一种基于压电陶瓷的新型灵巧液压泵

　　随着现代飞行器的不断发展,各种飞机特别是无人作战飞机的舵机逐渐向着小体积、高频响、大功率密度方向发展。基于智能材料,特别是压电陶瓷的固液一体化作动器近年来被研究作为舵机应用于各种飞行器上。而这种作动器的性能在很大程度上取决于集成在其中的液压微泵。

　　微泵近年来被看好能广泛应用于工程机械、起重运输、冶金、航空航天、船舶、医疗等领域,研究高性能的微泵具有很大的意义,国内外很多机构和组织都对各种微泵进行了系统的研究。基于压电陶瓷的微泵从本质上是通过压电材料驱动一个往复变化的容腔,在容腔上连接有两个,或是两组在容腔变化的周期内定时、定向开启的阀,从而实现将油液定向的泵出。国内外学者在微泵上作了大量的研究,并取得很多成果^[1-10],但目前要把它广泛应用于控制全电飞机的舵面的一体化作动器中的技术还不太成熟。基于固定的Tesla阀和锥形阀的微泵,虽然易实现,但单向阀能承受的逆压小导致泵供压太低,远不能满足控制作动器的压力要求;采用双压电晶体膜片泵油有体积小等优点,但是存在压缩行程小,压力小等缺点;利用压电陶瓷堆泵油,独立压电片控制每个阀的结构的微泵是目前能达到的最好性能指标,但它至少需要控制3个独立的压电陶瓷,增加了驱动电路的数量以及控制的复杂性;利用两组压电陶瓷堆实现的泵阀一体结构,结构巧妙,有换向方便等优点,但是其油路复杂,阀和活塞泄漏较大,加工工艺复杂,成本较高。以上的微泵均不能很好的满足能量密度高,输出压力高,流量大,成本相对较低的要求,基于对以上微泵的研究,本文作者提出一种新的压电陶瓷高频单向阀液压泵^[11]。

　　1 微泵的机械结构及工作原理

　　这种新型高频单向阀液压泵主要是利用压电陶瓷堆增大压缩行程,在压缩油液的同时带动安装在活塞上处于非惯性系的单向阀高频运动,利用惯性力的作用帮助有一定质量的阀芯移动,以提高单向阀的工作频率,从而实现液压泵的正常工作。如图1所示,压电陶瓷将电能转换为机械能,控制活塞的位置、速度和加速度,吸油单向阀和排油单向阀装在活塞上,随活塞一起振动,活塞振动时挤压金属隔膜造成容腔体积的变化,与两个单向阀配合工作实现泵的吸排油。而两个单向阀又分别通过波纹管与吸油接口和排油接口相连,实现油路的导通。吸油单向阀和排油单向阀各有两个,如图2所示对称排列,这种结构可以在正常工作时平衡阀芯对活塞的冲击力,当一个单向阀堵塞时,液压泵还可以继续泵油。隔膜活塞的行程为50μm,阀芯相对于活塞的最大行程被安装弹簧的顶块限制为5μm。