压电混联泵、脉冲水射流发生系统及动力调控方法

1.本发明涉及一种压电混联泵、脉冲水射流发生系统及动力调控方法，属于微流体输送与控制领域。


背景技术：

2.压电泵是一种新型流体驱动器，它是利用压电材料的逆压电效应使压电材料产生变形，进而使泵腔的容积产生变化出现压差，再通过进、排液单向阀完成流体的单向输送。同传统液压泵相比，压电泵具有体积小、重量轻、结构简单、响应快、无电磁干扰、能耗低及流量微小可控等诸多优势，在生物医疗、航空航天及微机电系统等工程领域具有广泛的应用前景。
3.同时脉冲水射流和普通连续性水射流相比具有更高的穿透力，能显著提高作业的安全性和效率。但目前的高速脉冲射流发生方法有限，且无法满足快速动作和精准调控的要求，故亟需一种基于压电泵的发生装置，同时能够精准调控高速脉冲射流。


技术实现要素：

4.本发明提供一种压电混联泵、脉冲水射流发生系统及动力调控方法，实现多元化的脉冲发生方法，脉冲频率的独立调节。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压电混联泵，包括若干组并联连接的压电叠堆串联泵，每组压电叠堆串联泵中包括若干泵单元，若干泵单元串联；若干组压电叠堆串联泵相邻的端部分别通过进液流道块、排液流道块并联，在进液流道块内形成进液管路，排液流道块内形成排液管路；所述泵单元包括泵体、阀体以及压电陶瓷预紧装置，在泵体内设置泵腔，在泵腔内靠近泵体底部的位置安装压电陶瓷预紧装置，泵体的底端沿着泵体中轴线设置预紧装置连接螺钉，预紧装置连接螺钉的端部嵌入压电陶瓷预紧装置内，实现压电陶瓷预紧装置与泵体的连接；在压电陶瓷预紧装置顶部的泵腔内安装导向块， 泵体的顶部通过泵盖连接螺钉固定泵盖，在泵盖与泵体之间的位置，即泵体开口端安装阀体，在阀体上安装进液单向阀以及排液单向阀；作为本发明的进一步优选，所述压电陶瓷预紧装置包括底座、壳体、预紧弹簧、压电叠堆以及移动端，壳体的底端安装在底座上，在壳体内部空间中，由壳体顶端至底座的中轴线上顺次同轴布设移动端以及压电叠堆，且移动端的一个端部伸出壳体，移动端位于壳体内的另一个端部套设预紧弹簧，预紧弹簧持续向压电叠堆施加预紧力；预紧装置连接螺钉的端部嵌入底座内；作为本发明的进一步优选，所述导向块与压电陶瓷预紧装置的移动端螺纹连接；隔膜由阀体通过隔膜密封圈压设在泵体顶端；
在阀体上分别设置阀体进液管和阀体出液管，阀体进液管相邻阀体的位置安装进液单向阀，阀体出液管相邻阀体的位置安装排液单向阀；阀体与泵盖之间设置阀体密封圈；作为本发明的进一步优选，述隔膜采用金属片切割制成；在隔膜朝向泵腔的一侧涂抹隔离膜；导向块安装在泵体内时，与泵体之间为间隙配合；作为本发明的进一步优选，前述的进液流道块与压电混联泵的一端之间、排液流道块与压电混联泵的另一端之间均通过流道块密封圈密封；且进液流道块与压电混联泵的一端、排液流道块与压电混联泵的另一端均通过流道块连接螺栓将流道块密封圈压紧；所述进液管路的直径大于排液管路的直径；包含所述压电混联泵的脉冲水射流发生系统，还包括水箱、上位机、驱动器、压力传感器、开关阀、流量传感器、喷嘴以及安全阀；所述压电混联泵的进液管路与水箱连通，压电混联泵的排液管路与喷嘴连通，驱动器与压电混联泵电联，上位机与驱动器连通，即上位机向驱动器发送指令；在压电混联泵与喷嘴连通之间的管路上安装安全阀、开关阀、压力传感器以及流量传感器，其中安全阀靠近压电混联泵；其中，开关阀用于控制喷嘴处高速脉冲水射流的启闭，安全阀起安全保护作用；基于所述脉冲水射流发生系统的动力调控方法，上位机向驱动器的各路输出通道发送电压输出幅值、频率以及相位差的调节指令，驱动器以同步或者异步模式驱动压电混联泵中各个泵腔内压电叠堆进行往复动作，保持压电混联泵持续从水箱内吸水，由喷嘴排出，产生高速脉冲水射流；压力传感器和流量传感器实时脉冲监测水射流发生系统的输出压力和流量，并将监测值输送给上位机，形成反馈后由上位机精准调节驱动器各路输出通道的输出参数；作为本发明的进一步优选，在每组压电叠堆串联泵内，设定相邻泵单元的驱动信号相位差为180
°
；作为本发明的进一步优选，当脉冲射流的调控设定为定频调压模式时，设定驱动信号的脉冲频率固定，仅调节驱动信号的电压幅值，以此调节脉冲射流压力；当脉冲射流的调控设定为定压调频模式时，脉冲射流压力不变，调节每组压电叠堆（006-4）串联泵驱动信号的脉冲频率时，匹配调节驱动信号的电压幅值，即增大驱动信号的脉冲频率时，减小驱动信号的电压幅值；减小驱动信号的脉冲频率时，增大驱动信号的电压幅值；作为本发明的进一步优选，当脉冲射流的调控设定为定压调频模式时，脉冲射流压力不变，每组压电叠堆串联泵驱动信号的脉冲频率固定，仅调节并联连接的各组压电叠堆串联泵之间的相位差。
6.通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的包含压电混联泵的脉冲水射流发生系统，每组压电叠堆串联泵的驱动信号均能够独立调节，使得各组压电叠堆串联泵处于不同的工作状态，以能够提供多元化的脉冲水射流发生方法；2、本发明提供的基于脉冲水射流发生系统的动力调控方法，通过调节驱动信号的
电压幅值、相位差以及脉冲频率，来实现对脉冲射流的精准调控。
附图说明
7.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
8.图1是本发明提供的脉冲水射流发生系统整体示意图图；图2a-图2b是本发明提供的压电混联泵俯视图，其中，图2b为图2a的b处局部放大图；图3是本发明提供的单组压电叠堆串联泵俯视图；图4是本发明提供的单组压电叠堆串联泵左视图；图5是本发明提供的单组压电叠堆串联泵剖视图；图6是本发明提供的泵单元剖视图；图7是本发明提供的泵单元结构爆炸图图8是本发明提供的压电陶瓷预紧装置剖视图；图9是本发明提供的优选实施例中单组压电叠堆串联泵内各泵单元驱动信号图；图10a-图10b是本发明提供的单组压电叠堆串联泵输入输出图，其中图10a为电压输入图，图10b是压力幅值输出图；图11a-图11b是本发明提供的脉冲水射流发生系统常态工作时的驱动信号图及效果图，其中，图11a为驱动信号图，图11b为效果图。
9.图中：1为水箱，2为上位机，3为驱动器，4为压电混联泵，5为压力传感器，6为开关阀，7为流量传感器，8为喷嘴，9为安全阀，001为泵盖，002为阀体，003为排液单向阀，004为隔膜，005为导向块，006为压电陶瓷预紧装置，006-1为底座，006-2为壳体，006-3为预紧弹簧，006-4为压电叠堆，006-5为移动端，007为泵体，008为预紧装置连接螺钉，009为泵腔，010为隔膜密封圈，011为进液单向阀，012为阀体密封圈，013为进液流道块，014为流道块连接螺栓，015为泵盖连接螺钉，016为流道块密封圈，017为排液流道块。
具体实施方式
10.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本技术的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
11.如背景技术中阐述的，目前关于脉冲水射流发生装置的技术中，虽然考虑到了压电泵的优势，但是由于压电泵的动力较小，现有的装置无法进行脉冲射流的实施，那么进一步的就无法实现多元化的发生方法，同时，现有技术中在实施脉冲射流操作时，使用到的泵体又无法做到快速动作和精准调控。因此本技术提供了一种压电混联泵，以及包含压电混联泵的脉冲水射流发生系统，此系统能够实现每个单元的独立调节，由此给予了发生方法的多种可能性。
12.图1所示，是本技术提供的脉冲水射流发生系统的一个整体示意图，包括水箱1、上
位机2、驱动器3、压电混联泵4、压力传感器5、开关阀6、流量传感器7、喷嘴8以及安全阀9；图中各个结构的连接关系具体为：所述压电混联泵的进液管路与水箱连通，压电混联泵的排液管路与喷嘴连通，驱动器与压电混联泵电联，上位机与驱动器连通，即上位机向驱动器发送指令；在压电混联泵与喷嘴连通之间的管路上安装安全阀、开关阀、压力传感器以及流量传感器，其中安全阀靠近压电混联泵；其中，开关阀用于控制喷嘴处高速脉冲水射流的启闭，安全阀起安全保护作用。
13.这里明确上述脉冲水射流发生系统的工作原理：上位机调节驱动器各路输出通道的电压输出幅值、频率以及相位差，驱动器以同步或异步模式驱动压电混联泵中各腔的压电叠堆往复动作，使得压电混联泵连续从水箱中吸水，通过喷嘴排出，产生高速脉冲水射流。压力传感器和流量传感器实时监测水射流发生系统的输出压力和流量，并将监测值输送给上位机，形成反馈后由上位机精准调节驱动器各路输出通道的输出参数。
14.显然，要实现高速脉冲水射流的发生，压电混联泵是重点，如图2a所示，所述压电混联泵其实是一种压电叠堆混联泵，包括若干组并联连接的压电叠堆串联泵，若干组压电叠堆串联泵相邻的端部分别通过进液流道块013、排液流道块017并联，在进液流道块内形成进液管路，排液流道块内形成排液管路；从图2中还可以看出，进液流道块与压电混联泵的一端之间、排液流道块与压电混联泵的另一端之间均通过流道块密封圈016密封；且进液流道块与压电混联泵的一端、排液流道块与压电混联泵的另一端均通过流道块连接螺栓014将流道块密封圈压紧；每组压电叠堆串联泵的驱动信号均是可以独立调节的，因此能够使各组压电叠堆串联泵处于不同的工作状态，以满足调控方式的多种类需求。这里，进液管路的直径需要大于排液管路的直径，这样系统在吸液过程中会进行的更加充分，并使得各组压电叠堆串联泵之间液体的相互作用减小。
15.每组压电叠堆串联泵中包括若干泵单元，若干泵单元首尾串联；图3-图5从多个角度呈现了单组压电叠堆串联泵的结构示意图，图6-图7所示，所述泵单元包括泵体007、阀体002以及压电陶瓷预紧装置006，在泵体内设置泵腔009，在泵腔内靠近泵体底部的位置安装压电陶瓷预紧装置，泵体的底端沿着泵体中轴线设置预紧装置连接螺钉008，预紧装置连接螺钉的端部嵌入压电陶瓷预紧装置内，实现压电陶瓷预紧装置与泵体的连接。图2b为图2a中b处的放大示意图，可以清楚的看出，泵体的顶部通过泵盖连接螺钉015固定泵盖001，在泵盖与泵体之间的位置，即泵体开口端安装阀体，在阀体上安装进液单向阀011以及排液单向阀003。
16.在优选实施例中，压电陶瓷预紧装置顶部的泵腔内安装导向块005，导向块与泵体是间隙配合，其作用是起到一个导向作用，以保证压电陶瓷预紧装置不受剪切力的作用。图8所示，是本技术提供的压电陶瓷预紧装置的结构示意图，其包括底座006-1、壳体006-2、预紧弹簧006-3、压电叠堆006-4以及移动端006-5，壳体的底端安装在底座上，在壳体内部空间中，由壳体顶端至底座的中轴线上顺次同轴布设移动端以及压电叠堆，移动端的一个端部伸出壳体，移动端位于壳体内的另一个端部套设预紧弹簧，预紧弹簧持续向压电叠堆施加预紧力；预紧装置连接螺钉的端部嵌入底座内。上述提到的导向块的设置，其实是因为压电叠堆不能承受剪切力和扭矩，导向块可避免压电叠堆受到剪切力作用。
17.导向块与压电陶瓷预紧装置的移动端螺纹连接，在安装时，需固定预紧装置的移动端，防止移动端旋转破坏内部压电叠堆。
18.隔膜004由阀体通过隔膜密封圈010压设在泵体顶端，这里隔膜由金属片切割形成；在隔膜朝向泵腔的一侧涂抹隔离膜，防止隔膜与流体接触，腐蚀损坏。在阀体上分别设置阀体进液管和阀体出液管，阀体进液管相邻阀体的位置安装进液单向阀，阀体出液管相邻阀体的位置安装排液单向阀，进液单向阀、排液单向阀为悬臂梁阀，由金属片切割而成，可以通过粘结、螺钉、焊接等方法固定在阀体上。为了保证整个系统中阀体与泵盖的密封性，阀体与泵盖之间设置阀体密封圈012。
19.这里需要单独阐述一下每个泵单元的工作原理，压电叠堆在驱动器的驱动下输出位移和力，经过移动端和导向块传递给隔膜，推动隔膜变形，进而泵腔的容积发生变化，在进液单向阀、排液单向阀的作用下实现流体的单向输送。泵单元串联时，输出流体的额定压力将会增大，串联数量越多，额定压力也就越大。
20.上述针对系统中每个部分的描述可知，每个部分其实是自成一体的，相对独立，那么就可以实现单独信号的控制，以调节不同工况需求。接下来本技术就提供基于上述系统的动力调控方法，在阐述具体动力调控方法之前，需要强调一个前提，图9-图10b所示，对于单组压电叠堆串联泵（在试验过程中，图9是设定了三个泵单元的驱动信号图），虽然压电叠堆泵串联后可以提高泵单元的输出压力和流量，但若相邻叠堆的驱动信号相位差不正确，单组压电叠堆串联泵的输出性能将减小、甚至为零（图10a-图10b为单组压电叠堆串联泵的输入输出图）。故取相邻泵单元泵腔的驱动信号相位相差180
°
，这使得相邻两个泵腔的吸液、排液处于相反的过程，流体的压力随着泵单元的串联数量不断升高，而且这样更有利于单向阀的开闭，提高单向阀的截止性和压电叠堆串联泵的最佳工作频率。
21.本技术提供了两种精准调控模式，这两种精准调控模式均是通过调节驱动信号的电压幅值、相位差以及脉冲频率，来实现脉冲射流的精准调控。包括定频调压和定压调频两种，当脉冲射流的调控设定为定频调压模式时，图11a-图11b可以看出（这里图11a中是给出的四组压电叠堆串联泵驱动信号图），介于喷嘴处的压力流量方程，流量越大，射流压力也就越大，压电叠堆在不同电压下的输出位移不同，进而使得泵单元的排量不同、射流压力不同，因此设定驱动信号的脉冲频率固定，单独调节驱动信号的电压幅值，以此调节脉冲射流压力。
22.当脉冲射流的调控设定为定压调频模式时，调节脉冲射流频率的方式有两种，第一种：脉冲射流压力不变，调节每组压电叠堆串联泵驱动信号的脉冲频率时，匹配调节驱动信号的电压幅值，这是因为当只调节驱动信号的脉冲频率时，压电叠堆的位移近似不变，泵单元的排量增大，射流压力增大；具体的，增大驱动信号的脉冲频率时，减小驱动信号的电压幅值；减小驱动信号的脉冲频率时，增大驱动信号的电压幅值。
23.第二种：脉冲射流压力不变，每组压电叠堆串联泵驱动信号的脉冲频率固定，仅调节每组压电叠堆串联泵的相位差，各组压电叠堆串联泵的输出流量不变。
24.基于上述阐述，可知，本技术提供了一种脉冲水射流发生系统，因此使得脉冲水射流发生方式多了新的可能，在实现冲击速度和脉冲频率独立调节的前提下，对高速脉冲射流动力实现精准调控。
25.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意
义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
26.本技术中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
27.本技术中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
28.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种压电混联泵，其特征在于：包括若干组并联连接的压电叠堆串联泵，每组压电叠堆串联泵中包括若干泵单元，若干泵单元串联；若干组压电叠堆串联泵相邻的端部分别通过进液流道块（013）、排液流道块（017）并联，在进液流道块（013）内形成进液管路，排液流道块（017）内形成排液管路；所述泵单元包括泵体（007）、阀体（002）以及压电陶瓷预紧装置（006），在泵体（007）内设置泵腔（009），在泵腔（009）内靠近泵体（007）底部的位置安装压电陶瓷预紧装置（006），泵体（007）的底端沿着泵体（007）中轴线设置预紧装置连接螺钉（008），预紧装置连接螺钉（008）的端部嵌入压电陶瓷预紧装置（006）内，实现压电陶瓷预紧装置（006）与泵体（007）的连接；在压电陶瓷预紧装置（006）顶部的泵腔（009）内安装导向块（005）， 泵体（007）的顶部通过泵盖连接螺钉（015）固定泵盖（001），在泵盖（001）与泵体（007）之间的位置，即泵体（007）开口端安装阀体（002），在阀体（002）上安装进液单向阀（011）以及排液单向阀（003）。2.根据权利要求1所述的压电混联泵，其特征在于：所述压电陶瓷预紧装置（006）包括底座（006-1）、壳体（006-2）、预紧弹簧（006-3）、压电叠堆（006-4）以及移动端（006-5），壳体（006-2）的底端安装在底座（006-1）上，在壳体（006-2）内部空间中，由壳体（006-2）顶端至底座（006-1）的中轴线上顺次同轴布设移动端（006-5）以及压电叠堆（006-4），且移动端（006-5）的一个端部伸出壳体（006-2），移动端（006-5）位于壳体（006-2）内的另一个端部套设预紧弹簧（006-3），预紧弹簧（006-3）持续向压电叠堆（006-4）施加预紧力；预紧装置连接螺钉（008）的端部嵌入底座（006-1）内。3.根据权利要求2所述的压电混联泵，其特征在于：所述导向块（005）与压电陶瓷预紧装置（006）的移动端（006-5）螺纹连接；隔膜（004）由阀体（002）通过隔膜密封圈（010）压设在泵体（007）顶端；在阀体（002）上分别设置阀体进液管和阀体出液管，阀体进液管相邻阀体（002）的位置安装进液单向阀（011），阀体出液管相邻阀体（002）的位置安装排液单向阀（003）；阀体（002）与泵盖（001）之间设置阀体密封圈（012）。4.根据权利要求3所述的压电混联泵，其特征在于：述隔膜（004）采用金属片切割制成；在隔膜（004）朝向泵腔（009）的一侧涂抹隔离膜；导向块（005）安装在泵体（007）内时，与泵体（007）之间为间隙配合。5.根据权利要求4所述的压电混联泵，其特征在于：前述的进液流道块（013）与压电混联泵的一端之间、排液流道块（017）与压电混联泵的另一端之间均通过流道块密封圈（016）密封；且进液流道块（013）与压电混联泵的一端、排液流道块（017）与压电混联泵的另一端均通过流道块连接螺栓（014）将流道块密封圈（016）压紧；所述进液管路的直径大于排液管路的直径。6.包含权利要求5所述压电混联泵的脉冲水射流发生系统，其特征在于：还包括水箱（1）、上位机（2）、驱动器（3）、压力传感器（5）、开关阀（6）、流量传感器（7）、喷嘴（8）以及安全阀（9）；所述压电混联泵（4）的进液管路与水箱（1）连通，压电混联泵的排液管路与喷嘴连通，驱动器与压电混联泵电联，上位机（2）与驱动器连通，即上位机（2）向驱动器发送指令；在压电混联泵与喷嘴连通之间的管路上安装安全阀、开关阀、压力传感器以及流量传
感器，其中安全阀靠近压电混联泵；其中，开关阀（6）用于控制喷嘴（8）处高速脉冲水射流的启闭，安全阀（9）起安全保护作用。7.基于权利要求6所述脉冲水射流发生系统的动力调控方法，其特征在于：上位机（2）向驱动器（3）的各路输出通道发送电压输出幅值、频率以及相位差的调节指令，驱动器以同步或者异步模式驱动压电混联泵（4）中各个泵腔（009）内压电叠堆（006-4）进行往复动作，保持压电混联泵（4）持续从水箱（1）内吸水，由喷嘴排出，产生高速脉冲水射流；压力传感器（5）和流量传感器（7）实时脉冲监测水射流发生系统的输出压力和流量，并将监测值输送给上位机（2），形成反馈后由上位机（2）精准调节驱动器（3）各路输出通道的输出参数。8.根据权利要求7所述脉冲水射流发生系统的动力调控方法，其特征在于：在每组压电叠堆（006-4）串联泵内，设定相邻泵单元的驱动信号相位差为180
°
。9.根据权利要求8所述脉冲水射流发生系统的动力调控方法，其特征在于：当脉冲射流的调控设定为定频调压模式时，设定驱动信号的脉冲频率固定，仅调节驱动信号的电压幅值，以此调节脉冲射流压力；当脉冲射流的调控设定为定压调频模式时，脉冲射流压力不变，调节每组压电叠堆（006-4）串联泵驱动信号的脉冲频率时，匹配调节驱动信号的电压幅值，即增大驱动信号的脉冲频率时，减小驱动信号的电压幅值；减小驱动信号的脉冲频率时，增大驱动信号的电压幅值。10.根据权利要求9所述脉冲水射流发生系统的动力调控方法，其特征在于：当脉冲射流的调控设定为定压调频模式时，脉冲射流压力不变，每组压电叠堆（006-4）串联泵驱动信号的脉冲频率固定，仅调节并联连接的各组压电叠堆串联泵之间的相位差。

技术总结
本发明涉及一种压电混联泵、脉冲水射流发生系统及动力调控方法，系统包括水箱、上位机、驱动器、压电混联泵、压力传感器、开关阀、流量传感器、喷嘴、安全阀，上位机调节驱动器各路输出通道的电压输出幅值、频率以及相位差，驱动器以同步或异步模式驱动压电混联泵中各腔的压电叠堆往复动作，使得压电混联泵连续从水箱中吸水，通过喷嘴排出，产生高速脉冲水射流。压力传感器和流量传感器实时监测水射流发生系统的输出压力和流量，并将监测值输送给上位机，形成反馈后由上位机精准调节驱动器各路输出通道的输出参数；本发明实现多元化的脉冲发生方法，同时实现冲击速度和脉冲频率的独立调节。节。节。


技术研发人员：曹超 赵继云 卫鹏辉 黄笛 毛炳权 刘浩 艾延凡 高凯
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2022.11.18
技术公布日：2023/7/22