專利名稱：基于磁控形狀記憶合金的數(shù)控液壓動力單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液壓裝置，尤其是一種能輸出高壓油的液壓動力單元，具體地說 是一種基于磁控形狀記憶合金的數(shù)控液壓動力單元。
背景技術(shù)：
眾所周知，液壓動力單元是液壓系統(tǒng)的“心臟”，是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵元部件。目 前液壓動力單元主要是由電動機(jī)(或內(nèi)燃機(jī))、聯(lián)軸器和液壓泵組成，電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為 機(jī)械能，再通過聯(lián)軸器傳遞到液壓泵，然后由液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能輸出。因此，傳 統(tǒng)液壓動力單元在不同程度上存在如下問題(1)體積和重量較大；(2)變量機(jī)構(gòu)響應(yīng)慢、 難于實(shí)現(xiàn)數(shù)控變量；(3)動密封效果較差；(4)噪聲大；(5)組成復(fù)雜、效率低、可靠性低。CN1168715A公開了一種運(yùn)用形狀記憶合金的液壓泵。該液壓泵通過改變形狀記憶 合金的溫度實(shí)現(xiàn)形狀記憶合金變形，從而推動活塞運(yùn)動實(shí)現(xiàn)活塞腔體的吸排油。但是，該方 法由于受溫度場驅(qū)動，其響應(yīng)頻率很低(IHz左右)，很難滿足工業(yè)化要求。公知磁控形狀記憶合金(Magnetic Shape Memory Alloy, MSMA)是一類新型的機(jī) 敏功能材料，不但具有傳統(tǒng)形狀記憶合金受溫度場控制的熱彈性形狀記憶效應(yīng)，而且具有 受磁場控制的磁性形狀記憶效應(yīng)(Magnet i c ShapeMemory Effect，MSME)。因此，兼有大恢 復(fù)應(yīng)變、大輸出應(yīng)力、高響應(yīng)頻率和可精確控制的綜合特性，使其可能在大功率水下聲吶、 微位移器、震動和噪聲控制、線性馬達(dá)、微波器件、機(jī)器人等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，有望成為壓電 陶瓷和磁致伸縮材料之后的新一代驅(qū)動與傳感材料。目前，已發(fā)現(xiàn)的磁控形狀記憶合金主 要包括Ni 系合金，Ni-Mn-Ga，Ni-Al-Mn, Ni-Co-Al 等；Co 系合金，Co_Mn，Co-Ni，Co-Ni-Ga 等；Fe 系合金，F(xiàn)e-Pd，F(xiàn)e-Mn-Si,Fe-Ni-Co-Ti，F(xiàn)e-Pt，F(xiàn)e-C，F(xiàn)e-Cr-Ni-Mn-Si-Co 等。其中， Ni-Mn-Ga合金是最早發(fā)現(xiàn)的MSMA，對它的研究也最為深入和最具代表性，并且已實(shí)現(xiàn)初步 應(yīng)用。傳統(tǒng)形狀記憶合金，如TiNi基，Cu基，F(xiàn)e基等，雖然具有較大的可逆恢復(fù)應(yīng)變和大 的恢復(fù)力，但由于受溫度場驅(qū)動，其響應(yīng)頻率很低(IHz左右)。與形狀記憶合金相比，壓電 陶瓷和磁致伸縮材料雖然具有很高的響應(yīng)頻率(1000Hz左右)，但所能達(dá)到的最大應(yīng)變也 只有0. 2%，限制了材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用。而MSMA則兼有大應(yīng)變和高響應(yīng)頻率，目前報 道MSMA的最大磁致應(yīng)變?yōu)?. 4%，最高響應(yīng)頻率可達(dá)5000Hz，在150Hz高頻交變磁場中仍 能獲得高達(dá)的大磁致應(yīng)變，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)形狀記憶合金響應(yīng)頻率慢、壓電及磁致伸縮材料 應(yīng)變小的不足，是一種較為理想的驅(qū)動材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是現(xiàn)有的液壓動力單元均采用電動機(jī)驅(qū)動存在體積大、響應(yīng)慢等一 系列問題，設(shè)計(jì)一種體積小、重量輕、數(shù)控變量、響應(yīng)快、密封好、噪聲低、效率高、可靠性高 的基于磁控形狀記憶合金的數(shù)控液壓動力單元。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種基于磁控形狀記憶合金的數(shù)控液壓動力單元，它主要由數(shù)字驅(qū)動控制器10 和與之電氣連接的液壓動力單元本體11組成，其特征是所述的液壓動力單元本體11包括 缸體3和與缸體3相連的后端蓋8和前端蓋9，缸體3至少設(shè)有兩個柱塞孔12，柱塞孔12 中安裝有柱塞6，密封圈7套裝在柱塞6上，柱塞孔12的一端同時與高壓出油口和低壓進(jìn)油 口相通，進(jìn)油單向閥4安裝在所述的低壓進(jìn)油口上，排油單向閥5安裝在所述的高壓出油口 上，柱塞6的一端與安裝在柱塞孔12中的復(fù)位彈簧13相抵，柱塞6的另一端與磁控形狀記 憶合金棒2的一端相連，磁控形狀記憶合金棒2的另一端與鉸軸14相連，鉸軸14鉸裝在前 端蓋9上，前端后9和后端蓋8均與缸體3相連，在柱塞孔12的周圍、磁控形狀記憶合金棒 2整個行程范圍內(nèi)覆蓋有磁場激勵裝置1，磁場激勵裝置1與數(shù)字驅(qū)動控制器10電氣連接。所述的缸體3設(shè)有一個與各低壓進(jìn)油口相通的低壓油腔15，該低壓油腔15通過油 管與油缸或液壓馬達(dá)的輸出端相連。所述的數(shù)字驅(qū)動控制器2包括一個控制芯片、與柱塞個數(shù)對應(yīng)的功率驅(qū)動管、光 耦隔離電路和穩(wěn)壓電路及輔助電路，每個功率驅(qū)動管對應(yīng)控制一個磁場激勵線圈電源的通 斷，控制芯片根據(jù)控制指令與反饋信號解算出液壓動力單元流量、壓力需求，控制各個功率 驅(qū)動管按照一定的頻率輪流導(dǎo)通使液壓動力單元輸出所需流量、壓力的液體；根據(jù)控制指 令與反饋信號控制高速換向閥4的方向切換；高速換向閥4、傳感器、磁場激勵線圈引線與 數(shù)字驅(qū)動控制器2之間通過電纜連接；控制芯片、傳感器、功率驅(qū)動管由直流電源或地面交 流變直流電源供電。所述的數(shù)字驅(qū)動控制器將系統(tǒng)的壓力、壓差、位移、速度、加速度信號引入閉環(huán)控 制，提高系統(tǒng)控制精度。所述的液壓動力單元本體11和數(shù)字驅(qū)動控制器10可以一體化設(shè)計(jì)，也可以分體 設(shè)計(jì)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明直接將電能轉(zhuǎn)化為液壓能，具有體積小、重量輕，數(shù)控變量、響應(yīng)快，摩擦副 少、密封性能好、噪聲低，效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明取消了傳統(tǒng)液壓動力單元的電動機(jī)(或內(nèi)燃機(jī))，而電動機(jī)(或內(nèi)燃機(jī))重 量占據(jù)整個液壓動力單元的絕大部分，本發(fā)明的液壓動力單元的體積重量大大減?。粋鹘y(tǒng) 液壓動力單元的液壓泵有外伸泵軸，且泵軸隨原動機(jī)軸一起高速旋轉(zhuǎn)，因此存在外部泄漏 途徑，本發(fā)明的液壓動力單元沒有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，動密封處數(shù)少，密封效果好；傳統(tǒng)液壓動力單 元的液壓泵的變量機(jī)構(gòu)較復(fù)雜、數(shù)控變量的動態(tài)特性較差難以滿足實(shí)際使用要求，本發(fā)明 的液壓動力單元采用數(shù)字控制調(diào)節(jié)功率驅(qū)動管的開關(guān)頻率控制輸出流量，響應(yīng)快；傳統(tǒng)液 壓動力單元原動機(jī)為旋轉(zhuǎn)機(jī)械、傳動系摩擦副較多且一般存在冷卻風(fēng)扇，使得整個動力單 元噪聲很大，本發(fā)明的液壓動力單元不存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動從原理上克服了噪聲大的缺點(diǎn)；傳統(tǒng) 液壓動力單元一般需要聯(lián)軸器、運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、泵架等輔助機(jī)構(gòu)及裝置，多處連接及配合降 低了能量轉(zhuǎn)化效率和可靠性、增加了動力單元的復(fù)雜性，本發(fā)明的液壓動力單元結(jié)構(gòu)簡單， 效率高、可靠性高。


圖1是本發(fā)明的原理圖。
圖2是本發(fā)明的液壓動力單元本體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的數(shù)字驅(qū)動控制器的電原理示意圖。圖中1為磁場激勵裝置2為磁控形狀記憶合金棒3為缸體4為進(jìn)油單向閥5為排 油單向閥6為柱塞7為聚酰亞胺密封圈8為后端蓋9為前端蓋10為數(shù)控驅(qū)動控制器11為 液壓動力單元本體12為柱塞孔13為復(fù)位彈簧14為鉸軸15為低壓油腔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖1、2、3所示。一種基于磁控形狀記憶合金的數(shù)控液壓動力單元，它主要由數(shù)字驅(qū)動控制器10 和與之電氣連接的液壓動力單元本體11組成，所述的液壓動力單元本體11包括缸體3、后 端蓋8和前端蓋9，缸體3設(shè)有一個與各低壓進(jìn)油口相通的低壓油腔15，該低壓油腔15通 過油管與油缸或液壓馬達(dá)的輸出端相連，每個缸體3上至少安裝設(shè)有二個以上柱塞孔12， 所述的柱塞6安裝在缸體3上的柱塞孔12中，密封圈7套裝在柱塞6上，柱塞孔12的一端 同時與高壓出油口和低壓進(jìn)油口相通，進(jìn)油單向閥4安裝在所述的低壓進(jìn)油口上，排油單 向閥5安裝在所述的高壓出油口上，柱塞6的一端與安裝在柱塞孔12中的復(fù)位彈簧13相 抵，柱塞6的另一端與磁控形狀記憶合金棒2的一端相連，磁控形狀記憶合金棒2的另一端 與鉸軸14相連，鉸軸14鉸裝在前端蓋9上，前端后9和后端蓋8均與缸體3相連，在柱塞 孔12的周圍、磁控形狀記憶合金棒2整個行程范圍內(nèi)覆蓋有磁場激勵裝置1，磁場激勵裝 置1與數(shù)字驅(qū)動控制器10電氣連接。液壓動力單元本體11和數(shù)字驅(qū)動控制器10可以一 體化設(shè)計(jì)，也可以分體設(shè)計(jì)。本發(fā)明的關(guān)鍵是用磁控形狀記憶合金棒的變形作為帶動柱塞在缸體內(nèi)運(yùn)動的動力源，從而改變?nèi)?腔體積實(shí)現(xiàn)吸排油過程，多個柱塞輪流吸排油形成一個液壓動力單元，一個基于控制芯片 控制的功率驅(qū)動控制器分別控制各磁控形狀記憶合金磁場發(fā)生器的電源的通斷頻率實(shí)現(xiàn) 液壓動力單元的數(shù)字控制。磁控形狀記憶合金棒與柱塞通過公知的方式連接并與前端蓋鉸 接，單向閥分別嵌在缸體內(nèi)各柱塞的吸液和排液回路上，磁場激勵線圈嵌入缸體內(nèi)并覆蓋 磁控形狀記憶合金棒在變形過程的整個行程，每個柱塞孔的吸油與排油回路上分別安裝一 個單向閥，蓋板與缸體采用螺紋連接，各處需要密封的地方采用公知的密封元件密封，磁場 激勵線圈的引線通過電纜與數(shù)字驅(qū)動控制器連接；數(shù)字驅(qū)動控制器由控制芯片、功率驅(qū)動管、光耦隔離電路、穩(wěn)壓電路及輔助電路組成?？刂菩酒鶕?jù)接受的指令調(diào)節(jié)連接各磁場激 勵線圈的功率驅(qū)動管的開關(guān)頻率從而控制各柱塞的運(yùn)動頻率，最終控制液壓動力單元的輸 出流量。通過各種傳感器感知執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力、壓差、位移、速度、加速度等狀態(tài)反饋給控制 器，易于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。動力單元本體和數(shù)字驅(qū)動控制器可以一體化設(shè)計(jì)，也可以分體設(shè)計(jì)如圖1所示，本發(fā)明的動力單元由液壓動力單元本體11和數(shù)字驅(qū)動控制器10組 成，數(shù)字驅(qū)動控制器10接收控制指令，解算出功率驅(qū)動管開關(guān)頻率，控制各功率驅(qū)動管按 照解算出來的頻率依次導(dǎo)通液壓動力單元的磁控形狀記憶合金的磁場激勵線圈電源，控制 液壓動力單元輸出系統(tǒng)所需流量壓力的液體，實(shí)現(xiàn)液壓傳動與控制功能。如圖2所示，液壓動力單元由多個磁控形狀記憶合金棒及柱塞、缸體、端蓋、單向閥、密封、磁場激勵線圈、鐵心等組成。磁控形狀記憶合金棒與柱塞通過公知的方式連接并 與前端蓋鉸接，單向閥分別嵌在缸體內(nèi)各柱塞的吸液和排液回路上，磁場激勵線圈嵌入缸 體內(nèi)并覆蓋磁控形狀記憶合金棒在變形過程的整個行程，磁場激勵線圈的引線通過電纜與 數(shù)字驅(qū)動控制器連接。如圖2所示，磁控形狀記憶合金棒使用材料為Ni-Mn-Ga合金棒2，即鎳錳鎵合金 棒制作的形狀記憶合金棒。Ni-Mn-Ga合金棒能量密度大，電-機(jī)耦合因數(shù)高，輸出力大，變 形位移大，其應(yīng)變超過10%。Ni-Mn-Ga合金變形位移響應(yīng)快，一般小于ms ；頻率響應(yīng)快，在 150Hz范圍內(nèi)有穩(wěn)定輸出。如圖2所示，磁場激勵裝置1由磁場激勵線圈和鐵心組成，磁場激勵線圈通電通過 鐵心給磁控記憶合金棒施加磁場，與缸體之間采用公知技術(shù)連接。柱塞與柱塞孔之間采用 聚酰亞胺材料密封圈7密封，端蓋8、9與缸體3之間采用0型圈密封，各柱塞與前端蓋通過 鉸接連在一起，端蓋與缸體通過螺釘連接，各單向閥與缸體通過螺紋連接。各磁場激勵線圈 引線集中在一起采用連接器與數(shù)字驅(qū)動控制器相連。如圖2所示，柱塞個數(shù)應(yīng)在二個以上，最好采用奇數(shù)個，一般為7個或9個。數(shù)字驅(qū)動控制器10如圖3所示，它包括一個控制芯片、與柱塞個數(shù)對應(yīng)的功率驅(qū) 動管、光耦隔離電路、穩(wěn)壓電路及其外圍的輔助電路，每個功率驅(qū)動管對應(yīng)控制一個磁場激 勵線圈電源的通斷，控制芯片根據(jù)控制指令與反饋信號解算出液壓動力單元流量、壓力需 求，控制各個功率驅(qū)動管按照一定的頻率輪流導(dǎo)通使液壓動力單元輸出所需流量、壓力的 液體；根據(jù)控制指令與反饋信號控制高速換向閥的方向切換。高速開關(guān)閥(控制高速換向 閥的前置控制裝置)、傳感器、磁場激勵線圈引線與數(shù)字驅(qū)動控制器之間通過電纜連接?？?制芯片、傳感器、功率驅(qū)動由直流電源或地面交流變直流電源供電。它由控制芯片、功率驅(qū) 動管、光耦隔離電路、穩(wěn)壓電路及輔助電路組成。數(shù)字驅(qū)動控制器的功率電源為直流電源， 可以為電池，也可以為地面交流變直流電源，控制芯片的控制電源采用直流電源。數(shù)字驅(qū)動 控制器將電壓穩(wěn)定在所需要的電壓后，控制芯片控制各功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷進(jìn)而控制各磁 記憶合金棒磁場的通斷?？刂菩酒c功率管之間采用光耦隔離。控制芯片的驅(qū)動采用直流 電源。根據(jù)實(shí)際使用需要，可將系統(tǒng)的壓力、位移、壓差、速度等信號引入控制器做閉環(huán)控 制，提高控制精度。本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種基于磁控形狀記憶合金的數(shù)控液壓動力單元，它主要由數(shù)字驅(qū)動控制器(10)和與之電氣連接的液壓動力單元本體(11)組成，其特征是所述的液壓動力單元本體(11)包括缸體(3)和與缸體(3)相連的后端蓋(8)和前端蓋(9)，缸體(3)至少設(shè)有兩個柱塞孔(12)，柱塞孔(12)中安裝有柱塞(6)，密封圈(7)套裝在柱塞(6)上，柱塞孔(12)的一端同時與高壓出油口和低壓進(jìn)油口相通，進(jìn)油單向閥(4)安裝在所述的低壓進(jìn)油口上，排油單向閥(5)安裝在所述的高壓出油口上，柱塞(6)的一端與安裝在柱塞孔(12)中的復(fù)位彈簧(13)相抵，柱塞(6)的另一端與磁控形狀記憶合金棒(2)的一端相連，磁控形狀記憶合金棒(2)的另一端與鉸軸(14)相連，鉸軸(14)鉸裝在前端蓋(9)上，在柱塞孔(12)的周圍、磁控形狀記憶合金棒(2)整個行程范圍內(nèi)覆蓋有磁場激勵裝置(1)，磁場激勵裝置(1)與數(shù)字驅(qū)動控制器(10)電氣連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁控形狀記憶合金的數(shù)控液壓動力單元，其特征是所述 的缸體(3)設(shè)有一個與各低壓進(jìn)油口相通的低壓油腔(15)，該低壓油腔(15)通過油管與油 缸或液壓馬達(dá)的輸出端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁控形狀記憶合金的數(shù)控液壓動力單元，其特征是所述 的數(shù)字驅(qū)動控制器(2)包括一個控制芯片、與柱塞個數(shù)對應(yīng)的功率驅(qū)動管、光耦隔離電路 和穩(wěn)壓電路及輔助電路，每個功率驅(qū)動管對應(yīng)控制一個磁場激勵線圈電源的通斷，控制芯 片根據(jù)控制指令與反饋信號解算出液壓動力單元流量、壓力需求，控制各個功率驅(qū)動管按 照一定的頻率輪流導(dǎo)通使液壓動力單元輸出所需流量、壓力的液體；根據(jù)控制指令與反饋 信號控制高速換向閥(4)的方向切換；高速換向閥(4)、傳感器、磁場激勵線圈引線與數(shù)字 驅(qū)動控制器(2)之間通過電纜連接；控制芯片、傳感器、功率驅(qū)動管由直流電源或地面交流 變直流電源供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于磁控形狀記憶合金的數(shù)控液壓動力單元，其特征是 所述的數(shù)字驅(qū)動控制器將系統(tǒng)的壓力、壓差、位移、速度、加速度信號引入閉環(huán)控制，提高系 統(tǒng)控制精度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的基于磁控形狀記憶合金的數(shù)控液壓動力單元，其特征 是所述的液壓動力單元本體(11)和數(shù)字驅(qū)動控制器(10)可以一體化設(shè)計(jì)，也可以分體設(shè) 計(jì)。
全文摘要
一種基于磁控形狀記憶合金的數(shù)控液壓動力單元，它主要由數(shù)字驅(qū)動控制器(10)和與之電氣連接的液壓動力單元本體(11)組成，其特征是所述的液壓動力單元本體(11)包括缸體(3)，缸體(3)至少設(shè)有兩個柱塞孔(12)，柱塞孔(12)中安裝有柱塞(6)，柱塞孔(12)的一端同時與高壓出油口和低壓進(jìn)油口相通，柱塞(6)的一端與復(fù)位彈簧(13)相抵，另一端與磁控形狀記憶合金棒(2)的一端相連，磁控形狀記憶合金棒(2)的另一端通過鉸軸(14)鉸裝在前端蓋(9)上，在柱塞孔(12)的周圍覆蓋有磁場激勵裝置(1)，磁場激勵裝置(1)與數(shù)字驅(qū)動控制器(10)電氣連接。本發(fā)明直接將電能轉(zhuǎn)化為液壓能，具有體積小、重量輕，數(shù)控變量、響應(yīng)快，摩擦副少、密封性能好、噪聲低，效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號F15B21/08GK101839268SQ20101018524
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者李侃 申請人:南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司