一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)，包括加油軟管，該加油軟管內(nèi)密封嵌設(shè)有電變流體和設(shè)在該電變流體相對(duì)兩側(cè)的電極層；還包括傳感單元、控制單元及電流放大單元，該傳感單元設(shè)在所述加油軟管上，該傳感單元電連接所述控制單元的輸入端，該控制單元的輸出端通過所述電流放大單元電連接至所述電極層上。本新型智能加油軟管系統(tǒng)在保持傳統(tǒng)加油軟管優(yōu)點(diǎn)（可實(shí)現(xiàn)多機(jī)同步加油、以由絞盤收放、質(zhì)量輕等）的同時(shí)，通過連續(xù)（可逆）地調(diào)整加油軟管的動(dòng)態(tài)特性，還能夠有效地避免傳統(tǒng)加油軟管在大氣紊流、加油機(jī)和受油機(jī)等外界激勵(lì)的共同作用下發(fā)生共振和顫振現(xiàn)象，從而保障空中加油過程中人機(jī)安全。
【專利說明】一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及智能材料領(lǐng)域的技術(shù)，尤其是指把智能材料(電變流體)嵌入空中加油機(jī)加油軟管中形成的一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]自上個(gè)世紀(jì)80年代以來，以智能材料與智能結(jié)構(gòu)為代表的高效、高精度系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)，因其具有可控、體積小、承載力大、聞效率、聞精度等優(yōu)良特性，而得到了人們的聞度重視，在航空航天、能源、交通、醫(yī)療、建筑及國防等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，形成了一個(gè)集控制、材料、力學(xué)和物理等多學(xué)科交叉的新型研究領(lǐng)域。此研究方向已被列入國家發(fā)展規(guī)劃中重點(diǎn)發(fā)展的方向之一，體現(xiàn)了 國防和國民經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)烈需求。
[0003]工程中常見的智能材料有壓電陶瓷、超磁(電)致伸縮材料、形狀記憶合金及磁(電)變流體等。上世紀(jì)40年代末，Winslow (1947)首先提出了電變流體Elect-Rheological (ER)Fluid的概念以及電變流體阻尼器(1949)的設(shè)計(jì)理念。所謂電變流體就是將微米級(jí)別的導(dǎo)電顆粒隨機(jī)分散于非導(dǎo)電液體溶液中，從而形成懸浮液(電變流體)。電變流體在無外加電場下體現(xiàn)出典型的流體特性；在外加電場的作用下，隨機(jī)分布的導(dǎo)電微粒會(huì)迅速地(毫秒級(jí))被極化并重新排列而使電變流體的粘度在極短時(shí)間內(nèi)迅速增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，從而表現(xiàn)出固體特性；去掉電場后，導(dǎo)電材料又會(huì)恢復(fù)隨機(jī)分布的狀態(tài)，而使電變流體恢復(fù)液體的特性。
[0004]電變流體具有剪切和擠壓強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)、響應(yīng)快速和可逆轉(zhuǎn)變的奇特性質(zhì)，是獨(dú)一無二的軟硬程度可調(diào)節(jié)的智能材料。根據(jù)其不同的工作模式(剪切，擠壓，流動(dòng))，可用于離合器、阻尼系統(tǒng)、減震器、制動(dòng)系統(tǒng)、無級(jí)變速、液體閥門、機(jī)電耦合控制、機(jī)器人等，在幾乎所有的工業(yè)和【技術(shù)領(lǐng)域】均有廣泛應(yīng)用。利用電變流體的擠壓工作模式，將其嵌入結(jié)構(gòu)中，通過調(diào)整電場改變電變流體剛性與阻尼特性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)在不同載荷狀況下對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制，尤其在極端載荷狀況下，例如共振與顫振。
[0005]1923年8月27日第一架代號(hào)為DH-4B的空中加油機(jī)被載入航空史冊以來，隨著加油機(jī)的發(fā)展，目前加油的方式可分為軟管加油和硬管加油。相較于軟管加油，硬管空中加油系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是輸油能力高；而其主要缺點(diǎn)是同時(shí)只能對(duì)一架飛機(jī)加油。軟管加油的軟管可有由絞盤控制放出和回收，它可對(duì)多架飛機(jī)同時(shí)輸油，這樣就大大降低了編隊(duì)飛機(jī)加油的時(shí)間。因而軟管加油方式是空中加油機(jī)發(fā)展的主流。
[0006]軟管式空中加油系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與應(yīng)用過程中需突破與解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題就是軟管本身對(duì)大氣紊流相當(dāng)敏感，輸油管會(huì)在空中飄動(dòng)。在受油機(jī)、加油機(jī)與大氣環(huán)境的作用下，加油軟管極易產(chǎn)生共振與顫振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故。這也是制約軟管式空中加油系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。西方國家在此領(lǐng)域的研究開展得較早，也有相應(yīng)的解決方案，例如對(duì)空中加油時(shí)的大氣環(huán)境建立嚴(yán)格的監(jiān)測與設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于軟式繩索系統(tǒng)(軟式加油管)本身的動(dòng)力學(xué)模型目前仍然不明確，而其西方國家在該領(lǐng)領(lǐng)域?qū)ξ覈M(jìn)行嚴(yán)密的技術(shù)封鎖，制約著我們國家在該領(lǐng)域的發(fā)展。而該領(lǐng)域的研究對(duì)國家安全有著重要的意義！
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]有鑒于此，針對(duì)我國加油軟管所面對(duì)的瓶頸，本實(shí)用新型提出一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)，解決加油軟管對(duì)空中大氣紊流較敏感問題，有效地避免傳統(tǒng)加油軟管在大氣紊流及加油與受油機(jī)等外界因素共同激勵(lì)下所產(chǎn)生共振和顫振的現(xiàn)象。
[0008]為了達(dá)成上述目的，本實(shí)用新型的解決方案是:
[0009]一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)，包括加油軟管，該加油軟管內(nèi)密封嵌設(shè)有電變流體和設(shè)在該電變流體相對(duì)兩側(cè)的電極層；還包括傳感單元、控制單元及電流放大單元，該傳感單元設(shè)在所述加油軟管上，該傳感單元電連接所述控制單元的輸入端，該控制單元的輸出端通過所述電流放大單元電連接至所述電極層上。
[0010]所述電變流體嵌于所述加油軟管的位置為該加油軟管振動(dòng)模式下的對(duì)應(yīng)波腹點(diǎn)的位置。
[0011]所述加油軟管內(nèi)還嵌設(shè)有防靜電層，該防靜電層設(shè)在所述電極層的外側(cè)位置。
[0012]所述加油軟管內(nèi)還嵌設(shè)有密封包圍所述電變流體和電極層的封嚴(yán)層。
[0013]所述加油軟管內(nèi)還嵌設(shè)有防靜電層，該防靜電層隔設(shè)在所述封嚴(yán)層和電極層之間。
[0014]所述傳感單元采用壓電陶瓷片，該壓電陶瓷片表貼在所述加油軟管上。
[0015]所述電極層設(shè)在所述電變流體對(duì)應(yīng)沿所述加油軟管壁厚方向上的內(nèi)外相對(duì)兩側(cè)位置。
[0016]所述電極層采用鋁膜材料制成。
[0017]本實(shí)用新型是根據(jù)智能材料(電變流體)所具有的擠壓強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)、響應(yīng)迅速且可逆轉(zhuǎn)變的物理特性，創(chuàng)新地提出一種基于該智能材料實(shí)現(xiàn)可快速連續(xù)(可逆)改變空中加油軟管動(dòng)態(tài)特性的智能加油軟管系統(tǒng)，該智能加油軟管系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)探測加油軟管工作狀態(tài)，并可根據(jù)需要迅速調(diào)整加油軟管固有頻率。由此本新型智能加油軟管系統(tǒng)在保持傳統(tǒng)加油軟管優(yōu)點(diǎn)(可實(shí)現(xiàn)多機(jī)同步加油、可由絞盤收放、質(zhì)量輕等)的同時(shí)，通過連續(xù)(可逆)地調(diào)整加油軟管的動(dòng)態(tài)特性，還能夠有效地避免傳統(tǒng)加油軟管在大氣紊流、加油機(jī)和受油機(jī)等外界激勵(lì)的共同作用下發(fā)生共振和顫振現(xiàn)象，從而保障空中加油過程中人機(jī)安全。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1本新型智能加油軟管系統(tǒng)的加油軟管和傳感單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是本圖1中A-A的剖視圖；
[0020]圖3是本新型加油軟管系統(tǒng)的工作原理簡圖。
[0021]標(biāo)號(hào)說明
[0022]加油軟管I 電變流體2
[0023]電極層3 防靜電層4
[0024]封嚴(yán)層5 傳感單元6
[0025]控制單元7 電流放大單元 8【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本案作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0027]為了解決傳統(tǒng)加油軟管在設(shè)計(jì)與使用過程中的難點(diǎn)(也是關(guān)鍵點(diǎn)):解決加油軟管對(duì)大氣紊流較敏感的問題，尤其是在極端情況下的共振與顫振問題，本新型提出一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)，如圖1-3所示，主要包括加油軟管1、電變流體2、電極層3、傳感單元6、控制單元7及電流放大單元8。
[0028]所述加油軟管I其作為系統(tǒng)的基本載體，采用普通加油軟管。電變流體2和電極層3密封嵌于加油軟管I內(nèi)，嵌入方式可以采用點(diǎn)嵌入式、網(wǎng)狀嵌入式、條形嵌入式，等等。電變流體2嵌于加油軟管I內(nèi)的位置不受限制，為了充分發(fā)揮電變流體2改變加油軟管I的固有頻率的作用，優(yōu)選地，電變流體2嵌于加油軟管I內(nèi)的位置為加油軟管I振動(dòng)模式下的對(duì)應(yīng)波腹點(diǎn)的位置。電極層3設(shè)在電變流體2的相對(duì)兩側(cè)位置，較佳地設(shè)在電變流體2對(duì)應(yīng)沿加油軟管I壁厚方向上的內(nèi)外相對(duì)兩側(cè)位置，由此通過電極層3間的電場強(qiáng)度的變化，來改變電變流體2的物理特性。電極層3優(yōu)選輕質(zhì)導(dǎo)電材料，比如采用鋁膜材料制成。
[0029]所述傳感單元6設(shè)在加油軟管I上，用于實(shí)時(shí)對(duì)加油軟管I的拉伸應(yīng)力等進(jìn)行檢查，以探測加油軟管I在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布(區(qū)域)。優(yōu)選地，該傳感單元6采用壓電陶瓷應(yīng)力傳感器(壓電陶瓷片)，該壓電陶瓷片表貼在加油軟管I上?？刂茊卧?和電流放大單元8可以和加油軟管I分離設(shè)置，傳感單元6電連接控制單元7的輸入端，控制單元7的輸出端通過電流放大單元8電連接至電極層3上?？刂茊卧?是整個(gè)加油軟管系統(tǒng)的控制中心，其通過傳感單元6反饋的應(yīng)力信號(hào)判斷加油軟管I的工作狀態(tài)，再?zèng)Q定電流放大單元8輸出電流的大小和方向。電流放大單元8 (電流放大器)是為電極層3提供電流，電極層3間的電場強(qiáng)度通過電流放大單元8實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電變流體2的極化程度的目的。
[0030]如圖3所示，加油軟管在工作時(shí)，對(duì)電極層3施加一初始電流(比如“O”值電流，可為根據(jù)需要調(diào)整)。加油軟管I工作過程中，受到大氣紊流、加油機(jī)和受油機(jī)等外界條件的激勵(lì)而發(fā)生振動(dòng)。表貼在加油軟管I管壁的壓電陶瓷應(yīng)力傳感器對(duì)管壁的拉伸應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并反饋給控制單元7。當(dāng)控制單元7探測到加油軟管I的激振頻率過于接近軟管自身固有頻率(軟管有產(chǎn)生共振與顫振的風(fēng)險(xiǎn))時(shí)，通過電流放大單元8改變電極層3的通電電流(包括改變通電電流的大小和方向)。電極層3中電場強(qiáng)度隨之改變，電變流體2中的導(dǎo)電顆粒的極化程度同時(shí)發(fā)生變化，從而改變電變流體2的物理特性，最終使加油軟管I動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生變化(固有頻率發(fā)生偏移)，從而達(dá)到避免發(fā)生共振和顫振現(xiàn)象的目的。
[0031]優(yōu)選地，加油軟管I內(nèi)還嵌設(shè)有防靜電層4，該防靜電層4設(shè)在電極層3的外側(cè)位置，以起防靜電作用。較佳地防靜電層4采用包圍方式設(shè)在電極層3的外側(cè)。
[0032]優(yōu)選地，加油軟管I內(nèi)還嵌設(shè)有密封包圍電變流體2和電極層3的封嚴(yán)層5，具體的該封嚴(yán)層5采用硅膠對(duì)供電變流體2的嵌入腔室進(jìn)行密封。進(jìn)一步加油軟管I內(nèi)還嵌設(shè)有防靜電層4，該防靜電層4隔設(shè)在封嚴(yán)層5和電極層3之間，較佳的采用包圍方式隔設(shè)在封嚴(yán)層5和電極層3之間。
[0033]以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)范圍作任何限制，本實(shí)施例只對(duì)嵌入電變流體的一個(gè)腔室進(jìn)行詳細(xì)描述，意在說明該實(shí)用新型的想法和工作原理，對(duì)智能材料電變流體嵌入形式未作任何限制，故凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作任何細(xì)微修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)，其特征在于:包括加油軟管，該加油軟管內(nèi)密封嵌設(shè)有電變流體和設(shè)在該電變流體相對(duì)兩側(cè)的電極層；還包括傳感單元、控制單元及電流放大單元，該傳感單元設(shè)在所述加油軟管上，該傳感單元電連接所述控制單元的輸入端，該控制單元的輸出端通過所述電流放大單元電連接至所述電極層上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)，其特征在于:所述電變流體嵌于所述加油軟管的位置為該加油軟管振動(dòng)模式下的對(duì)應(yīng)波腹點(diǎn)的位置。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)，其特征在于:所述加油軟管內(nèi)還嵌設(shè)有防靜電層，該防靜電層設(shè)在所述電極層的外側(cè)位置。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)，其特征在于:所述加油軟管內(nèi)還嵌設(shè)有密封包圍所述電變流體和電極層的封嚴(yán)層。
5.如權(quán)利要求4所述的一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)，其特征在于:所述加油軟管內(nèi)還嵌設(shè)有防靜電層，該防靜電層隔設(shè)在所述封嚴(yán)層和電極層之間。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)，其特征在于:所述傳感單元采用壓電陶瓷片，該壓電陶瓷片表貼在所述加油軟管上。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)，其特征在于:所述電極層設(shè)在所述電變流體對(duì)應(yīng)沿所述加油軟管壁厚方向上的內(nèi)外相對(duì)兩側(cè)位置。
8.如權(quán)利要求1所述的一種基于智能材料的嵌入式智能加油軟管系統(tǒng)，其特征在于:所述電極層采用鋁膜材料制成。
【文檔編號(hào)】F16L11/00GK203743656SQ201420112998
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】楊帆, 陳天柱, 林添良, 夏明博, 楊磊 申請人:華僑大學(xué)