸缩材料相近的热膨胀系数，其底端与圆管形壳体5的右端盖5-1之间留有2-3mm的间隙，当线圈温度较高时，线圈骨架7、超磁致伸缩棒12同时向外壳底部延伸，且延伸量近似相等，实现了温度变化时对超磁致伸缩棒位移进行热补偿。线圈骨架7置于圆管形永磁体6内，超磁致伸缩棒12置于线圈骨架7内，两端分别顶住圆管形壳体5和碟簧10；第一级输出顶杆13顶住圆形大膜片14，油腔腔体2内部油液油压由油腔调节螺栓3进行调节，油腔调节螺栓3可以方便地调节油腔内的油液压力，进而调节大、小膜片的预变形。
第一级输出顶杆13的圆筒式输出顶杆头13-1与大膜片14的环形凹槽14-1配合，通过杠杆原理将超磁致伸缩棒输出位移进行放大，达到第一级位移放大效果。第一级输出顶杆13与大膜片环形槽外圈接触，当线圈通电产生磁场，超磁致伸缩棒12产生轴向变形，通过第一级输出顶杆13推动大膜片的第一圆环形凹槽14-1的中心圆盘产生轴向位移。对于圆形大膜片而言，由于推动力的作用点作用在第一圆环形凹槽14-1的中心圆盘位置，会产生位移放大的效果，这是第一级位移放大的原理。第一圆环形凹槽14-1的中心圆盘产生的轴向位移推动密闭油腔内的油液，推动圆形小膜片的第二圆环形凹槽15-1的中心圆盘产生位移，进而带动小膜片15产生位移，通过帕斯卡原理将位移进一步放大。在具有一定初始油压且密封良好的条件下，可认为圆形大膜片推动的油液体积与推动圆形小膜片的油液体积相等，故位移传递机构与位移输出顶杆的位移之比为圆形大、小膜片接触油液部分面积之比，这是第二级位移放大的原理。放大后的位移通过圆形小膜片15输出。
线圈骨架采用高强度将结构材料25Cr2MoVA，其热膨胀系数为11—13ppm/℃，与超磁致伸缩材料（11—12ppm/℃）相近，当线圈发出热量较大时，线圈骨架7同超磁致伸缩棒12产生的轴向热变形近似相等，热变形方向均为背离输出顶杆的方向，这是高温条件下对超磁致伸缩棒的热补偿原理。
在驱动磁场的作用下，超磁致伸缩棒12输出的位移被第一级输出顶杆13传递到第一圆环形凹槽14-1，根据杠杆原理，圆形大膜片14的输出位移约为超磁致伸缩棒12输出位移的2倍。
第一级输出顶杆13推动圆形大膜片14产生轴向位移，进而通过密闭的油腔16内油液推动圆形小膜片15产生位移。
在驱动机构中，超磁致伸缩棒在高频激励下会产生趋肤效应，所以在保证超磁致伸缩棒输出力的前提下要尽量减小超磁致伸缩棒的截面半径。计算超磁致伸缩棒最大截面半径Rmax的经验公式为：
；
其中为超磁致伸缩材料电导率，为超磁致伸缩材料相对磁导率。以国产超磁致伸缩材料为例，，。若最大激励频率不小于500Hz，超磁致伸缩棒12截面半径应不大于8mm。
密闭的油腔16内充满硅油，硅油具有耐高压、温粘系数低、对金属无腐蚀的特点。大膜片腔室为锥形过渡结构，避免了放大机构工作中的“困油”、“缩流”现象所带来的压力损失。
为了减小工作时圆形大、小膜片对油液的压缩，密闭腔内要保持一定的初始油压，同时液压放大机构的初始油压还可以为超磁致伸缩棒12提供预压力，使其磁-机转换效率和位移输出的线性程度得到进一步提高。根据国产超磁致伸缩棒的预压特性和对圆形大、小膜片进行强度校核的结果，最终确定。
本发明采用了机械杠杆式和液压式两级放大，可将超磁致伸缩棒输出的位移放大5~10倍，可以直接驱动电液伺服阀EHSV工作；采用带有热补偿功能的线圈骨架，抑制了线圈发热对超磁致伸缩棒输出精度的影响，从而实现了整个电液伺服阀EHSV的小型化，拓宽了电液伺服阀EHSV的工作频带，适合应用于高精度、速度快的电液伺服***之中。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施例的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置，所述装置包括驱动机构、液压放大机构和方形固定板（8）；其特征在于：
所述驱动机构包括圆管形壳体（5）、与所述圆管形壳体（5）螺纹连接的右端盖（5-1）及左端盖（5-2）、第一级输出顶杆（13）、超磁致伸缩棒（12）、具有热补偿功能的线圈骨架（7）、励磁线圈（11）、圆管形永磁体（6）和碟簧（10）；
在所述左端盖（5-2）的中心设有顶杆孔；所述顶杆孔的直径大于所述超磁致伸缩棒（12）的直径；
所述线圈骨架（7）为设有线圈槽和右挡板（7-1）的圆筒形骨架；在所述右挡板（7-1）右侧面中心设有与所述碟簧（10）相适配的圆形凸台（7-2）；所述超磁致伸缩棒（12）位于所述线圈骨架（7）的筒体内，并与其间隙配合；所述励磁线圈（11）位于所述线圈槽内；
所述圆管形永磁体（6）位于圆管形壳体（5）内，并分别与圆管形壳体（5）、右端盖（5-1）及左端盖（5-2）间隙配合；所述线圈骨架（7）位于圆管形永磁体（6）内，并与其间隙配合；所述线圈骨架（7）左端面与左端盖（5-2）相接触；所述碟簧（10）位于所述右挡板（7-1）与右端盖（5-1）之间；
在所述第一级输出顶杆（13）的左端面上设有圆筒式顶杆头（13-1）；所述第一级输出顶杆（13）的右端穿过所述左端盖（5-2）上的顶杆孔与所述超磁致伸缩棒（12）的左端面相接触；
所述液压放大机构包括方形油腔腔体（2）、油腔（16）、圆形大膜片（14）、设有第一中心孔（4-1）的方形大膜片盖（4）、圆形小膜片（15）、设有第二中心孔（1-1）的圆形小膜片盖（1）和油腔调节螺栓（3）；
在所述圆形大膜片（14）两侧面上对称设有第一圆环形凹槽（14-1），在所述第一圆环形凹槽（14-1）外侧均布有安装孔；
所述第一中心孔（4-1）的直径大于圆筒式顶杆头（13-1）的外径；所述圆筒式顶杆头（13-1）的左端面与所述第一圆环形凹槽（14-1）相接触；
在所述圆形小膜片（15）两侧面上对称设有第二圆环形凹槽（15-1）；所述油腔（16）的中部为⊥形，其左端为小膜片腔室，右端为大膜片腔室；所述小膜片腔室与大膜片腔室通过水平油路连通；在竖直油路的上口处设有内螺纹，并与所述油腔调节螺栓（3）螺纹连接；
所述圆形小膜片（15）位于小膜片腔室内，并通过小膜片盖（1）由螺栓压紧；所述圆形大膜片（14）位于大膜片腔室内，并通过方形大膜片盖（4）由螺栓压紧；
在所述方形固定板（8）的左侧面上设有与圆管形壳体（5）相适配的盲孔，在所述盲孔的***设有第一螺杆孔；在所述方形油腔腔体（2）及方形大膜片盖（4）上分别设有与所述第一螺杆孔相对应的螺杆孔；
所述方形固定板（8）通过螺杆（9）将所述驱动机构和液压放大机构固定在一起；
所述水平油路的轴线为圆形大膜片（14）和圆形小膜片（15）的中心连线；水平油路的轴线在所述超磁致伸缩棒（12）的轴线延长线上。
2.根据权利要求1所述的一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置，其特征在于：所述线圈骨架（7）的材质为高强度结构材料25Cr2MoVA。
3.根据权利要求1所述的一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置，其特征在于：所述超磁致伸缩棒（12）的最大截面半径不大于8mm。
4.根据权利要求1所述的一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置，其特征在于：所述第一圆环形凹槽（14-1）的中心圆盘直径为第二圆环形凹槽（15-1）的中心圆盘直径的1.7倍。
5.根据权利要求1所述的一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置，其特征在于：所述圆形大膜片（14）和圆形小膜片（15）的材质均为铍青铜。
6.根据权利要求1所述的一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置，其特征在于：所述第二圆环形凹槽（15-1）的内圆直径小于第二中心孔（1-1）的直径。
7.根据权利要求1所述的一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置，其特征在于：所述大膜片腔室为锥形结构。
8.根据权利要求1-7任何一项所述的一种直驱阀用超磁致伸缩驱动及位移放大装置，其特征在于：在所述圆形大膜片（14）与方形油腔腔体（2）之间设有与第一圆环形凹槽（14-1）外边缘相接触的密封胶圈（17）；在所述圆形小膜片（15）与方形油腔腔体（2）之间设有与第二圆环形凹槽（15-1）外边缘相接触的密封胶圈（17）。
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