3D打印的錐管坡面腔底無(wú)閥壓電泵*

張蕊華,　張建輝,　朱銀法,　李培遠(yuǎn)

(1.麗水學(xué)院工程與設(shè)計(jì)學(xué)院　麗水，323000) (2.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　南京，210016)

?

3D打印的錐管坡面腔底無(wú)閥壓電泵*

張蕊華1,張建輝2,朱銀法1,李培遠(yuǎn)1

(1.麗水學(xué)院工程與設(shè)計(jì)學(xué)院麗水，323000) (2.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京，210016)

摘要為提高無(wú)閥壓電泵的流量特性和解決泵加工工藝性差的問(wèn)題，研制出了錐形流管坡面腔底無(wú)閥泵。首先，提出并設(shè)計(jì)了錐形流管坡面腔底無(wú)閥泵，分析了該泵的工作原理；然后，利用ansys軟件對(duì)泵腔內(nèi)流場(chǎng)做了模擬分析，分析結(jié)果表明該泵具有傳輸流體的能力；最后，利用3D打印技術(shù)制作了錐形流管坡面腔底無(wú)閥泵，并對(duì)泵的頻率-流量特性進(jìn)行了試驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)頻率為8 Hz時(shí)，錐形流管坡面腔底無(wú)閥泵的流量達(dá)到最大值26.8 ml/min，比相同尺寸坡面腔底無(wú)閥壓電泵在相同驅(qū)動(dòng)電壓條件下輸出的最大流量增加了18.6%。試驗(yàn)結(jié)果表明，錐形流管坡面腔底無(wú)閥泵的流量特性優(yōu)于坡面腔底無(wú)閥壓電泵，且采用3D打印技術(shù)制作壓電泵，提高了泵加工的工藝性，縮短了加工周期，降低了加工成本。

關(guān)鍵詞無(wú)閥壓電泵; 錐管; 坡面腔底; 流量; 3D打印

引言

無(wú)閥壓電泵是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，其動(dòng)力源依靠壓電振子在交變電壓作用下產(chǎn)生的交變彎曲振動(dòng)，促使泵腔容積變化，使泵吸入、吐出流體，從而達(dá)到傳輸流體的目的[1]。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易微小型化、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，受到了眾多研究者的關(guān)注。

目前，無(wú)閥壓電泵的結(jié)構(gòu)主要有:錐形流管無(wú)閥壓電泵[1-5]、熱粘性無(wú)閥壓電泵[6]、超聲無(wú)閥壓電泵[7-8]、兩腔和多腔體無(wú)閥壓電泵[9-11]、非對(duì)稱坡面腔底[12]及“Y”形流管等無(wú)閥壓電泵[13]等。其中，非對(duì)稱坡面腔底無(wú)閥壓電泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，將傳統(tǒng)的光滑腔底設(shè)計(jì)成非對(duì)稱坡面形狀，使泵具有傳輸流體能力的同時(shí)，還具有混合攪拌的功能，當(dāng)泵同時(shí)輸送多種液體時(shí)，在泵腔內(nèi)能進(jìn)行充分的混合攪拌。該泵適合于醫(yī)療、化工等領(lǐng)域的液劑配比，應(yīng)用前景廣闊。但是該泵也有流量小、傳輸能力小的不足，不能滿足大流量的應(yīng)用場(chǎng)合。

為了進(jìn)一步提高泵的流量特性，筆者對(duì)傳統(tǒng)非對(duì)稱坡面腔底無(wú)閥壓電泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將坡面腔底和錐形流管(簡(jiǎn)稱錐管)組合在一起(即在泵腔兩端增設(shè)了一對(duì)同向放置的錐形流管)形成一個(gè)新型錐形流管坡面腔底無(wú)閥泵。

3D打印技術(shù)是快速成型領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，它不需要傳統(tǒng)加工手段使用的刀具、夾具以及多道加工工序，利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺(tái)設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，解決了許多過(guò)去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工問(wèn)題，大大縮短了加工周期，而且越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其制造的速度作用越顯著。該技術(shù)一出現(xiàn)就取得了快速的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)、航天技術(shù)、建筑業(yè)、制造業(yè)、考古文物等各個(gè)領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用[14-15]。

筆者研究的新型泵的結(jié)構(gòu)工藝性差，腔底楔塊為坡面，且與腔底和錐管為一體，用傳統(tǒng)加工技術(shù)制造很難實(shí)現(xiàn)，其加工周期很長(zhǎng)、成本很高。而采用3D打印技術(shù)制作體積小的單件、少量的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的新型泵樣機(jī)結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)，很容易實(shí)現(xiàn)，制作時(shí)間短(用時(shí)約100 min)、成本低，易于微小型化。

筆者分析了該新型泵的工作原理，對(duì)其進(jìn)行了流場(chǎng)分析，研制了錐管坡面腔底無(wú)閥壓電泵，并對(duì)泵的流量特性進(jìn)行了試驗(yàn)。

1泵結(jié)構(gòu)與工作原理

錐管坡面腔底無(wú)閥壓電泵的結(jié)構(gòu)主要包括壓電振子、泵體、泵腔、一組非對(duì)稱坡面楔塊、一對(duì)同向布置的方形截面錐管和導(dǎo)管等，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。泵腔內(nèi)非對(duì)稱坡面楔塊和方形截面錐管共同起到了迫使流體單向流動(dòng)的作用，如圖2所示。

圖1　錐管坡面腔底無(wú)閥壓電泵Fig.1　　　　Valveless piezoelectric pump with taper pipe slopes element

圖2　泵體圖Fig.2　Schemes of pump cavity

圖3　壓電振子半周期振動(dòng)的工作示意圖Fig.3　　　　Working schematic of piezoelectric vibrator in a half cycle of vibration

壓電振子在交變電壓作用下產(chǎn)生振動(dòng)，在半個(gè)周期內(nèi)，壓電振子從平衡位置向上運(yùn)動(dòng)時(shí)泵腔內(nèi)容積增大，壓力降低，導(dǎo)管A，B同時(shí)吸入流體。流體流經(jīng)錐管A，B后進(jìn)入泵腔。當(dāng)壓電振子從最高點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)回到平衡位置時(shí)泵腔容積減小，壓力增大，迫使流體通過(guò)錐管A，B同時(shí)從導(dǎo)管A，B排出(見(jiàn)圖3)。壓電振子的振動(dòng)引起泵腔容積周期性變化，迫使泵腔內(nèi)流體吸入和排出的流動(dòng)，因流體從左向右流經(jīng)錐管和坡面楔塊時(shí)的流阻與從右向左流經(jīng)錐管和坡面楔塊時(shí)的流阻不同，從而宏觀上呈現(xiàn)出流體從A端向B端流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了泵的流體傳輸功能。

2泵單向流動(dòng)原理

在泵的每個(gè)吸排程周期內(nèi),錐管和每個(gè)楔塊都要經(jīng)過(guò)一次從左向右流動(dòng)和從右向左流動(dòng)的過(guò)程。以泵腔右端為例，如圖4所示。

圖4　泵腔內(nèi)流體流向示意圖Fig.4　　　　A schematic view of the fluid flow in the pump chamber

當(dāng)泵從A端吸入流體時(shí)，流體首先流過(guò)錐管A(擴(kuò)張管)進(jìn)入泵腔，此時(shí)，由于楔塊坡面角度90°，流體被阻擋后，遂從楔塊兩端與泵腔內(nèi)壁之間的間隙C流入泵腔內(nèi)部。若忽略壁面的摩擦，且間隙C的尺寸足夠大(非狹小縫隙)，流體流過(guò)錐管A(擴(kuò)張管)和m個(gè)間隙C時(shí)總壓強(qiáng)損失ΔPL的表達(dá)式為

(1)

其中：ΔPAK為流體流經(jīng)擴(kuò)張錐管時(shí)的壓強(qiáng)損失；ΔPni(c)為流體流經(jīng)第i個(gè)間隙C時(shí)的壓強(qiáng)損失，i=1,2,…，m。

流體局部壓強(qiáng)損失ΔP的表達(dá)式為

(2)

其中：ρ為流體密度；ν為平均速度；ξ為流阻系數(shù)。

將式(2)帶入式(1)有

(3)

其中：ξAK為流體流經(jīng)擴(kuò)張管時(shí)的流阻系數(shù)；ξni(c)為流體流經(jīng)第i個(gè)間隙時(shí)流阻系數(shù)。

令流體從右向左流入泵腔時(shí)的總流阻系數(shù)為ξL，其表達(dá)式為

(4)

當(dāng)泵從A端排出流體時(shí)，由于楔塊坡面角度α1小于90°，一部分流體能夠從角度α1的楔塊坡面流過(guò)，另一部分流過(guò)間隙C，最后通過(guò)錐管A(收縮管)排出泵體。流體流經(jīng)角度α1的楔塊坡面、m個(gè)間隙C和收縮錐管A時(shí)總的壓強(qiáng)損失ΔPR表示式為

(5)

其中：ΔPAS為流體流經(jīng)收縮錐管A時(shí)的壓強(qiáng)損失；ΔPei(c)為流體上行流經(jīng)第i個(gè)角度α1的楔塊坡面時(shí)的壓強(qiáng)損失，i=1,2,…，m。

同理，將式(2)帶入式(5)整理可得

(6)

其中：ξAS為流體流經(jīng)收縮錐管A時(shí)的流阻系數(shù)；ξei(α1)為流體流經(jīng)第i個(gè)角度α1的楔塊坡面時(shí)的流阻系數(shù)。

令流體從右向左流出泵腔時(shí)的總流阻系數(shù)為ξR，其表達(dá)式為

(7)

壓電泵的流量是流體從同一端吸入和排出流量的差值。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，錐管坡面腔底無(wú)閥壓電泵在半個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的流量可以近似的表達(dá)式為

(8)

其中：f為壓電振子的振動(dòng)頻率；ΔV為振子運(yùn)動(dòng)半周期泵腔容積的變化量。

由式(4)和式(7)聯(lián)立可知

(9)

將式(9)帶入式(8)可得Q≠0，即流體從A端吸入和排出的流量不相等，說(shuō)明泵中的流體產(chǎn)生了單一方向的流動(dòng)，使泵具有了輸送流體的功能。

為了使泵在吸入和排出流體時(shí)的流阻不同，實(shí)現(xiàn)流體的單一方向的流動(dòng)，利用流體流經(jīng)收縮管和擴(kuò)張管的流阻不同的原理，將泵的入口管道設(shè)計(jì)成錐形，并且將一對(duì)錐管在泵的兩側(cè)同向放置，同時(shí)將楔塊的兩側(cè)面設(shè)計(jì)成不同角度，使流體從左向右和從右向左流過(guò)楔塊時(shí)的流阻不同，即錐管和坡面腔底的結(jié)構(gòu)形狀使泵具有了傳輸流體的功能。

3流場(chǎng)模擬仿真

圖5是錐管坡面腔底無(wú)閥壓電泵速度矢量圖。

圖5　壓電泵速度流線圖Fig.5　Velocity streamline pattern of piezoelectric pump

壓電泵的1個(gè)工作周期包括2個(gè)部分：排程和吸程，振子從最高點(diǎn)經(jīng)過(guò)中間位置運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)的過(guò)程為排程，從最低點(diǎn)經(jīng)過(guò)中間位置運(yùn)動(dòng)到最高位點(diǎn)的過(guò)程為吸程。圖5中運(yùn)用Ansys12中Fluent12.0模塊來(lái)對(duì)泵腔流場(chǎng)進(jìn)行模擬，工作介質(zhì)為水(密度為0.9982 g/ml，動(dòng)力黏度為6.018×10-2kg/(m·min)) ，工作溫度為20 ℃，進(jìn)出口壓力值都為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，驅(qū)動(dòng)頻率為20 Hz，振子最大振幅為0.08 mm，泵腔直徑為40 mm，楔塊坡面角度為α1=30°，矩形截面錐管尺寸：L=14.7 mm，e=4 mm，h=2 mm，錐度1∶3.6。

由圖5可知，在壓電振子的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，無(wú)論是吸程還是排程，泵腔左半部分流體的渦旋都要比右半部分流體形成的渦旋強(qiáng)烈，流速更加湍急。根據(jù)伯努利方程：流體等高流動(dòng)時(shí)，流速大、壓力小的原理可知，泵腔右邊的壓力高于左邊的，因此流體就會(huì)從右邊流向左邊，宏觀上形成了泵內(nèi)流體的單向流動(dòng)，從而使泵具有了傳輸流體的功能。

由于通流截面積的突然改變，流體在錐管和泵腔的交界處，以及在楔塊周圍都產(chǎn)生了復(fù)雜的渦旋流場(chǎng)，使進(jìn)入泵腔的流體能夠進(jìn)行充分的混合攪拌，該特性可使泵在同時(shí)傳輸兩種或多種流體的過(guò)程中，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行充分的混合攪拌，該泵集傳輸和攪拌功能于一體，拓展了泵的應(yīng)用范圍。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)中使用的壓電泵樣機(jī)零件全部由MBot Cube桌面3D打印機(jī)打印，使用PLA環(huán)保材料(見(jiàn)圖6),其壓電振子參數(shù)如表1所示。

圖6　泵體3D打印Fig.6　Pump body 3D printing

基片直徑瓷片直徑基片厚度總厚度50.0±0.125.0±0.30.20±0.030.40±0.05

錐管坡面腔底無(wú)閥壓電泵樣機(jī)及其流量測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖7。試驗(yàn)泵的幾何參數(shù)和介質(zhì)參數(shù)與模擬分析時(shí)一致。為減小壓電泵的振動(dòng)噪聲，用正弦波作為壓電泵的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電壓峰峰值為600 V。

圖7　錐管坡面腔底無(wú)閥壓電泵流量測(cè)試系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.7　　　　Photographs of valveless piezoelectric pump with taper pipe slopes element flow rate experiment

為了驗(yàn)證研制泵傳輸流體的能力，測(cè)試了泵頻率-流量特性并得到了試驗(yàn)曲線，如圖8所示。從圖8中可以得到，在相同條件下坡面腔底泵在驅(qū)動(dòng)頻率為7 Hz時(shí)流量達(dá)到最大值22.6 ml/min，錐管坡面腔底泵在驅(qū)動(dòng)頻率為8 Hz時(shí)流量達(dá)到最大值26.8 ml/min，比前者增加了18.6%。另外，坡面腔底泵在驅(qū)動(dòng)頻率達(dá)到10 Hz之后不再有流體輸出，而錐管坡面腔底泵在頻率達(dá)到18 Hz之前，一直都有流體輸出?？梢?jiàn)，錐管坡面腔底泵的頻率-流量特性明顯優(yōu)于坡面腔底泵。

圖8　壓電泵的頻率-流量特性曲線圖Fig.8　Curve of driving frequency vs flow rate

5結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)傳統(tǒng)坡面腔底無(wú)閥壓電泵進(jìn)行了改進(jìn)，提出了并研制了一種新型錐管坡面腔底無(wú)閥壓電泵樣機(jī)。采用有限元法對(duì)錐管坡面腔底無(wú)閥壓電泵進(jìn)行了流場(chǎng)模擬分析，得到了一個(gè)周期內(nèi)的錐管坡面腔底無(wú)閥壓電泵泵腔內(nèi)部流場(chǎng)流速圖，分析結(jié)果表明該泵具有單向傳輸流體的能力。對(duì)該泵的頻率-流量特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為8 Hz時(shí)，泵的流量達(dá)到最大值26.8 ml/min，比相同條件下坡面腔底無(wú)閥壓電泵輸出的最大流量增加了18.6%。試驗(yàn)結(jié)果表明，該泵不僅可以傳輸流體，而且其傳輸流體的能力要優(yōu)于坡面腔底無(wú)閥壓電泵。

參考文獻(xiàn)

[1]Erik S, G?ran S．A valve-less diffuser/nozzle-based fluid pump[J]．Sensors & Actuators A: Physical，1993，39(2)： 159-167.

[2]Gerlach T, Wunnus H．Working principle and performance of the dynamic micropump[J]．Sensors & Actuators A: Physical，1995，50(1)：221-226.

[3]程光明，楊志剛，曾平,等．錐型閥壓電薄膜泵的初步研究[J]．壓電與聲光，1998，20(5)：300-303.

Cheng Guangming, Yang Zhigang, Zeng Ping, et al. The original study of the piezoelectric membrane pump with taper valve[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics, 1998，20(5)：300-303. (in Chinese)

[4]Nguyen N T， Huang Xiaoyang．Numerical simulation of pulse-width-modulated micro-pumps with diffuser/nozzle elements[C]∥Proceedings of International Conference on Modeling and Simulation of Micro-systems. San Diego，US： [s.n.], 2000：639.

[5]張建輝，王守?。畨弘姳缅F形流管無(wú)閥泵的研究-單向流動(dòng)原理及泵流量[J]．壓電與聲光，2001，23(1)：23-25.

Zhang Jianhui， Wang Shouying. A study of piezoelectric valveless diffuser/nozzle-based fluid pump: one-way flow principle and the pump flow[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics, 2001，23(1)：23-25. (in Chinese)

[6]Matsumoto S， Klein A, Maeda R．Bi-directional micro-pump based on Tempe-rature dependence of liquid viscosity[J]．Journal of Mechanical Engineering Laboratory，1999,53 (6)：187-193.

[7]Rife J C，Bell M I．Miniature valveless ultrasonic pumps and mixers[J]．Sensors & Actuators A: Physical，2000，A(86)：135-140.

[8]Nguyen N T，White R M． Design and optimization of an ultrasonic flexural plate wavemicropump using simulation[J]．Sensors & Acturators A: Physical，1999，77(3)：229-236.

[9]程光明，姜德龍，孫曉鋒，等．雙腔體四振子壓電泵設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J]．排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，28(3)：190-193.

Cheng Guangming, Jiang Delong, Sun Xiaofeng, et al. Design and experiment on dual-chamber piezoelectric pump with four actuators[J]．Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering，2010，28(3)：190-193. (in Chinese)

[10]彭太江，楊志剛，程光明，等. 雙腔體壓電泵的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2009，17(5)：1078-1085.

Peng Taijiang, Yang Zhigang, Cheng Guangming, et al. Design of double-chamber piezoelecric pump[J]. Optics and Precision Engineering, 2009，17(5)：1078-1085. (in Chinese)

[11]Olsson A, Larsson O, Holm J, et al. Valve-less diffuser micropumps fabricated using thermoplastic replication[J]．Sensors & Actuators A: Physical, 1997, 64(98):63-68.

[12]夏齊宵，張建輝，李洪,等．非對(duì)稱坡面腔底無(wú)閥壓電泵[J].光學(xué)精密工程，2006，14(4)：641-647.

Xia Qixiao, Zhang Jianhui, Li Hong, et al. Valveless piezoelectric pump with unsymmetrical slope chamber bottom [J]. Optics and Precision Engineering, 2006，14(4)：641-647. (in Chinese)

[13]張建輝，黎毅力，夏齊宵,等.“Y”形流管無(wú)閥壓電泵流量及流管流阻特性分析[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007,43(11)： 136-141.

Zhang Jianhui, Li Yili, Xia Qixiao, et al. Analysis of the pump volume flow rate and tube property of the piezoelectric valveless pump with Y-shape tubes[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007,43(11):136-141. (in Chinese)

[14]曾光，韓志宇，梁書錦,等.金屬零件3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究[J]．中國(guó)材料進(jìn)展，2014,33(6)：376-383.

Zeng Guang, Han Zhiyu, Liang Shujin, et al. The applications and progress of manufacturing of metal parts by 3D printing technology[J]．Materials China, 2014,33(6): 376-383. (in Chinese)

[15]盧秉恒，李滌塵．增財(cái)制造(3D打印)技術(shù)發(fā)展[J]．機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013,42(4):1-4.

Lu Bingheng, Li Dichen.Development of the additive manufacturing (3D printing) mechnology[J]. Machine Building & Automation，2013,42(4):1-4. (in Chinese)

E-mail：zhangrh_hit@sina.com

doi:10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.02.028

收稿日期：2015-06-16；修回日期：2015-09-18

中圖分類號(hào)TH38; TN384

第一作者簡(jiǎn)介：張蕊華，女，1970年4月生，博士、副教授。主要研究方向?yàn)閴弘婒?qū)動(dòng)技術(shù)和金屬橡膠技術(shù)。曾發(fā)表《金屬橡膠高壓精密流量閥流場(chǎng)分析》(《振動(dòng)、測(cè)試與診斷》2013年第33卷第1期)等論文。

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375227) ；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY14E050002)