專利名稱：一種基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高速開關閥，更特別地說，是指一種帶有位移放大機構的巨磁致伸縮執行器驅動的高精度高頻響磁控開關閥。
背景技術：
高速數字開關閥是一種與計算機數字輸入/輸出可以直接接口的液壓元件，與以往以開口度(液阻)對系統進行調控的傳統液壓閥相比，這種液壓元件具有響應速度快、結構簡單、抗污染能力強等特點。高速閥實現流體噴射的電子控制均有賴于脈沖電磁控制閥， 而高速電磁閥作為系統電控單元與機液噴射裝置的直接接口，對流體噴射過程直接控制， 對噴射系統的各種基本性能起著決定性作用，這就要求閥的驅動裝置，即執行器，具有快速響應和大位移輸出等基本特性從而保證系統的控制精度和響應速度。目前執行器主要包括3種類型，即電磁式、壓電式和磁致伸縮式。電磁式執行器體積大、響應速度較慢、控制精度低、結構復雜已經無法滿足高速高精度電液控制系統的要求。而以PZT為典型代表的壓電陶瓷材料盡管頻響時間在毫秒(ms)級，并由電場直接驅動， 相對體積較小，但其應變率不高(約為4X10—4)，因而位移輸出較小，此外壓電材料的工作電壓高和壓電材料的去極化特性，使其應用受到限制。以稀土巨磁致伸縮材料Terfenol-D 為主要驅動元件的執行器具有磁致應變大、輸出力大、機電耦合系數高和響應迅速的特點， 適合應用在高速電液開關閥系統中。巨磁致伸縮材料作為一類新型高效的電(磁)能-機械(聲)能轉換材料，在航空航天、電子電力、信息通訊等智能結構領域具有巨大的應用潛力。在高速開關閥領域巨磁致伸縮材料的應用已成為研究的焦點，現有的巨磁致伸縮開關閥結構主要有以下幾種一是直動式磁致伸縮快速開關閥，用巨磁致伸縮材料直接作為閥芯或者驅動閥芯，這種結構的優點是傳動機構零件少響應速度快、可靠性高，但這種結構要求巨磁致伸縮材料有較大尺寸，因而不利用在對元器件的重量、體積的要求愈來愈嚴格的航空工業、汽車工業和現代制造業，或者使用驅動電流較大，導致發熱量增加使磁致伸縮材料性能下降，開關閥驅動效率低、功耗高；二是帶有彈性梁微位移放大結構的磁致伸縮開關閥，這種結構放大位移量有限，而且懸臂彈性梁作為放大機構對于輸出力的損耗較大；三是帶有多級軸銷杠桿機構放大磁致伸縮開關閥，這種開關閥的優點是放大倍率大、加工裝配簡單的特點，缺點是傳動機構復雜、零件數量多，不適合應用在較高頻率的工作條件下。

發明內容
本發明的目的是提供一種大位移、高精度的巨磁致伸縮高速數字開關閥，以解決現有和電液開關閥匹配的大位移高速執行器結構復雜、可靠性差、體積大、功耗高、驅動效率低、控制精度差的問題。本發明的一種基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥，該開關閥包括有巨磁致伸縮棒 (1)、線圈骨架(2)、激勵線圈(3)、外套筒(4)、底盤(5)、預緊力螺栓(5A)、頂桿(6)、預壓碟簧(7)、復位碟簧(19)、限位盤(8)、壓板(9)、閥座(10)、閥殼(11)、行程放大體(12)、閥芯 (13)、A 球軸(14A)、B 球軸(14B)、閥體(18)；線圈骨架( 上設有上支撐盤以K)、下支撐盤QB)、支撐柱QC)；所述下支撐盤 (2B)上設有走線槽(2E)，該走線槽QE)用于激勵線圈(3)的導線通過；線圈骨架O)的中心設有E通孔(2D)，該E通孔QD)用于放置巨磁致伸縮棒1 ；上支撐盤以K)與下支撐盤 (2B)之間的支撐柱QC)上纏繞有漆包線，該纏繞后的漆包線形成激勵線圈(3)；外套筒4的上端設有螺紋凸臺(4B)，外套筒的下端設有下圓盤(4C)，下圓盤 (4C)上設有G通孔(4D)，外套筒(4)的中心設有F通孔(4A)；底盤(5)上設有圓臺(53)和H通孔(M)，底盤(5)的中心設有E螺紋孔(51)；所述圓臺(53)上設有走線孔(52)；圓臺(53)置于外套筒(4)下端的F通孔(4A)內；走線孔 (52)用于外部導線通過；E螺紋孔(51)用于螺紋連接預緊力螺栓(5A)；頂桿(6)的上端設有上導柱(6A)，頂桿(6)的下端設有下導柱(6C)，上導柱(6A) 與下導柱(6C)之間是限位圓臺(6B)；上導柱(6A)上套接有預壓碟簧(7)；下導柱(6C)安裝在限位盤⑶的I通孔(8A)內；閥座(10)的上端設有A側板(101)、B側板(102)、C側板(103)、D側板(104)，A 側板(101)與C側板(103)對稱設置，B側板(102)與D側板(104)對稱設置；閥座(10) 的中心設有矩形通孔(105)；閥座(10)的底部設有螺紋腔(106)，該螺紋腔(106)內螺紋連接有外套筒的螺紋凸臺GB) ；A側板(101)上設有A通孔(IOA) ；B側板(102)上設有 B通孔(IOB) ；C側板(103)上設有C通孔(IOC) ；D側板(104)上設有D通孔(IOD)；閥殼(11)的A側板(111)上設有K通孔(IlA)；閥殼(11)的B側板(112)上設有 L通孔(IlB)；閥殼(11)的C側板(113)上設有M通孔(IlC)；閥殼(11)的D側板(114) 上設有N通孔(IlD)；閥殼(11)的中心設有中心通孔(IlE)；行程放大體(1 的左端設有A連接臂(12A)；行程放大體(1 的右端設有C連接臂(12C)；行程放大體(12)的上端設有A連桿(12J)、C連桿(12L) ；A連桿(12J)與C 連桿(12L)之間存在有間隙(12D)；行程放大體(1 的下端設有行程支撐(12E)；行程支撐(12E)為Y形結構，行程支撐(12E)的A支撐臂(121)與B支撐臂(122)之間是梯形槽 (123)，行程支撐(12E)的下端為行程圓柱(124)；行程放大體(12)的中間設有B連接臂 (12B)、B連桿(II)、D連桿(12M) ；A連接臂(12A)與A連桿(12J)之間采用A柔性鉸鏈 (120)連接；A連桿(12J)與B連桿(12K)之間采用B柔性鉸鏈(12P)連接；B連桿(12K) 與B連接臂(12B)之間采用C柔性鉸鏈(12Q)連接。B連桿(12K)與行程支撐(12E)的A 支撐臂(121)之間采用D柔性鉸鏈(12R)連接。C連接臂(12C)與C連桿(12L)之間采用 E柔性鉸鏈(12S)連接。C連桿(12L)與D連桿(12M)之間采用F柔性鉸鏈(12T)連接。D 連桿(12M)與B連接臂(12B)之間采用G柔性鉸鏈(12U)連接。D連桿(12M)與行程支撐 (12E)的B支撐臂(122)之間采用H柔性鉸鏈(12V)連接。A連接臂(12A)的一側板面上設有A螺紋孔(121) ；C連接臂(12C)的一側板面上設有C螺紋孔(123) ；B連接臂(12B)的一端板面上設有B螺紋孔(122) ；B連接臂(12B)的另一端板面上設有D螺紋孔(124)；A螺紋孔(121)、K通孔(IlA)和A通孔(IOA)裝配時保持同軸，采用A螺釘順次穿過A通孔(IOA)、K通孔(IlA)后螺紋連接在A螺紋孔(121)上；
B螺紋孔(122)、L通孔(IlB)和B通孔(IOB)裝配時保持同軸，采用B螺釘順次穿過B通孔(IOB)、L通孔(IlB)后螺紋連接在B螺紋孔(122)上；C螺紋孔(123)、M通孔(IlC)和C通孔(IOC)裝配時保持同軸，采用C螺釘順次穿過C通孔(IOC)、M通孔(IlC)后螺紋連接在C螺紋孔(123)上；D螺紋孔(1 )、N通孔(IlD)和D通孔(IOD)裝配時保持同軸，采用D螺釘順次穿過D通孔(IOD)、N通孔(IlD)后螺紋連接在D螺紋孔(124)上；A連接臂(12A)的另一側板面通過A柔性鉸鏈(120)與A連桿(12J)連接；A連桿 (12J)的另一端上設有A沉頭圓孔(12G)，所述A沉頭圓孔(12G)用于放置A球軸(14A)。C連接臂(12C)的一側板面上設有C螺紋孔(123)，該C螺紋孔(123)與螺釘的配合實現行程放大體(12)的C連接臂(12C)與閥殼(11)、閥座(10)的C立板(IOC)固定安裝；C連接臂(12C)的另一側板面通過E柔性鉸鏈(12S)與C連桿(12L)連接；C連桿(12L) 的另一端上設有B沉頭圓孔(12H)，所述B沉頭圓孔(12H)用于放置B球軸(14B)。B連接臂(12B)的一端設有B螺紋孔(122)，該B螺紋孔(122)與螺釘的配合實現行程放大體(12)的B連接臂(12B)與閥殼(11)、閥座(10)的B立板(IOB)固定安裝；B連接臂(12B)的另一端設有D螺紋孔(IM)，該D螺紋孔(124)與螺釘的配合實現行程放大體 (12)的B連接臂(12B)與閥殼(11)、閥座(10)的D立板(IOD)固定安裝；行程支撐(12E)下端部為行程圓柱(12F)；該行程圓柱(12F)置于壓板(9)的J通孔(9A)內；閥芯(13)的一端設有沉頭孔(13A)，該沉頭孔(13A)用于與閥體(18)的止液圓臺(18D)配合，實現止液體的流入或流出。閥芯(13)的另一端設有導軌槽(1 )，該導軌槽 (13B)用于A連桿(12J)、C連桿(12L)、A球軸(14A)和B球軸(14B)在其內運動。閥體(18)的一側板上設有液體入口(18A)，閥體(18)的蓋板上設有液體出口 (18B)，在液體出口(18B)處設有止液圓臺(18D)，該止液圓臺(18D)與閥芯(13)的沉頭孔 (13A)配合，實現阻止液體的流入或流出。本發明基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥的優點在于①在本發明中，行程放大體采用二級放大進行輸出位移放大，能保證較大放大倍率(10倍左右)；同時采用帶柔性鉸鏈的一體化結構，能減少傳動部件數量、機械間隙和機械摩擦，從而使結構更加緊湊，提高磁機轉換效率減少機械滯后。②使用的激勵線圈由多股漆包線同時并行繞制，既可以有效減少電路滯后提高響應速度，還可以將其中一股通一定強度的直流信號去除巨磁致伸縮材料低場磁致伸縮性能的非線性段。③采用巨磁致伸縮棒1、線圈骨架2和激勵線圈3形成驅動單元；在加載電流信號下通過巨磁致伸縮棒1的磁致伸縮效應實現開關閥的高速開啟與關閉，有效地提高了流量的控制精度。④采用預壓碟簧7、復位碟簧19、頂桿6、限位盤8、壓板9、閥殼11、行程放大體12、 閥芯13、A球軸14A和B球軸14B形成傳動單元。利用行程放大體12的柔性鉸鏈與預壓碟簧7、復位碟簧19的配合，減少了機械摩擦和間隙，提高了流量的控制精度和響應速度。⑤采用外套筒4、底盤5、預緊力螺栓5A、頂桿6、限位盤8、激勵線圈3和巨磁致伸縮棒1形成閉合磁回路，該閉合磁回路可有效提高驅動單元的磁機轉換效率。


圖1是本發明基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥的外部結構圖。圖IA是本發明基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥的分解圖。圖IB是本發明基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥的剖面圖。圖2是本發明行程放大體的正視圖。圖2A是本發明行程放大體的俯視圖。圖2B是本發明行程放大體另一視角的結構圖。圖2C是本發明行程放大體為開啟狀態時的示意圖。圖2D是本發明行程放大體為關閉狀態時的示意圖。圖3是本發明閥座的結構圖。圖4是本發明閥殼的結構圖。圖5是本發明閥體的結構圖。圖6是本發明閥芯的結構圖。1.巨磁致伸縮棒 2.線圈骨架2A.上支撐盤2B.下支撐盤2C.支撐柱2D. E通孔2E.走線槽3.激勵線圈4.外套筒4Α. F通孔4B.螺紋凸臺4C.下圓盤
4D. G通孔5.底盤5Α.預緊力螺栓51. E螺紋孔
52.走線孔53.圓臺H通孔6.頂桿6Α.上導柱
6B.限位圓臺6C.下導柱7.預壓碟簧8.限位盤8Α. I通孔
9.壓板9Α. J通孔10.閥座101. A側板102. B側板
103. C側板104. D側板105.矩形通孔106.螺紋腔1 OA. A通孔
10B. B通孔10C. C通孔10D. D通孔11.閥殼111. A側板
112. B側板113. C側板U4.D側板11A.K通孔1 IB. L通孔
11C.M通孔11D. N通孔11Ε.中心通孔 12.行程放大體
12Α·Α連接臂12Β·Β連接臂12GC連接臂12D.間隙12E.擺支撐
12G.A沉頭圓孔12RB沉頭圓孔m.A支撐臂
122. B支撐臂123.梯形槽124.行程圓柱m.A螺紋孔122. B螺紋孔
123. C螺紋孔124. D螺紋孔12J.A連桿12(. B連桿12L.C連桿
12Μ. D連桿120. A柔性鉸鏈12P. B柔性鉸鏈
12Q.C柔性鉸鏈12RD柔性鉸鏈1 . E柔性鉸鏈
12T.F柔性鉸鏈m. G柔性鉸鏈12V.H柔性鉸鏈
13.閥芯13Α.密封圈131.沉頭孔132.導軌牛曹 14A.A球軸
14Β. B球軸18.閥體18A.入口18Β.出口18C.空腔
18D.止液圓臺19.復位碟簧
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。參見圖1、圖1A、圖IB所示，本發明的一種基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥，該開關閥包括有巨磁致伸縮棒1、線圈骨架2、激勵線圈3、外套筒4、底盤5、預緊力螺栓5A、頂桿6、預壓碟簧7、復位碟簧19、限位盤8、壓板9、閥座10、閥殼11、行程放大體12、閥芯13、 A球軸14A、B球軸14B、閥體18 ；其中，巨磁致伸縮棒1、線圈骨架2和激勵線圈3形成驅動單元；預壓碟簧7、復位碟簧19、頂桿6、限位盤8、壓板9、閥殼11、行程放大體12、閥芯13、A 球軸14A和B球軸14B形成傳動單元。外套筒4、底盤5、預緊力螺栓5A、頂桿6、限位盤8、 激勵線圈3和巨磁致伸縮棒1形成閉合磁回路，該閉合磁回路可有效提高驅動單元的磁機轉換效率，能有效利用磁能和避免漏磁。在本發明中，預壓碟簧7至少采用四片碟簧，這四片碟簧采用兩兩疊合后再對合的方式裝配。預壓碟簧7與預緊力螺栓5A共同調節巨磁致伸縮棒1的預壓力。在本發明中，復位碟簧19至少采用兩片碟簧。在激勵線圈3斷開電流的情況下， 巨磁致伸縮棒1縮短，則復位碟簧19使閥芯13復位，使本發明設計的開關閥開啟。(一 )巨磁致伸縮棒1參見圖IA所示，巨磁致伸縮棒1采用鋱鏑鐵材料加工。該巨磁致伸縮棒1為實心圓柱結構。巨磁致伸縮棒1的半徑記為r，巨磁致伸縮棒1的長度記為1，截面面積記為S (S =nr2)。當巨磁致伸縮棒1的截面面積S大時則其輸出力大，反之，截面面積S小時則其輸出力小。當巨磁致伸縮棒1的長度1大時，則其輸出行程大，反之，長度1小時則其輸出行程小。在本發明中，鋱鏑鐵材料的化學式為TbxDyi_x (Fei_yTy) z，其中X = 0. 01 0. 43、y = 0. 00 0. 30、ζ = 1. 50 2. 00，T為Cr、V、Co、Ni四種元素中的一種或兩種以上的組合。 具體可以是 Tb。.4Dy。.6(!^ea75Vaci5Cra。5Ni。.。5Co。. 1(I)L9 的材料、Tb0 36Dy0 64 (FeO. 80Co0.20)L9 的材料。在本發明中，巨磁致伸縮棒1的使用溫度范圍為-80°C 150°C。(二)線圈骨架2、參見圖IA所示，線圈骨架2上設有上支撐盤2A、下支撐盤2B、支撐柱2C ；所述下支撐盤2B上設有走線槽2E，該走線槽2E用于激勵線圈3的導線通過；線圈骨架2的中心設有E通孔2D，該E通孔2D用于放置巨磁致伸縮棒1 ；上支撐盤2A與下支撐盤2B之間的支撐柱2C上纏繞有漆包線，該纏繞后的漆包線形成激勵線圈3。上支撐盤2A與下支撐盤2B 用于阻擋漆包線在纏繞過程中溢出。(三)激勵線圈3參見圖IA所示，將漆包線纏繞在線圈骨架2上形成激勵線圈3。當在激勵線圈3中通入電流，激勵線圈3產生激勵磁場，該激勵磁場導致巨磁致伸縮棒1產生磁致伸縮效應，從而驅動傳動單元實現本發明設計的開關閥的開與關。激勵線圈3由多股漆包線并行纏繞在線圈骨架2上，可并聯后通同樣的電流信號， 也可以部分通一定直流信號去除巨磁致伸縮材料低場磁致伸縮性能的非線性段。在本發明中，激勵線圈3可以采用PWM(脈寬調制)方式進行電流信號加載。(四)外套筒4參見圖1、圖IA所示，外套筒4的上端設有螺紋凸臺4B，外套筒4的下端設有下圓盤4C，下圓盤4C上設有G通孔4D，外套筒4的中心設有F通孔4A ；所述螺紋凸臺4B連接在閥座10下端的螺紋腔106內，實現外套筒4上端與閥座10下端的連接。所述下圓盤4C安裝在底盤5上，且通過螺釘穿過H通孔M、G通孔4D后實現下圓盤4C與底盤5的固定連接。所述F通孔4A用于放置驅動單元。外套筒4采用高磁導率的材料加工，如電工純鐵、坡莫合金。(五)底盤5參見圖1、圖IA所示，底盤5上設有圓臺53和H通孔M，底盤5的中心設有E螺紋孔51 ；所述圓臺53上設有走線孔52 ；圓臺53置于外套筒4下端的F通孔4A內；走線孔 52用于外部導線通過；E螺紋孔51用于螺紋連接預緊力螺栓5A。預緊力螺栓5A的一端與巨磁致伸縮棒1的下端接觸，通過調節預緊力螺栓5A在 A螺紋孔51中的深度，實現對巨磁致伸縮棒1的施加預緊力的大小調節。底盤5采用高磁導率的材料加工，如電工純鐵、坡莫合金。(六)頂桿6參見圖IA所示，頂桿6的上端設有上導柱6A，頂桿6的下端設有下導柱6C，上導柱6A與下導柱6C之間是限位圓臺6B ；上導柱6A上套接有預壓碟簧7。下導柱6C安裝在限位盤8的I通孔8A內。頂桿6的上端與行程放大體12的下端接觸，頂桿6的下端與巨磁致伸縮棒1的上端接觸。頂桿6采用高磁導率的材料加工，如電工純鐵、坡莫合金。(七)限位盤8參見圖IA所示，限位盤8為圓盤結構，限位盤8的中心設有I通孔8A，該I通孔 8A用于頂桿6的下導柱6C穿過。限位盤8采用高磁導率的材料加工，如電工純鐵、坡莫合金。(八)壓板9參見圖IA所示，壓板9為圓盤結構，壓板9的中心設有J通孔9A，該J通孔9A用于頂桿6的上導柱6A穿過。(九)閥座10參見圖1、圖1A、圖3所示，閥座10的上端設有A側板101、B側板102、C側板103、 D側板104，A側板101與C側板103對稱設置，B側板102與D側板104對稱設置；閥座10 的中心設有矩形通孔105 ；閥座10的底部設有螺紋腔106，該螺紋腔106內螺紋連接有外套筒4的螺紋凸臺4B;A側板101上設有A通孔IOA ；B側板102上設有B通孔IOB ；C側板103上設有C通孑L IOC ；D側板104上設有D通孔IOD。在本發明中，閥座10用于支撐起本發明開關閥的傳動單元。(十)閥殼11參見圖1、圖1A、圖4所示，閥殼11為矩形腔結構。閥殼11的A側板111上設有K通孔1IA ；閥殼11的B側板112上設有L通孔IlB ；閥殼11的C側板113上設有M通孔IlC ；
閥殼11的D側板114上設有N通孔IlD ；閥殼11的中心設有中心通孔11E，該中心通孔IlE用于閥芯13穿過。為了起到密封的作用，在中心通孔IlE與閥芯13之間設有密封圈13A。(十一)行程放大體12參見圖1A、圖2、圖2A、圖2B所示，行程放大體12為一體成型加工件。行程放大體12的左端設有A連接臂12A ；行程放大體12的右端設有C連接臂12C ；行程放大體12的上端設有A連桿12J、C連桿12L ；A連桿12J與C連桿12L之間存在有間隙12D ；行程放大體12的下端設有行程支撐12E ；行程支撐12E為Y形結構，行程支撐12E 的A支撐臂121與B支撐臂122之間是梯形槽123，行程支撐12E的下端為行程圓柱124 ；行程放大體12的中間設有B連接臂12B、B連桿12K、D連桿12M。A連接臂12A與A連桿12J之間采用A柔性鉸鏈120連接。A連桿12J與B連桿12K之間采用B柔性鉸鏈12P連接。B連桿12K與B連接臂12B之間采用C柔性鉸鏈12Q連接。B連桿12K與行程支撐12E的A支撐臂121之間采用D柔性鉸鏈12R連接。C連接臂12C與C連桿12L之間采用E柔性鉸鏈12S連接。C連桿12L與D連桿12M之間采用F柔性鉸鏈12T連接。D連桿12M與B連接臂12B之間采用G柔性鉸鏈12U連接。D連桿12M與行程支撐12E的B支撐臂122之間采用H柔性鉸鏈12V連接。A連接臂12A的一側板面上設有A螺紋孔121 ；C連接臂12C的一側板面上設有C螺紋孔123 ；B連接臂12B的一端板面上設有B螺紋孔122 ；B連接臂12B的另一端板面上設有D螺紋孔124 ；閥殼11的A側板111上設有K通孔1IA ；閥殼11的B側板112上設有L通孔1IB ；閥殼11的C側板113上設有M通孔1IC ；閥殼11的D側板114上設有N通孔1ID ；閥座10的A側板101上設有A通孔IOA ；閥座10的B側板102上設有B通孔IOB ；閥座10的C側板103上設有C通孔IOC ；閥座10的D側板104上設有D通孔IOD ；A螺紋孔121、K通孔IlA和A通孔IOA裝配時保持同軸，采用A螺釘(圖中未示出)順次穿過A通孔10A、K通孔IlA后螺紋連接在A螺紋孔121上；B螺紋孔122、L通孔IlB和B通孔IOB裝配時保持同軸，采用B螺釘(圖中未示出)順次穿過B通孔10B、L通孔IlB后螺紋連接在B螺紋孔122上；C螺紋孔123、M通孔IlC和C通孔IOC裝配時保持同軸，采用C螺釘(圖中未示出)順次穿過C通孔10C、M通孔1IC后螺紋連接在C螺紋孔123上；D螺紋孔124、N通孔IlD和D通孔IOD裝配時保持同軸，采用D螺釘(圖中未示出)順次穿過D通孔10D、N通孔IlD后螺紋連接在D螺紋孔IM上；實現了行程放大體12、閥殼11、閥座10三者之間的安裝。 A連接臂12A的另一側板面通過A柔性鉸鏈120與A連桿12J連接；A連桿12J的另一端上設有A沉頭圓孔12G，所述A沉頭圓孔12G用于放置A球軸14A。C連接臂12C的一側板面上設有C螺紋孔123，該C螺紋孔123與螺釘的配合實現行程放大體12的C連接臂12C與閥殼11、閥座10的C立板IOC固定安裝；C連接臂12C的另一側板面通過E柔性鉸鏈12S與C連桿12L連接；C連桿12L的另一端上設有B沉頭圓孔12H，所述B沉頭圓孔12H用于放置B球軸14B。B連接臂12B的一端設有B螺紋孔122，該B螺紋孔122與螺釘的配合實現行程放大體12的B連接臂12B與閥殼11、閥座10的B立板IOB固定安裝；B連接臂12B的另一端設有D螺紋孔124，該D螺紋孔124與螺釘的配合實現行程放大體12的B連接臂12B與閥殼11、閥座10的D立板IOD固定安裝；行程支撐12E下端部為行程圓柱12F ；該行程圓柱12F置于壓板9的J通孔9A內；參見圖2C、圖2D所示，在本發明中，行程放大體12為一體化設計。行程放大體12 上采用柔性鉸鏈連接，這種柔性鉸鏈能夠起到軸和傳遞力的雙重作用，可以有效地減少結構零件的數量、以及減小摩擦力、間隙和機械滯后，提高開關閥整體可靠性和控制精度。B連桿II與A支撐臂121形成第一級A放大單元；D連桿12M與B支撐臂122形成第一級B放大單元；A連桿12J與B連桿1 形成第二級A放大單元；C連桿12L與D連桿12M形成第二級B放大單元；第一級A放大單元與第一級B放大單元共用B連接臂12B，且以C柔性鉸鏈1 和 G柔性鉸鏈12U作為支點；第二級A放大單元以A柔性鉸鏈120作為支點；第二級B放大單元以E柔性鉸鏈12S作為支點；本發明設計的開關閥在運動時，A支撐臂121通過D柔性鉸鏈12R推動B連桿II 繞C柔性鉸鏈1 轉動，導致B連桿1 通過B柔性鉸鏈12P推動A連桿12J繞A柔性鉸鏈120轉動；同時B支撐臂122通過H柔性鉸鏈12H推動D連桿12M繞G柔性鉸鏈12U轉動，導致D連桿12M通過F柔性鉸鏈12T推動C連桿12L繞E柔性鉸鏈12S轉動；最終實現輸出位移的二級放大。(十二)閥芯13參見圖1、圖IA所示，閥芯13的一端設有沉頭孔13A，該沉頭孔13A用于與閥體18 的止液圓臺18D配合，實現止液體的流入或流出。閥芯13的另一端設有導軌槽13B，該導軌槽13B用于A連桿12J、C連桿12L、A球軸14A和B球軸14B在其內運動。閥芯13上套接有復位碟簧19。(十三)閥體I8參見圖1、圖1A、圖5所示，閥體18為空腔18C結構。閥體18的一側板上設有液體入口 18A，閥體18的蓋板上設有液體出口 18B，在液體出口 18B處設有止液圓臺18D，該止液圓臺18D與閥芯13的沉頭孔13A配合，實現阻止液體的流入或流出。在本發明中，閥芯13和行程放大體12之間通過兩個球軸(A球軸14A、B球軸14B)傳動。在本發明中，套筒4、調節螺栓5A、限位盤8、頂桿6均為如純鐵、硅鋼或者坡莫合金等高磁導率軟磁材料制成。本發明的一種基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥的裝配為巨磁致伸縮棒1放入線圈骨架2中，將漆包線纏繞在線圈骨架2上，套上外套筒4，在外套筒4的下端安裝上底盤5，在外套筒4的上端將限位盤8安裝上，頂桿6置入限位盤8的I通孔8A里，在頂桿6 的上導柱6A上套接預壓碟簧7，將壓板9壓入外套筒4的上端，將在預緊力螺栓5A擰入底盤5的E螺紋孔51中；外套筒4的螺紋凸臺4B安裝在閥座10的螺紋腔106內，行程放大體12的行程圓柱IM置于壓板9的J通孔9A內，球軸置于行程放大體12的沉頭圓孔內， 且球軸在閥芯13的導軌槽132內運動，閥芯13安裝在閥殼11的中心通孔IlE內，行程放大體12、閥殼11和閥座10采用螺釘安裝，閥體18焊接在閥殼11上。參見圖IA所示，在本發明中，閥芯13套有復位碟簧19，并置于閥殼11內，復位碟簧19提供適當的回復力，使行程放大體12在巨磁致伸縮棒1收縮時回到初始位置。閥芯 13與閥殼11的中心通孔IlE之間有彈性密封圈13A密封，防止漏液。閥殼11和閥體18可以是焊接。閥芯13頂端的沉頭孔131與閥體18的止液圓臺18D對應，當巨磁致伸縮棒1 伸長時，沉頭孔131與止液圓臺18D接觸，閥門關閉；巨磁致伸縮棒1收縮時，閥芯13復位， 閥門開啟。在本發明中，激勵線圈3由多股漆包線同時并行繞制，可以有效縮短響應時間，也可以部分通一定直流信號去除巨磁致伸縮材料低場磁致伸縮性能的非線性段。激勵線圈3 長度約為巨磁致伸縮棒1的1.1倍，長徑比約為10 1，可以使巨磁致伸縮棒1上的磁場較均勻的分布。本發明設計的開關閥的工作原理為，先通過調節壓盤9和調節螺栓5A固定巨磁致伸縮棒1的位置和預壓力，當控制信號以電流形式通入激勵線圈3通電后，巨磁致伸縮棒1 隨電磁場變換迅速伸縮，將位移量通過頂桿6傳導給行程放大體12，行程放大體12中的一級放大單元被頂起，自由端轉動頂起二級放大單元，因為支點處是柔性鉸鏈結構，省去了軸承體系，在高速運動時能有效減少摩擦，提高工作效率和元件壽命。行程放大體12中的二級放大單元將位移量傳遞給閥芯13，閥芯13向前運動，閥芯13的沉頭孔端與閥體18的止液圓臺18D接觸壓緊，開關閥被關閉，液體通路被阻斷；當巨磁致伸縮棒1收縮時，在復位碟簧19將閥芯13和行程放大體12回復到初始狀態，閥體18的出口 18B開啟，液體可以通過液體流入口 18A進入閥體18，從出口 18B流出。本發明的開關閥因為具有高效的機械放大機構和激勵電磁系統，響應時間短、控制精度和可靠性高適合采用PWM(脈寬調制)方式對其進行控制。。
權利要求
1. 一種基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥，其特征在于該開關閥包括有巨磁致伸縮棒(1)、線圈骨架(2)、激勵線圈(3)、外套筒(4)、底盤(5)、預緊力螺栓(5A)、頂桿(6)、預壓碟簧(7)、復位碟簧(19)、限位盤(8)、壓板(9)、閥座(10)、閥殼(11)、行程放大體(12)、閥芯(13)、A 球軸(14A)、B 球軸(14B)、閥體(18)；線圈骨架( 上設有上支撐盤(2A)、下支撐盤(2B)、支撐柱QC)；所述下支撐盤OB) 上設有走線槽(2E)，該走線槽QE)用于激勵線圈(3)的導線通過；線圈骨架O)的中心設有E通孔(2D)，該E通孔QD)用于放置巨磁致伸縮棒1 ；上支撐盤以K)與下支撐盤QB) 之間的支撐柱0C)上纏繞有漆包線，該纏繞后的漆包線形成激勵線圈(3)；外套筒4的上端設有螺紋凸臺(4B)，外套筒的下端設有下圓盤(4C)，下圓盤GC) 上設有G通孔(4D)，外套筒(4)的中心設有F通孔(4A)；底盤(5)上設有圓臺(53)和H通孔(M)，底盤(5)的中心設有E螺紋孔(51)；所述圓臺(53)上設有走線孔(52)；圓臺(53)置于外套筒(4)下端的F通孔(4A)內；走線孔(52) 用于外部導線通過；E螺紋孔(51)用于螺紋連接預緊力螺栓(5A)；頂桿(6)的上端設有上導柱(6A)，頂桿(6)的下端設有下導柱(6C)，上導柱(6A)與下導柱(6C)之間是限位圓臺(6B)；上導柱(6A)上套接有預壓碟簧(7)；下導柱(6C)安裝在限位盤(8)的I通孔(8A)內；閥座(10)的上端設有A側板(101)、B側板(102)、C側板(103)、D側板(104)，A側板 (101)與C側板(103)對稱設置，B側板(102)與D側板(104)對稱設置；閥座(10)的中心設有矩形通孔(105)；閥座(10)的底部設有螺紋腔(106)，該螺紋腔(106)內螺紋連接有外套筒⑷的螺紋凸臺GB) ；A側板(101)上設有A通孔(IOA) ；B側板(102)上設有B通孔 (IOB) ；C側板(103)上設有C通孔(IOC) ；D側板(104)上設有D通孔(IOD)；閥殼(11)的A側板(111)上設有K通孔(IlA)；閥殼(11)的B側板(112)上設有L通孔(IlB)；閥殼(11)的C側板(113)上設有M通孔(IlC)；閥殼(11)的D側板(114)上設有N通孔(IlD)；閥殼(11)的中心設有中心通孔(IlE)；行程放大體(1 的左端設有A連接臂(12A)；行程放大體(1 的右端設有C連接臂(12C)；行程放大體(12)的上端設有A連桿(12J)、C連桿(12L) ；A連桿(12J)與C連桿(12L)之間存在有間隙(12D)；行程放大體(1 的下端設有行程支撐(12E)；行程支撐(12E)為Y形結構，行程支撐(12E)的A支撐臂(121)與B支撐臂(122)之間是梯形槽 (123)，行程支撐(12E)的下端為行程圓柱(124)；行程放大體(12)的中間設有B連接臂 (12B)、B連桿(12K)、D連桿(12M) ；A連接臂(12A)與A連桿(12J)之間采用A柔性鉸鏈 (120)連接；A連桿(12J)與B連桿(12K)之間采用B柔性鉸鏈(12P)連接；B連桿(12K) 與B連接臂(12B)之間采用C柔性鉸鏈(12Q)連接。B連桿(12K)與行程支撐(12E)的A 支撐臂(121)之間采用D柔性鉸鏈(12R)連接。C連接臂(12C)與C連桿(12L)之間采用 E柔性鉸鏈(12S)連接。C連桿(12L)與D連桿(12M)之間采用F柔性鉸鏈(12T)連接。D 連桿(12M)與B連接臂(12B)之間采用G柔性鉸鏈(12U)連接。D連桿(12M)與行程支撐 (12E)的B支撐臂(122)之間采用H柔性鉸鏈(12V)連接。A連接臂(12A)的一側板面上設有A螺紋孔(121) ；C連接臂(12C)的一側板面上設有 C螺紋孔(123) ；B連接臂(12B)的一端板面上設有B螺紋孔(122) ；B連接臂(12B)的另一端板面上設有D螺紋孔(IM)；A螺紋孔(121)、K通孔(IlA)和A通孔(IOA)裝配時保持同軸，采用A螺釘順次穿過A 通孔(IOA)、K通孔(IlA)后螺紋連接在A螺紋孔(121)上；B螺紋孔(122)、L通孔(IlB)和B通孔(IOB)裝配時保持同軸，采用B螺釘順次穿過B 通孔(IOB)、L通孔(IlB)后螺紋連接在B螺紋孔(122)上；C螺紋孔(123)、M通孔(IlC)和C通孔(IOC)裝配時保持同軸，采用C螺釘順次穿過C 通孔(IOC)、M通孔(IlC)后螺紋連接在C螺紋孔(123)上；D螺紋孔(124)、N通孔(IlD)和D通孔(IOD)裝配時保持同軸，采用D螺釘順次穿過D 通孔(IOD)、N通孔(IlD)后螺紋連接在D螺紋孔(124)上；A連接臂(12A)的另一側板面通過A柔性鉸鏈(120)與A連桿(12J)連接；A連桿(12J) 的另一端上設有A沉頭圓孔(12G)，所述A沉頭圓孔(12G)用于放置A球軸(14A)。C連接臂(12C)的一側板面上設有C螺紋孔(123)，該C螺紋孔(12 與螺釘的配合實現行程放大體(12)的C連接臂(12C)與閥殼(11)、閥座(10)的C立板(IOC)固定安裝；C 連接臂(12C)的另一側板面通過E柔性鉸鏈(12S)與C連桿(12L)連接；C連桿(12L)的另一端上設有B沉頭圓孔(12H)，所述B沉頭圓孔(12H)用于放置B球軸(14B)。B連接臂(12B)的一端設有B螺紋孔(122)，該B螺紋孔(12 與螺釘的配合實現行程放大體(12)的B連接臂(12B)與閥殼(11)、閥座(10)的B立板(IOB)固定安裝；B連接臂 (12B)的另一端設有D螺紋孔(IM)，該D螺紋孔(124)與螺釘的配合實現行程放大體(12) 的B連接臂(12B)與閥殼(11)、閥座(10)的D立板(IOD)固定安裝；行程支撐(12E)下端部為行程圓柱(12F)；該行程圓柱(12F)置于壓板(9)的J通孔 (9A)內；閥芯(13)的一端設有沉頭孔(13A)，該沉頭孔(13A)用于與閥體(18)的止液圓臺 (18D)配合，實現止液體的流入或流出。閥芯(13)的另一端設有導軌槽(1 )，該導軌槽 (13B)用于A連桿(12J)、C連桿(12L)、A球軸(14A)和B球軸(14B)在其內運動。閥體(18)的一側板上設有液體入口(18A)，閥體(18)的蓋板上設有液體出口(18B)， 在液體出口(18B)處設有止液圓臺(18D)，該止液圓臺(18D)與閥芯(13)的沉頭孔(13A) 配合，實現阻止液體的流入或流出。
2.根據權利要求1所述的基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥，其特征在于巨磁致伸縮棒(1)、線圈骨架(2)和激勵線圈(3)形成驅動單元。
3.根據權利要求1所述的基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥，其特征在于預壓碟簧(7)、復位碟簧(19)、頂桿(6)、限位盤(8)、壓板(9)、閥殼(11)、行程放大體(12)、閥芯 (13)、A球軸(14A)和B球軸(14B)形成傳動單元。
4.根據權利要求1所述的基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥，其特征在于外套筒 (4)、底盤(5)、預緊力螺栓(5A)、頂桿(6)、限位盤(8)、激勵線圈(3)和巨磁致伸縮棒1形成閉合磁回路。
5.根據權利要求1所述的基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥，其特征在于巨磁致伸縮棒1的使用溫度范圍為-80°C 150°C。
6.根據權利要求1所述的基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥，其特征在于巨磁致伸縮棒(1)的采用鋱鏑鐵材料加工。
7.根據權利要求6所述的基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥，其特征在于巨磁致伸縮棒⑴的鋱鏑鐵材料的化學式為TbxDyi_x(Fei_yTy)z，其中X = 0. 01 0. 43、y = 0. 00 0. 30、ζ = 1. 50 2. 00，T為Cr、V、Co、Ni四種元素中的一種或兩種以上的組合。具體可以是 Tb0 4Dy0 6 (Fe0 75V0 05Cr0 05Ni0 05Co0 10) L 9 的材料、Tb0 36Dy0.64 (FeO. 80Co0 20) L 9 的材料。
8.根據權利要求1所述的基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥，其特征在于行程放大體(1 為一體化設計，B連桿(12K)與A支撐臂(121)形成第一級A放大單元；D連桿(12M) 與B支撐臂(12 形成第一級B放大單元；A連桿(12J)與B連桿(12K)形成第二級A放大單元；C連桿(12L)與D連桿(12M)形成第二級B放大單元；第一級A放大單元與第一級 B放大單元共用B連接臂(12B)，且以C柔性鉸鏈(12Q)和G柔性鉸鏈(12U)作為支點；第二級A放大單元以A柔性鉸鏈(120)作為支點；第二級B放大單元以E柔性鉸鏈(12S)作為支點；開關閥在運動時，A支撐臂(121)通過D柔性鉸鏈(12R)推動B連桿(12K)繞C柔性鉸鏈(12Q)轉動，導致B連桿(12K)通過B柔性鉸鏈(12P)推動A連桿(12J)繞A柔性鉸鏈(120)轉動；同時B支撐臂(122)通過H柔性鉸鏈(12H)推動D連桿(12M)繞G柔性鉸鏈(12U)轉動，導致D連桿(12M)通過F柔性鉸鏈(12T)推動C連桿(12L)繞E柔性鉸鏈(12 轉動；最終實現輸出位移的二級放大。
9.根據權利要求1所述的基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥，其特征在于套筒(4)、 調節螺栓(5A)、限位盤(8)、頂桿(6)均為如純鐵、硅鋼或者坡莫合金等高磁導率軟磁材料制成。
全文摘要
本發明公開了一種基于磁致伸縮執行器驅動的開關閥，該開關閥中的巨磁致伸縮棒放入線圈骨架中，將漆包線纏繞在線圈骨架上，套上外套筒，在外套筒的下端安裝上底盤，在外套筒的上端將限位盤安裝上，頂桿置入限位盤的I通孔里，在頂桿的上導柱上套接預壓碟簧，將壓板壓入外套筒的上端，將在預緊力螺栓擰入底盤的E螺紋孔中；外套筒的螺紋凸臺安裝在閥座的螺紋腔內，行程放大體的行程圓柱置于壓板的J通孔內，球軸置于行程放大體的沉頭圓孔內，且球軸在閥芯的導軌槽內運動，閥芯安裝在閥殼的中心通孔內，行程放大體、閥殼和閥座采用螺釘安裝，閥體焊接在閥殼上。
文檔編號F16K31/06GK102359643SQ20111031691
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月18日 優先權日2011年10月18日
發明者張天麗, 張恒, 徐惠彬, 蔣成保 申請人:北京航空航天大學