专利名称：一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及螺旋式调压液压领域，特别是一种适用于大功率径向复合压电超声振动系统中施加均勻径向扩张预应力的棒形超声复合压电换能器的液压加压装置。
背景技术：
在复合压电超声换能器相关技术中，对复合型压电超声换能器系统的压电陶瓷元件施加足够大均勻预压应力是一种非常关键的技术。压电陶瓷是一种脆性材料，其抗张强度差，而抗压强度较大，对其施加足够大的预压应力能大幅提高其机械功率极限，从而能成倍提高压电陶瓷的功率密度和功率容量。目前超声加工等工程应用领域使用很广的大功率纵向复合夹心式压电超声换能器(纵向复合棒)是通过高强度螺栓与前后金属盖板对压电陶瓷堆施加足够大预压应力，其功率容量一般可提高2至3倍，并能显著改善和提高压电换能器的机械Q值及机电转换效率等性能指标。近年来随着功率超声在液体处理技术领域的发展，一类辐射面积大、辐射效率高以及径向辐射均勻的管形或棒形超声换能器发展起来，并已在超声清洗、降解及污水处理等环保产业领域的应用越来越广，并显示出强大的生命力和应用前景。然而对径向复合压电超声振动系统中的圆管形(或环形)压电陶瓷元件施加径向预压应力远比纵向复合振动系统复杂，一直未有令人满意的解决办法，目前最常用的方法是采用热胀冷缩法来进行装配，但这种方法往往使预应力大小及均勻性难以控制，并且需要很高的材料成型及加工工艺。这是目前制约这类径向复合压电超声换能器功率容量及性能进一步提高的“瓶颈”。得以解决，将使这类径向复合压电超声换能器在超声工程，特别是液体超声处理等节能环保领域的应用获得突破。现有技术中，专利号为ZL 200520075667. 4，名称为“大功率超声换能器”的实用新型专利，采用多级带有金属预应力外壳的短圆管压电换能器单元沿轴向机械串接而成，这种换能器径向辐射比较均勻，但有以下不足(1)、金属预应力外壳对其内部的压电陶瓷圆管只施加了由外向内的单向径向预应力，压电陶瓷管内部为空气或充油。鉴于压电陶瓷管的径向抗压强度较低，因此不能对其施加太大的径向预压应力，否则压电陶瓷管会破碎。由于不能对压电圆管施加足够大的结构预应力，该换能器的功率容量受到限制，功率密度较小。O)、该换能器的金属外壳为双层结构，层中间充油。依据声波的界面反射与透射理论，声波在通过金属和油这两种声学特性阻抗差异很大的夹层时会引起较大的声能传播损失，从而使换能器的声辐射效率降低。申请人:本人在2009年9月10日提交了一份《一种大功率复合超声管》的发明专利，申请号为200910102269. X，并在2010年2月17日予以公开。申请人认为该专利已经解决了现有技术中所涉及的关键技术问题。但在实际使用中，我们发现还是存在一些使用上的不便。比如对该复合超声管内部的压电陶瓷元件施加径向预应力是通过调节其内部反向螺纹管协同锥形螺母与弧形金属衬条来实现的。在加压过程中由于锥形螺母与弧形金属衬条之间有较大轴向摩擦力，要使内部的扩张式预应力机构对压电陶瓷单元产生较大而均勻的径向扩张预应力，加压过程相当费时费力。一旦在装配实施过程中施力调节不均勻，会对换能器系统的整体性能产生较大影响。因此，我们需要对此结构进行改进，以克服其缺点。
实用新型内容本实用新型要解决的问题是提供一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置， 该装置包括采用液压加压的方式为一类径向复合型压电超声振动系统提供径向预应力的内部液压扩张机构。通过这样的结构本实用新型与现有技术相比不但使用更方便，而且产生的径向预应力更均勻。为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案为一种大功率径向复合超声管，包括金属圆管外套，其内部含有若干段柱面压电陶瓷片环组，柱面压电陶瓷片环组内部设有金属薄壁液压管，所述金属薄壁液压管一端设有通过压紧环固定在金属薄壁液压管底部的护套，金属薄壁液压管内部穿过均勻分布的固定螺杆，压紧环通过固定螺杆与金属薄壁液压管另一端的封盖相连接，固定螺杆通过封盖螺母固定在封盖上，所述封盖的中央通过螺钉固定有螺杆座，螺杆座内设螺纹，液压加压螺杆穿过封盖中央的螺杆座通入金属薄壁液压管内，螺杆座和液压加压螺杆之间套设有密封圈。优选的，固定螺杆的数量至少为3根，并对称地平行分布在金属薄壁液压管中。所述固定螺杆能轴向均勻压紧金属薄壁液压管，起轴向箝制作用，以确保加压后金属薄壁液压管能产生有效的径向扩张变形量，而减少金属薄壁液压管的轴向变形量。优选的，所述护套和封盖螺母靠近柱面压电陶瓷片环组一侧设有斜面，并和柱面压电陶瓷片环组之间留有间隙。这样的结构避免护套或封盖螺母使柱面压电陶瓷片环组的内外柱面电极短路。优选的，所述每段柱面压电陶瓷片环组由若干个几何参数和性能一致的柱面压电陶瓷片单元沿圆周方向排列成环形，所述每段柱面压电陶瓷片环组中的相邻两个柱面压电陶瓷片单元之间设有绝缘隔振薄片，并用环氧树脂与两边的柱面压电陶瓷片单元粘接在一起，所述每个柱面压电陶瓷片单元均为厚度极化，其内柱面披银为正电极，外柱面披银为负电极，每个柱面压电陶瓷环组内的各柱面压电陶瓷片单元之间为电并联，若干段柱面压电陶瓷片环组沿轴向嵌入金属圆管外套内，金属圆管外套内径与其内部的柱面压电陶瓷片环组外径相一致，以实现紧密配合。每个柱面压电陶瓷片环组由多个柱面压电陶瓷片单元组合而成。这样的结构下，比单一压电陶瓷圆管能承受更大的径向形变量及预应力而不破碎优选的，所述柱面压电陶瓷片环组内包含至少3条柱面压电陶瓷片单元。3条柱面压电陶瓷片单元是实现均勻分散柱面压电陶瓷片单元内部受力的最小必要数量。优选的，所述柱面压电陶瓷片环组内包含8条柱面压电陶瓷片单元。本实用新型实施的柱面压电陶瓷环组内包含有8条柱面压电陶瓷片单元作为被加压的对象，8条柱面压电陶瓷片单元能均勻分散柱面压电陶瓷片单元内部受力，保证受力均勻，有利于延长产品寿命。优选的，相邻两组柱面压电陶瓷片环组之间设有绝缘隔振圈。绝缘隔振圈对相邻两组柱面压电陶瓷片环组之间起到纵向去耦隔振的作用。优选的，所述金属圆管外套，其外表面沿金属圆管外套轴向加工有若干等间隔环状梯形凹槽，所述梯形凹槽底部较窄，相邻两凹槽之间的凸起部分纵剖面呈截锥形。所述截锥形凸起顶部较窄，起放大超声波振幅和聚能作用，同时能改善近场辐射声场分布的均勻性，有效消除现有技术中的近场声辐射盲区，使得产品工作效能大幅提高。优选的，所述金属薄壁液压管内部充有液压油或其他变压器油以及非可燃性油。 其外径与柱面压电陶瓷片环组内径一致，未加压时两者之间为零间隙配合。优选的，所述金属圆管外套一端为球冠形，另一端通过外圈封盖旋紧在密封圈内。 球冠形顶端的金属圆管外套通过自身结构能起到减小径向钳制的效果，同时也非常美观。 而外圈封盖旋紧在密封圈内起密封效果，而且通过打开外圈封盖能方便转动液压加压螺杆以调整薄壁内管内的压力。上述技术方案的液压式超声复合棒优点在于采用金属薄壁液压管充满液压油的结构，通过旋转液压加压螺杆调整薄壁液压管内的压力，并协同外部金属圆管外套对夹层中的压电陶瓷片环组施加内外双向的径向预压应力，这样的这样不但操作轻松方便，而且使得加压十分均勻，压电陶瓷片环组在工作过程中不易损坏，延长了产品的整体使用寿命。
以下结合附图对本实用新型作进一步说明
图1为本实用新型一种大功率径向复合超声管和液压加压装置的整体结构图。图2为本实用新型一种大功率径向复合超声管和液压加压装置的横剖示意图。图3为本实用新型一种大功率径向复合超声管的柱面压电陶瓷片环组的整体结构图。
具体实施方式
如图1、图2以及图3所示，一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，包括金属圆管外套9，其内部含有若干段柱面压电陶瓷片环组8，柱面压电陶瓷片环组8内部设有金属薄壁液压管10，未加压时两者之间为零间隙配合。所述金属薄壁液压管10—端设有通过压紧环14固定在金属薄壁液压管10底部的护套11，压紧环14通过均勻分布的固定螺杆12与另一端的封盖4相连接，固定螺杆12通过封盖螺母5固定在封盖4上，所述封盖4 的中央通过螺钉3固定有螺杆座2，螺杆座2内设螺纹，液压加压螺杆1穿过封盖4中央的螺杆座2通入金属薄壁液压管10内，螺杆座2和液压加压螺杆1之间套有高压密封圈6。 固定螺杆12的数量至少为3根，并均勻地平行分布在金属薄壁液压管10中。所述护套11 和封盖螺母5靠近柱面压电陶瓷片环组8 一侧设有斜面，并和柱面压电陶瓷片环组8之间留有间隙。所述每段柱面压电陶瓷片环组8由若干个几何参数和性能一致的柱面压电陶瓷片单元81沿圆周方向排列成环形，所述每段柱面压电陶瓷片环组8中的相邻两个柱面压电陶瓷片单元81之间设有绝缘隔振薄片82，并用环氧树脂粘接在一起，所述每个柱面压电陶瓷片单元81均为厚度极化，其内柱面披银为正电极，外柱面披银为负电极，每个柱面压电陶瓷片环组8内的各柱面压电陶瓷片单元81之间为电并联，若干段柱面压电陶瓷片环组8 沿轴向嵌入金属圆管外套9内，金属圆管外套9内柱面半径与其内部的各柱面压电陶瓷片环组8外半径相一致，以实现紧密配合。所述柱面压电陶瓷片环组8内包含至少3条柱面压电陶瓷片单元81。相邻两组柱面压电陶瓷片环组8之间设有绝缘隔振圈15。所述金属圆管外套9，其外表面沿金属圆管外套9轴向加工有若干等间隔环状梯形凹槽。所述金属薄壁液压管10内部充有非可燃性油，非可燃性油为液压油或其他变压器油，也可以是蓖麻油。所述金属圆管外套9 一端为球冠形，另一端通过外圈封盖19旋紧在密封圈20内起密封效果。本实用新型的具体实施方式
还是和申请人在先申请的《一种大功率复合超声管》 的实用新型专利基本类似。只是将金属薄壁液压管10和液压加压螺杆1的组合结构代替了原有技术中的预应力扩张结构，使得产生的压力更加均勻，同时减少了工作过程中内部的摩擦，提高了加压的精度和加压的效率。使用时只要旋开金属圆管外套9上的外圈封盖 19就能直接对液压加压螺杆1进行调节。而且对液压加压螺杆1的调节几乎通过手动即可实现，阻力非常小。液压加压螺杆1不断旋进金属薄壁液压管10内能对金属薄壁液压管10 的管壁上产生十分均勻的扩张力。金属薄壁液压管10—端的压紧环14通过均勻分布的固定螺杆12与另一端的封盖4相连接，固定螺杆12通过封盖螺母5固定在封盖4上，这样就能确保了加压后金属薄壁液压管10能产生有效的径向变形量，而减少金属薄壁液压管10 的轴向变形量。金属薄壁液压管10与金属圆管外套一起对柱面压电陶瓷片环组8产生足够大径向预压应力，从而大幅提高了压电陶瓷片的机械功率极限，并成倍提高其功率容量。 柱面压电陶瓷片环组8的结构也进行了改进，由若干个几何参数和性能一致的柱面压电陶瓷片单元81沿圆周方向排列成环形，所述每段柱面压电陶瓷片环组8中的相邻两个柱面压电陶瓷片单元81之间设有绝缘隔振薄片82，并用环氧树脂粘接在一起，所述每个柱面压电陶瓷片81均为厚度极化，其内柱面披银为正电极，外柱面披银为负电极，每个柱面压电陶瓷片环组8内的各柱面压电陶瓷片单元81之间为电并联，若干段柱面压电陶瓷片环组8沿轴向嵌入金属圆管外套9内，金属圆管外套9内柱面半径与其内部的各柱面压电陶瓷片环组8外半径相一致，以实现紧密配合。这样不但配合紧密，而且在工作过程中受力也更为均勻，更有利于声能在管壁中的径向传播。这样的这样不但操作轻松方便，而且使得加压十分均勻，压电陶瓷片环组在工作过程中不易损坏，延长了产品的整体使用寿命。所述金属圆管外套9，其外表面沿金属圆管外套9轴向加工有若干等间隔环状梯形凹槽，所述梯形凹槽底部较窄，相邻两凹槽之间的凸起部分纵剖面呈截锥形。所述截锥形凸起顶部较窄，有振幅放大和聚能作用。其两边斜侧面产生的超声波辐射能覆盖到靠近金属圆管外套9的近场，解决了现有技术中超声波发射存在盲区的问题。
权利要求1.一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，包括金属圆管外套(9)，其内部含有若干段柱面压电陶瓷片环组(8)，其特征在于柱面压电陶瓷片环组(8)内部设有金属薄壁液压管(10)，所述金属薄壁液压管(10) —端设有通过压紧环(14)固定在金属薄壁液压管(10)底部的护套(11)，金属薄壁液压管(10)内部穿过均勻分布的固定螺杆(12)，压紧环(14)通过固定螺杆(1 与金属薄壁液压管(10)另一端的封盖(4)相连接，固定螺杆 (12)通过封盖螺母(5)固定在封盖(4)上，所述封盖(4)的中央通过螺钉(3)固定有螺杆座O)，螺杆座O)内设螺纹，液压加压螺杆(1)穿过封盖⑷中央的螺杆座⑵通入金属薄壁液压管(10)内，螺杆座( 和液压加压螺杆(1)之间套有密封圈(6)。
2.如权利要求1所述的一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，其特征在于 固定螺杆(1 的数量至少为3根，并均勻地平行分布在金属薄壁液压管(10)中。
3.如权利要求1所述的一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，其特征在于 所述护套(11)和封盖螺母( 靠近柱面压电陶瓷片环组(8) —侧设有斜面，并和柱面压电陶瓷片环组(8)之间留有间隙。
4.如权利要求1所述的一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，其特征在于 所述每段柱面压电陶瓷片环组(8)由若干个柱面压电陶瓷片单元(81)沿圆周方向排列成环形，所述每段柱面压电陶瓷片环组(8)中的相邻两个柱面压电陶瓷片单元(81)之间设有绝缘隔振薄片(82)，并用环氧树脂粘接在一起，所述每个柱面压电陶瓷片单元(81)均厚度极化，其内柱面披银为正电极，外柱面披银为负电极，每个柱面压电陶瓷片环组(8)内的各柱面压电陶瓷片单元(81)之间为电并联，若干段柱面压电陶瓷片环组(8)沿轴向嵌入金属圆管外套(9)内，金属圆管外套(9)内柱面半径与其内部的各柱面压电陶瓷片环组⑶ 外半径相一致，以实现紧密配合。
5.如权利要求1所述的一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，其特征在于 所述柱面压电陶瓷片环组(8)内包含至少3条柱面压电陶瓷片单元(81)。
6.如权利要求5所述的一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，其特征在于 所述柱面压电陶瓷片环组(8)内包含8条柱面压电陶瓷片单元(81)。
7.如权利要求4-6其中任一所述的一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，其特征在于相邻两组柱面压电陶瓷片环组(8)之间设有绝缘隔振圈(15)。
8.如权利要求1所述的一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，其特征在于 所述金属圆管外套(9)外表面沿轴向加工有若干等间隔环状梯形凹槽，所述梯形凹槽底部较窄，相邻两凹槽之间的凸起部分纵剖面呈截锥形。
9.如权利要求1所述的一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，其特征在于 所述金属薄壁液压管(10)内部充有非可燃性油。
10.如权利要求9所述的一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，其特征在于 所述非可燃性油为液压油。
11.如权利要求1所述的一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，其特征在于 所述金属圆管外套(9) 一端为球冠形，另一端通过外圈封盖(19)旋紧在密封圈00)内起密封效果。
专利摘要本实用新型要解决的问题是提供一种棒形超声复合压电换能器的液压加压装置，该装置包括采用液压加压的方式为一类径向复合型压电超声振动系统提供径向预应力的内部液压扩张机构。为解决上述技术问题，本实用新型采用金属薄壁液压管充满液压油的结构，通过旋转液压加压螺杆调整密闭的薄壁液压管内的压力，并协同外部金属圆管外套对夹层中的压电陶瓷片环组施加内外双向的径向预压应力。通过这样的结构本实用新型与现有技术相比不但使用更方便，而且产生的径向预应力更均匀。压电陶瓷片环组在工作过程中不易损坏，延长了产品的整体使用寿命。
文档编号B06B1/06GK202162135SQ201020627820
公开日2012年3月14日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者刘世清, 刘凡, 徐方迁, 徐洪, 苏超 申请人:浙江师范大学