一种压电堆叠式气动阀

本发明属于流体机械，具体涉及一种压电堆叠式气动阀。

背景技术：

1、气动比例阀是许多行业必不可少的元件，是一种极具竞争力和可替代性的产品。其广泛应用于航空航天、机器人、医疗器械等行业。近年来，大量的研究集中在改进阀结构，以使其具有更高的精度、可靠性和更低的成本。与传统的电磁阀相比，压电阀具有高分辨率的流量控制、比例控制、快速响应时间和近零功率运行等性能优势。然而，由于成本和技术的限制，压电阀在电磁阀市场的渗透率有限。为了克服这些限制，改进的压电阀应在增加流量的同时减小执行器的尺寸，以与电磁阀竞争。

2、常用的阀用制动器包括电磁、热力、静电和压电等，每种执行器类型都有不同的优缺点。一般来说，电磁阀的行程最长，而静电阀的行程最短。电磁阀利用线圈和铁质或磁性材料产生所需的力，将密封面从阀门的阀座上移开。由于电磁阀的尺寸，电磁阀不太适合微阀。热机械式阀门是通过加热材料使其膨胀来开启或关闭阀门，其响应时间长，功率消耗大，不适合精密应用。静电阀利用两个带电板之间的吸引力来产生阀门驱动力。具有响应时间快和低功耗的优点。其缺点是排量小，压力容量小。

3、压电致动器由于其高强度的特性而被广泛应用于微阀中的流量和比例控制，其响应时间短，运行功耗低，能在强磁场下工作。然而，由于执行机构尺寸设计的限制和压电材料的高成本，压电执行机构并没有广泛应用。压电阀中常用的压电执行器有两种：压电弯曲作动器和压电堆叠作动器。压电弯曲作动器采用悬臂式双层执行机构，其位移大、受力小、高压下比例性差。压电弯曲作动器适合应用于弹性密封、低压应用场合。压电堆叠作动器使用堆叠压电晶体执行器，该执行器位移小，适用于高压力，低流量场合。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决上述问题，提供一种有新型密封设计的阀门，通过设计和优化密封周长增加阀流量的压电堆叠式气动阀。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种压电堆叠式气动阀，包括阀体，阀体包括依次连接的阀顶、阀身、阀中心板和阀底，阀身上设有阀身通孔和阀身连接孔，阀顶和阀身之间安装有预紧弹簧，预紧弹簧位于阀身通孔内，阀身与阀中心板之间安装有连杆组件，连杆组件中安装有压电堆叠作动器，连杆组件位于阀身通孔内，阀中心板上设有阀中心板通孔和阀中心板连接孔，阀中心板与阀底之间安装有密封组件，密封组件位于阀中心板通孔内，连杆组件将压电堆叠作动器的位移传递给密封组件，压电堆叠作动器和密封组件都是通过预紧弹簧进行预加载。

3、优选地，所述密封组件包括固连为一体结构的密封板、密封弹簧和密封孔板，密封板包括密封板外圈、密封板连接条和密封板内板，密封板外圈通过密封板连接条与密封板内板相连，密封板内板为圆盘状结构，密封板内板上设有密封板内板通孔，密封弹簧的端部与密封板内板抵接，密封弹簧的另一端与密封孔板抵接。

4、优选地，所述连杆组件包括连杆底座和连接杆，连杆底座的数量为二且对称的分布在连杆的两端，连接杆的数量为三且互相平行，压电堆叠作动器位于三个连接杆之间。

5、优选地，所述阀顶和预紧弹簧之间安装有第一垫片，连杆组件的端部与阀中心板之间设有第二垫片，阀中心板通孔内设有阀中心板垫块，阀中心板和密封组件之间设有第三垫片，密封组件与阀底之间设有第四垫片。

6、优选地，所述预加载进行后，根据压电堆容量最大化密封弹簧力，优化密封，优化模型目标为压电阀的流量和压差，使其最大化；当进口压力和气体特性保持不变时，质量流量是密封周长的线性函数；因此，在给定最大密封外径和行程长度的情况下，为了使阀门的流量最大化，密封周长应为最大化。

7、优选地，所述密封周长的优化以使质量流量最大化，优化输入变量为：最大密封包络半径rmax，最小密封曲率半径r，密封宽度w，叶角θ；输出变量为：密封效率η，叶数n，最小密封包络rmin，最大半径角范围β；过程输入量包括：带深h，最大密封间隙δmax和密封投影面积与孔板投影面积比值aratio；

8、分叶密封的性能由分叶密封质量流量与最大圆形密封质量流量的比值η决定：当期望的质量流量大于最大圆形密封质量流量时，比值η应大于1；

9、

10、各参数计算公式如下：

11、

12、l1＝rmin+r+w；

13、l2＝rmax-r-w；

14、l3＝2r+w；

15、

16、

17、

18、s1＝rθ；

19、s2＝l5；

20、s3＝r(θ+α)；

21、s4＝β(rmax-w)；

22、

23、密封的总质量流量必须为通过(s2-s6)、s3、s4的质量流量小于通过s5的质量流量。s5计算公式如下：

24、

25、保证实际解的最终条件是瓣角θ必须小于最大值，否则叶片将彼此过于靠近，取θmax＝90°；即限定条件为：

26、θ<θmax。

27、优选地，所述密封周长的优化以使质量流量最大化，求解器采用直接搜索方法，迭代计算求解叶瓣数n、最小密封包络rmin、最大半径角范围β和比值η；

28、求解器的输入值如下:

29、γ＝1.4,r＝287j/kgk,t＝293k,r＝0.5mm,w＝0.5mm,rmax＝5.7mm，h＝130um，δmax＝24um，aratio＝1.4；

30、求解器的输出值如下：

31、η＝1.55，n＝7，β＝1.75rad，rmin＝2.38mm；

32、构成求解例1。

33、优选地，所述求解器的输入值如下:求解器的输入值如下:

34、γ＝1.4,r＝287j/kgk,t＝293k,r＝0.45mm,w＝0.45mm,rmax＝6.7mm，h＝130um，δmax＝20um，aratio＝1.3；

35、求解器的输出值如下：

36、η＝1.37，n＝10，β＝0.45rad，rmin＝3.02mm；

37、构成求解例2。

38、本发明的有益效果是：本发明所提供的一种压电堆叠式气动阀，执行器位移小，适用于高压力，低流量场合。在预加载后，可根据压电堆容量最大化密封弹簧力，进行优化密封，使的压电阀的流量和压差，最大化。当进口压力和气体特性保持不变时，质量流量是密封周长的线性函数。因此，在给定最大密封外径和行程长度的情况下，使得阀门的流量最大化。

技术特征：

1.一种压电堆叠式气动阀，其特征在于：包括阀体，阀体包括依次连接的阀顶(1)、阀身(4)、阀中心板(9)和阀底(14)，阀身(4)上设有阀身通孔(41)和阀身连接孔(42)，阀顶(1)和阀身(4)之间安装有预紧弹簧(3)，预紧弹簧(3)位于阀身通孔(41)内，阀身(4)与阀中心板(9)之间安装有连杆组件，连杆组件中安装有压电堆叠作动器(7)，连杆组件位于阀身通孔(41)内，阀中心板(9)上设有阀中心板通孔(91)和阀中心板连接孔(92)，阀中心板(9)与阀底(14)之间安装有密封组件(12)，密封组件(12)位于阀中心板通孔(91)内，连杆组件将压电堆叠作动器(7)的位移传递给密封组件(12)，压电堆叠作动器(7)和密封组件(12)都是通过预紧弹簧(3)进行预加载。

2.根据权利要求1所述的一种压电堆叠式气动阀，其特征在于：所述密封组件(12)包括固连为一体结构的密封板(121)、密封弹簧(122)和密封孔板(123)，密封板(121)包括密封板外圈(1211)、密封板连接条(1212)和密封板内板(1213)，密封板外圈(1211)通过密封板连接条(1212)与密封板内板(1213)相连，密封板内板(1213)为圆盘状结构，密封板内板(1213)上设有密封板内板通孔，密封弹簧(122)的端部与密封板内板(1213)抵接，密封弹簧(122)的另一端与密封孔板(123)抵接。

3.根据权利要求1所述的一种压电堆叠式气动阀，其特征在于：所述连杆组件包括连杆底座(5)和连接杆(6)，连杆底座(5)的数量为二且对称的分布在连杆(6)的两端，连接杆(6)的数量为三且互相平行，压电堆叠作动器(7)位于三个连接杆(6)之间。

4.根据权利要求1所述的一种压电堆叠式气动阀，其特征在于：所述阀顶(1)和预紧弹簧(3)之间安装有第一垫片(2)，连杆组件的端部与阀中心板(9)之间设有第二垫片(8)，阀中心板通孔(91)内设有阀中心板垫块(11)，阀中心板(9)和密封组件(12)之间设有第三垫片(10)，密封组件(12)与阀底(14)之间设有第四垫片(13)。

5.根据权利要求1所述的一种压电堆叠式气动阀，其特征在于：所述预加载进行后，根据压电堆容量最大化密封弹簧力，优化密封，优化模型目标为压电阀的流量和压差，使其最大化；当进口压力和气体特性保持不变时，质量流量是密封周长的线性函数；因此，在给定最大密封外径和行程长度的情况下，为了使阀门的流量最大化，密封周长应为最大化。

6.根据权利要求5所述的一种压电堆叠式气动阀，其特征在于：所述密封周长的优化以使质量流量最大化，优化输入变量为：最大密封包络半径rmax，最小密封曲率半径r，密封宽度w，叶角θ；输出变量为：密封效率η，叶数n，最小密封包络rmin，最大半径角范围β；过程输入量包括：带深h，最大密封间隙δmax和密封投影面积与孔板投影面积比值aratio；

7.根据权利要求6所述的一种压电堆叠式气动阀，其特征在于：所述密封周长的优化以使质量流量最大化，求解器采用直接搜索方法，迭代计算求解叶瓣数n、最小密封包络rmin、最大半径角范围β和比值η；

8.根据权利要求6所述的一种压电堆叠式气动阀，其特征在于：所述求解器的输入值如下:求解器的输入值如下:

技术总结本发明公开了一种压电堆叠式气动阀，包括阀体，阀体包括依次连接的阀顶、阀身、阀中心板和阀底，阀身上设有阀身通孔和阀身连接孔，阀顶和阀身之间安装有预紧弹簧，预紧弹簧位于阀身通孔内，阀身与阀中心板之间安装有连杆组件，连杆组件中安装有压电堆叠作动器，连杆组件位于阀身通孔内，阀中心板上设有阀中心板通孔和阀中心板连接孔，阀中心板与阀底之间安装有密封组件，密封组件位于阀中心板通孔内，连杆组件将压电堆叠作动器的位移传递给密封组件，压电堆叠作动器和密封组件都是通过预紧弹簧进行预加载。技术研发人员：王洪艳,陆金波,代小林,蒋丹受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23