一種使用形狀記憶合金的液壓緩沖裝置制造方法
【專利摘要】一種使用形狀記憶合金的液壓緩沖裝置，利用偽彈性形狀記憶合金拉桿的單軸拉伸進(jìn)行耗能和復(fù)位，通過液壓裝置中大活塞與小柱塞的面積比實現(xiàn)位移放大的功能。當(dāng)形狀記憶合金拉桿發(fā)生一個較小的變形，即大活塞相對液壓缸發(fā)生一個較小的位移時，與外界聯(lián)接的小柱塞就會相對液壓缸發(fā)生一個較大的位移，實現(xiàn)對外界沖擊的緩沖作用。本發(fā)明一方面緩沖行程大，另一方面形狀記憶合金桿應(yīng)力狀態(tài)簡單、均勻，相變利用率高，能量耗散大。緩沖過程作用力穩(wěn)定，可及時復(fù)位，可連續(xù)重復(fù)使用，適用于軍用、民用的重要裝備的緩沖保護(hù)。
【專利說明】一種使用形狀記憶合金的液壓緩沖裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種緩沖裝置，尤其是涉及一種利用形狀記憶合金耗能和復(fù)位的液壓緩沖裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在機械、車輛及抗震建筑中大量的使用緩沖裝置。最簡單的緩沖裝置就是彈簧，但是通常其阻尼系數(shù)較低，不能很快的衰減震蕩，容易造成多次沖擊等問題，需要與其它阻尼部件復(fù)合使用。依照緩沖器與速度、位移的關(guān)系，可以大致分為速度型、位移型及混合型緩沖器。速度型緩沖器如常見的油壓緩沖器，作用力在不同沖擊速度下差距較大，超出一定速度限制時會出現(xiàn)緩沖力過大的情況。利用金屬彈塑性變形、摩擦力等原理進(jìn)行緩沖耗能的裝置，屬于位移型緩沖器，在汽車防撞、建筑物抗震等領(lǐng)域使用較多，但通常難以實現(xiàn)自動復(fù)位，限制了使用范圍。
[0003]形狀記憶合金是一種應(yīng)用較為廣泛的智能材料，其變形受溫度和應(yīng)力的雙重控制。當(dāng)其溫度高于馬氏體向奧氏體相變的完成點時，材料處于偽彈性狀態(tài)，可以提供為普通鋼材彈性限數(shù)十倍的可恢復(fù)相變應(yīng)變，及與之對應(yīng)的應(yīng)力平臺，且在加卸載過程中滯回耗能。當(dāng)溫度低于馬氏體向奧氏體相變的起始溫度時，材料處于形狀記憶狀態(tài)，此時的力學(xué)性質(zhì)類似于彈塑性，當(dāng)加載超過一定變形時，會有殘余應(yīng)變，但是通過加熱處理可以恢復(fù)到初始的狀態(tài)。形狀記憶狀態(tài)有更低的應(yīng)力平臺，并且加載過程的能量可以幾乎全部吸收。根據(jù)這一特性，出現(xiàn)了多種利用形狀記憶合金進(jìn)行緩沖、耗能的裝置，主要是利用合金絲的拉伸機制，但是這些裝置普遍緩沖行程較小，難以應(yīng)用于工程實踐。而還有一些設(shè)計試圖利用記憶合金構(gòu)件如合金梁、合金殼的彎曲變形機制進(jìn)行緩沖耗能，雖然可以獲得相對較大的行程，但是材料只在局部充分相變，利用率較低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種使用形狀記憶合金的液壓緩沖裝置，充分了發(fā)揮形狀記憶合金的變形與耗能能力，具有大行程、穩(wěn)定出力、可回復(fù)等性能的液壓緩沖裝置。
[0005]本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種使用形狀記憶合金的液壓緩沖裝置，基本措施是:在傳統(tǒng)的油壓緩沖器的基礎(chǔ)上，利用偽彈性形狀記憶合金拉桿的單軸拉伸進(jìn)行耗能和復(fù)位，通過液壓裝置中大活塞與小柱塞的面積比實現(xiàn)位移放大的功能。當(dāng)形狀記憶合金拉桿發(fā)生一個較小的變形，即大活塞相對液壓缸發(fā)生一個較小的位移時，與外界聯(lián)接的小柱塞就會相對液壓缸發(fā)生一個較大的位移，實現(xiàn)對外界沖擊的緩沖作用。
[0006]本發(fā)明，一種使用形狀記憶合金的液壓緩沖裝置，主要包括液壓缸體，液壓油，大活塞、小柱塞、形狀記憶合金拉桿、緊固螺母等部件。液壓缸體一端有一面積較小的密封孔，與小柱塞配合，在這一端的周圍還有對稱分布的安裝孔，另一端有一面積較大的密封孔，與大活塞配合，兩個密封孔的面積比為5?15倍左右。大活塞的一端周圍也有對稱分布的安裝孔，與液壓缸體上的安裝孔對應(yīng)。形狀記憶合金拉桿兩端有螺紋，中間平行段直徑小于兩端螺紋段的直徑，平行段與螺紋段之間平滑過渡。將整個液壓缸體內(nèi)的空腔注滿液壓油，形狀記憶合金拉桿兩端分別通過緊固螺母固定在液壓缸體和大活塞的安裝孔。當(dāng)外界沖擊通過小柱塞傳入時，液體壓力促使大活塞和液壓缸體發(fā)生相對位移，帶動形狀記憶合金拉桿發(fā)生拉伸變形，起到緩沖的作用。卸載時，形狀記憶合金拉桿變形恢復(fù)，帶動整個裝置回到初始位形。在形狀記憶合金拉桿的拉伸與卸載過程中，產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變的滯回曲線，消耗沖擊能量。同時，小柱塞在液壓缸中的運動也會起到一定的阻尼耗能作用，調(diào)整小柱塞頭部的形狀，或者在液壓缸中設(shè)置其它的限流裝置，可以調(diào)節(jié)液體阻尼力的大小。
[0007]本發(fā)明的一種改進(jìn)是，一種分離式形狀記憶合金液壓緩沖裝置，所述裝置由緩沖液壓缸，耗能液壓缸和聯(lián)接管件三個部分構(gòu)成，裝置所有空腔均注滿液壓油；緩沖液壓缸包括小活塞和小液壓缸體，安裝在需要緩沖保護(hù)的位置；耗能液壓缸包括大液壓缸體，大活塞，形狀記憶合金拉桿，緊固螺母，安裝在其它任何方便的位置；大液壓缸體的一端周圍有對稱分布的安裝孔，另一端有一面積較大的密封孔，與大活塞配合；大活塞的一端周圍也有對稱分布的安裝孔，與大液壓缸體上的安裝孔對應(yīng)；形狀記憶合金拉桿兩端分別通過緊固螺母固定在液壓缸體和大活塞的安裝孔；大活塞與小活塞的有效面積比為5?15 ;小液壓缸體和大液壓缸體上各有一油孔與聯(lián)接管件裝配，實現(xiàn)緩沖液壓缸與耗能液壓缸的聯(lián)通。工作時，在外界沖擊作用下，緩沖液壓缸的小活塞和小液壓缸體發(fā)生相對位移，部分液壓油通過聯(lián)接管件壓入耗能液壓缸，導(dǎo)致大活塞和大液壓缸體發(fā)生相對位移，形狀記憶合金拉桿被拉伸，實現(xiàn)緩沖、耗能作用；外界沖擊結(jié)束以后，形狀記憶合金拉桿恢復(fù)原狀，帶動大活塞和大液壓缸體回復(fù)到原來位置，部分液壓油通過聯(lián)接管件重新流入緩沖液壓缸，促使小活塞和小液壓缸也恢復(fù)到初始位置。所述裝置的緩沖液壓缸，根據(jù)小活塞和油孔的相對位置，可以是壓縮型，即在小活塞和小液壓缸體相對壓縮時將液壓油排出，壓入耗能液壓缸；也可以是拉伸型，即在小活塞和小液壓缸體相對拉伸時將液壓油排出，壓入耗能液壓缸；還可以是壓縮型和拉伸型串聯(lián)，構(gòu)成拉壓型，即相對初始位置發(fā)生任何的位移均可將液壓油排出，壓入耗能液壓缸。
[0008]還可以對本發(fā)明裝置進(jìn)行另外一種智能化的改進(jìn)。在液壓缸體上安裝速度探測器，用來檢測外界沖擊的速度，從而判定沖擊正在發(fā)生或者已經(jīng)結(jié)束；使用常溫下處于形狀記憶狀態(tài)的形狀記憶合金拉桿，在形狀記憶合金拉桿上貼應(yīng)變片用于檢測拉桿變形，并包裹加熱電阻；速度探測器和應(yīng)變片的信號輸入到控制器，根據(jù)預(yù)定算法輸出對加熱電路的控制信號；所述預(yù)定算法實現(xiàn)為:等待狀態(tài)下，形狀記憶合金拉桿保持為形狀記憶狀態(tài)，判定沖擊已經(jīng)結(jié)束后，若檢測到形狀記憶合金拉桿有殘余變形，則啟動加熱裝置，直到形狀記憶合金拉桿變形恢復(fù)，系統(tǒng)重新恢復(fù)為等待狀態(tài)。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0010](I)在本發(fā)明裝置中，形狀記憶合金拉桿處于單軸拉伸狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)簡單、均勻，材料利用率高。相比其它直接使用形狀記憶合金絲拉伸耗能的裝置，位移有了顯著提高，有利于工程實際使用。通過改變兩個活塞的面積比，可以靈活調(diào)整裝置的出力大小和行程。對不同的沖擊速度，作用力不會有顯著變化，不會出現(xiàn)緩沖力過大的情況。當(dāng)加載結(jié)束時，材料發(fā)生逆相變，沒有殘留變形，裝置完全復(fù)位，可重復(fù)連續(xù)使用。
[0011](2)本發(fā)明的一種改進(jìn)形式，即分離式結(jié)構(gòu)，可以減小緩沖液壓缸的徑向尺寸，使之容易安裝到相對狹小的空間，而耗能液壓缸可以安裝到其它方便的位置。分離式結(jié)構(gòu)還便于進(jìn)行模塊化的設(shè)計，可以方便的設(shè)計出壓縮型、拉伸型及拉壓型等多種型號，也方便從市場上采購相關(guān)部件，減少加工量。
[0012](3)本發(fā)明的另一種智能化改進(jìn)在上述基礎(chǔ)上，使用形狀記憶狀態(tài)的記憶合金拉桿，在緩沖過程中下并不立即恢復(fù)，外界沖擊能量被完全吸收，避免造成二次沖擊，判定沖擊結(jié)束以后再根據(jù)拉桿變形情況加熱恢復(fù)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的一個基本型號的實施例:形狀記憶合金液壓緩沖裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的一種改進(jìn)后的實施例:分離式壓縮型形狀記憶合金液壓緩沖裝置；
[0015]圖3為本發(fā)明中分離式緩沖裝置的壓縮型緩沖液壓缸；
[0016]圖4為本發(fā)明中分離式緩沖裝置的拉伸型緩沖液壓缸
[0017]圖5為本發(fā)明中分離式緩沖裝置的拉壓型緩沖液壓缸
[0018]圖6為本發(fā)明的另一種改進(jìn)后的實施例:智能型形狀記憶合金液壓緩沖裝置。
[0019]圖中:1-液壓缸體，IA-大液壓缸體，2-液壓油，3-大活塞，4-小柱塞，4A-壓縮型小活塞，4B-拉伸型小活塞，5-形狀記憶合金拉桿，6-緊固螺母，7A-壓縮型小液壓缸體，7B-拉伸型小液壓缸體，7C-拉壓型小液壓缸體，8-聯(lián)接管件，9-轉(zhuǎn)接管，101-速度探測器、102-外界沖擊物、103-應(yīng)變片、104-加熱電阻、105-控制器、106-加熱電源。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合技術(shù)方案和參照附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0021]本發(fā)明的一種基本型號的實施例，一種使用形狀記憶合金的液壓緩沖裝置，如圖1所示，包括液壓缸體1，液壓油2，大活塞3、小柱塞4、形狀記憶合金拉桿5、緊固螺母6等部件。
[0022]液壓缸體I 一端中心有一面積較小的密封孔，與小柱塞4配合，在這一端周圍還有對稱分布的安裝孔，另一端為一面積較大的密封孔，與大活塞3配合，大活塞與小柱塞的的面積比，也就是大密封孔與小密封孔的面積比為5?15倍左右。大活塞3 —端邊緣有呈圓周對稱分布的安裝用階梯孔，分布位置與液壓缸體I的安裝孔對應(yīng)。小柱塞4 一端有凸臺，用于限位。形狀記憶合金拉桿5兩端有螺紋，與緊固螺母6配合，起固定作用，形狀記憶合金拉桿5的中間平行段直徑小于兩端螺紋段的直徑，平行段與螺紋段之間平滑過渡，保證不出現(xiàn)應(yīng)力集中。
[0023]如圖1，將小柱塞4插入液壓缸體I的較小的密封孔中，有凸臺的一端朝里，大活塞3插入液壓缸體I的另一個密封孔中，將整個液壓缸空腔注滿液壓油2，協(xié)調(diào)大活塞3上的系列階梯孔和液壓缸體上的系列通孔，使之處于同軸的位置，形狀記憶合金拉桿5穿過對應(yīng)的安裝孔，兩端用緊固螺母6擰緊固定。
[0024]當(dāng)外界沖擊通過小柱塞4傳入時，液體壓力促使大活塞3和液壓缸體I發(fā)生相對位移，帶動形狀記憶合金拉桿5發(fā)生拉伸變形，起到緩沖的作用。卸載時，形狀記憶合金拉桿5變形恢復(fù)，帶動整個裝置回到初始位形。在形狀記憶合金拉桿5的拉伸與卸載過程中，產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變的滯回曲線，消耗沖擊能量。同時，小柱塞4在液壓油2中運動時也會產(chǎn)生一定的液體阻尼力，輔助耗能，調(diào)整小柱塞4端部凸臺的形狀，或者在液壓缸體I中設(shè)置其它的限流裝置，可以調(diào)節(jié)液體阻尼力的大小，這部分屬于傳統(tǒng)油壓緩沖器的內(nèi)容，此處不再贅述。
[0025]本發(fā)明的一種改造后的實施例:分離式形狀記憶合金液壓緩沖裝置，包括緩沖液壓缸、耗能液壓缸及聯(lián)接管件等三個部分，根據(jù)緩沖液壓缸的不同，可以有壓縮型、拉伸型和拉壓型三種型號，下面以圖2所示的分離式壓縮型形狀記憶合金液壓緩沖裝置為例進(jìn)行詳細(xì)說明。圖2中，壓縮型小活塞4A和壓縮型小液壓缸體7A構(gòu)成壓縮型緩沖液壓缸，安裝在需要緩沖的位置，負(fù)責(zé)對外出力。大液壓缸體1A，大活塞3，形狀記憶合金拉桿5，緊固螺母6組成耗能液壓缸，可以安裝在其它任何方便的地方。大液壓缸體IA的一端周圍有對稱分布的安裝孔，另一端有一面積較大的密封孔，與大活塞3配合；大活塞3的一端周圍也有對稱分布的安裝孔，與大液壓缸體IA上的安裝孔對應(yīng)；形狀記憶合金拉桿5兩端分別通過緊固螺母6固定在大液壓缸體IA和大活塞3的安裝孔；大活塞3與壓縮型小活塞4A的有效面積比為5?15 ;壓縮型小液壓缸體7A和大液壓缸體IA上各有一油孔與聯(lián)接管件8裝配，實現(xiàn)緩沖液壓缸與耗能液壓缸的聯(lián)通。工作時，在外界沖擊作用下，緩沖液壓缸的壓縮型小活塞4A和壓縮型小液壓缸體7A發(fā)生相對位移，部分液壓油通過聯(lián)接管件8壓入耗能液壓缸，導(dǎo)致大活塞3和大液壓缸體IA發(fā)生相對位移，形狀記憶合金拉桿5被拉伸，實現(xiàn)緩沖、耗能作用；外界沖擊結(jié)束以后，形狀記憶合金拉桿5恢復(fù)原狀，帶動大活塞3和大液壓缸體IA回復(fù)到原來位置，部分液壓油通過聯(lián)接管件8重新流入緩沖液壓缸，促使壓縮型小活塞4A和壓縮型小液壓缸體7A也恢復(fù)到初始位置。
[0026]所述分離式緩沖裝置的緩沖液壓缸，根據(jù)小活塞和小液壓缸油孔的相對位置，可以是壓縮型的，如圖3所示，即在壓縮型小活塞4A和壓縮型小液壓缸體7A相對壓縮時將液壓油排出，壓入耗能液壓缸；也可以是拉伸型，如圖4所示，即在拉伸型小活塞4B和拉伸型小液壓缸體7B相對拉伸時將液壓油排出，壓入耗能液壓缸；還可以是壓縮型和拉伸型串聯(lián)，構(gòu)成拉壓型，如圖5所示，拉壓型小液壓缸體7C有兩個缸室，分別裝配壓縮型小活塞4A和拉伸型小活塞4B，兩個液壓油出口，通過轉(zhuǎn)接管9共用一個出口與聯(lián)接管件8接口，當(dāng)壓縮型小活塞4A、拉伸型小活塞4B相對初始位置有任何移動時，液壓油2通過聯(lián)接管件8壓入耗能液壓缸，起到緩沖耗能的作用。
[0027]本發(fā)明的另一種改造后的實施例，智能型形狀記憶合金液壓緩沖裝置，如圖6。在圖1所示的基本型的實施例的基礎(chǔ)上增加了一些部件，具體的改動包括:在液壓缸體I上安裝速度探測器101，用來檢測外界沖擊物102的速度，以此判定沖擊正在發(fā)生或者已經(jīng)結(jié)束。使用常溫下處于形狀記憶狀態(tài)的拉桿5，在拉桿5上貼應(yīng)變片103，并包裹加熱電阻104，加熱電阻104與加熱電源106形成回路。速度探測器101和應(yīng)變片103的信號輸入到控制器105，根據(jù)預(yù)定算法輸出對加熱電源106的控制信號，通過加熱電阻104的工作實施對拉桿5的溫度控制。
[0028]本改進(jìn)后的實施例中涉及到的具體控制算法為:等待狀態(tài)下，形狀記憶合金拉桿5保持為形狀記憶狀態(tài)，當(dāng)速度探測器101檢測到?jīng)_擊發(fā)生，并判定沖擊已經(jīng)結(jié)束，若應(yīng)變片103檢測到殘余變形，則控制器105啟動加熱電源106，加熱電阻104開始工作，直到形狀記憶合金拉桿5的變形恢復(fù)，系統(tǒng)恢復(fù)為等待狀態(tài)。
[0029]總之，本發(fā)明通過形狀記憶合金桿與液壓裝置的結(jié)合，一方面緩沖行程大，另一方面形狀記憶合金桿應(yīng)力狀態(tài)簡單、均勻，相變利用率高，能量耗散大。緩沖過程作用力穩(wěn)定，可及時復(fù)位，可連續(xù)重復(fù)使用，適用于軍用、民用的重要裝備的緩沖保護(hù)。
[0030]本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
[0031]顯然，本發(fā)明的上述實施例僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。
【權(quán)利要求】
1.一種使用形狀記憶合金的液壓緩沖裝置，其特征在于:所述裝置包括液壓缸體，大活塞、小柱塞、形狀記憶合金拉桿、緊固螺母；液壓缸體一端有一面積較小的密封孔，與小柱塞配合，在這一端的周圍還有對稱分布的安裝孔，另一端有一面積較大的密封孔，與大活塞配合，兩個密封孔的面積比為5?15倍；大活塞的一端周圍也有對稱分布的安裝孔，與液壓缸體上的安裝孔對應(yīng)；將整個液壓缸體中的空腔注滿液壓油，形狀記憶合金拉桿兩端分別通過緊固螺母固定在液壓缸體和大活塞的安裝孔。
2.一種分離式形狀記憶合金液壓緩沖裝置，其特征在于:所述裝置由緩沖液壓缸，耗能液壓缸和聯(lián)接管件三個部分構(gòu)成，裝置所有空腔均注滿液壓油；緩沖液壓缸包括小活塞和小液壓缸體，安裝在需要緩沖保護(hù)的位置；耗能液壓缸包括大液壓缸體，大活塞，形狀記憶合金拉桿，緊固螺母，安裝在其它任何方便的位置；大液壓缸體的一端周圍有對稱分布的安裝孔，另一端有一面積較大的密封孔，與大活塞配合；大活塞的一端周圍也有對稱分布的安裝孔，與大液壓缸體上的安裝孔對應(yīng)；形狀記憶合金拉桿兩端分別通過緊固螺母固定在液壓缸體和大活塞的安裝孔；大活塞與小活塞的有效面積比為5?15 ;小液壓缸體和大液壓缸體上各有一油孔與聯(lián)接管件裝配，實現(xiàn)緩沖液壓缸與耗能液壓缸的聯(lián)通；工作時，在外界沖擊作用下，緩沖液壓缸的小活塞和小液壓缸體發(fā)生相對位移，部分液壓油通過聯(lián)接管件壓入耗能液壓缸，導(dǎo)致大活塞和大液壓缸體發(fā)生相對位移，形狀記憶合金拉桿被拉伸，實現(xiàn)緩沖耗能作用；外界沖擊結(jié)束以后，形狀記憶合金拉桿恢復(fù)原狀，帶動大活塞和大液壓缸體回復(fù)到原來位置，部分液壓油通過聯(lián)接管件重新流入緩沖液壓缸，促使小活塞和小液壓缸也恢復(fù)到初始位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液壓緩沖裝置，其特征在于:所述形狀記憶合金拉桿兩端有螺紋，中間平行段直徑小于兩端螺紋段的直徑，平行段與螺紋段之間平滑過渡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液壓緩沖裝置，其特征在于:在權(quán)利要求1所述液壓缸體上，或者在權(quán)利要求2所述的小液壓缸體上，安裝速度探測器，用來檢測外界沖擊的速度，從而判定沖擊正在發(fā)生或者已經(jīng)結(jié)束；使用常溫下處于形狀記憶狀態(tài)的形狀記憶合金拉桿，在形狀記憶合金拉桿上貼應(yīng)變片用于檢測拉桿變形，并包裹加熱電阻；速度探測器和應(yīng)變片的信號輸入到控制器，根據(jù)預(yù)定算法輸出對加熱電路的控制信號；所述預(yù)定算法實現(xiàn)為:等待狀態(tài)下，形狀記憶合金拉桿保持為形狀記憶狀態(tài)，判定沖擊已經(jīng)結(jié)束后，若檢測到形狀記憶合金拉桿有殘余變形，則啟動加熱裝置，直到形狀記憶合金拉桿變形恢復(fù)，系統(tǒng)重新恢復(fù)為等待狀態(tài)。
【文檔編號】F16F9/22GK103867628SQ201410126824
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月29日
【發(fā)明者】張科, 唐志平 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)