泵腔結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓電氣泵性能影響

賀春山，李沈芳，劉金龍，林佳穎，侯 俊，田曉超 (長春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

0 引言

壓電泵是近些年新興發(fā)展起來的流體輸送泵[1]，其具有高位移分辨率，定位精度高，體積小，無磁干擾，輸出力大，能耗低及響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在藥物輸送領(lǐng)域、航空航天、微精密機(jī)械及微電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[2-6]。由于壓電振子的輸出能力有限，導(dǎo)致壓電泵系統(tǒng)輸出流量小，輸出壓力低，滿足不了實際應(yīng)用需求。因此，國內(nèi)外學(xué)者通過研究影響壓電泵性能的泵腔及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化壓電泵的結(jié)構(gòu)，以提高壓電泵的輸出性能[7-8]。

Moradi-Dastjerdi等[9]為了提高壓電泵的流速和輸出壓力，采用無源聚合物膜制成了新型柔性隔膜，分析了隔膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓電泵性能的影響，表明膜片厚度在設(shè)計壓電泵的動態(tài)響應(yīng)中起著重要作用。文獻(xiàn)[10]通過在壓電隔膜泵的泵腔中引入導(dǎo)向肋結(jié)構(gòu)，提高了壓電隔膜泵的輸出流量，使輸出流量最高達(dá)196 mL/min。文獻(xiàn)[11]通過模仿魚游動姿態(tài)研制出仿魚尾擺動式無閥壓電泵，將矩形壓電振子放在泵腔內(nèi)部來驅(qū)動流體輸送，流量最大可達(dá)266 mL/min。文獻(xiàn)[12-13]通過研究泵腔數(shù)量對壓電泵輸出性能的影響，先后設(shè)計了多腔串聯(lián)和多腔并聯(lián)的壓電泵，使壓電泵的輸出壓力和流量明顯增強(qiáng)。

為了探究泵腔結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓電氣體隔膜泵性能的影響，本文設(shè)計了一種壓電氣泵腔體結(jié)構(gòu)，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣體隔膜泵輸出性能的影響，并進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗測試。這為壓電氣體微泵的腔體設(shè)計提供了理論參考。

1 腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為泵腔結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，上、下腔體通過緊固螺栓連接構(gòu)成密閉泵腔。上腔體下表面開有環(huán)形凹槽，用來放置O型密封圈以保持泵腔的氣密性；上腔體設(shè)有兩個沉頭孔，孔的上端通過環(huán)氧樹脂膠粘接進(jìn)、出氣孔，沉頭孔的下端使用環(huán)氧樹脂膠粘接單向閥底座。單向閥采用傘形閥結(jié)構(gòu)，并與單向閥底座的中間孔連接。在上、下腔體的連接處固定有彈簧片，并通過O型密封圈固定；金屬膜片下表面通過環(huán)氧樹脂膠與立柱粘接。

圖1 泵腔結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為泵腔工作原理。當(dāng)施加交變信號時，壓電振子會產(chǎn)生周期性的上下往復(fù)振動，驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生振動，當(dāng)外界激勵的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時，系統(tǒng)會發(fā)生共振，并將壓電振子的振幅放大后作用到泵腔金屬膜片上。腔體是一個密閉空間，當(dāng)金屬膜片向下振動時，腔體容積變大，腔體的內(nèi)部氣壓減小，外界氣壓大于腔內(nèi)氣壓入口傘形閥開啟，氣體吸入。當(dāng)金屬膜片向上振動時，腔體容積變小，腔體的內(nèi)部氣壓增大，腔內(nèi)氣壓大于外界氣壓出口傘形閥開啟，氣體排出。由此氣體吸入-排出往復(fù)實現(xiàn)氣體單向流動。

圖2 泵腔工作原理圖

2 泵腔理論分析與仿真

2.1 泵腔理論分析

圖3為腔體內(nèi)部參數(shù)示意圖。圖中，p1、p2分別為泵腔變化前、后的壓強(qiáng)，p3為單向閥的開啟氣壓，h為腔體高度(即腔高)，ΔV為腔體體積變化，V3為出口氣體流速，d為進(jìn)出直徑，r為泵腔半徑。

圖3 腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

金屬膜片振動一個周期，腔體體積從V1變?yōu)閂2，腔體內(nèi)壓強(qiáng)從p1變?yōu)閜2，則：

(1)

式中：T1為壓縮前的氣體溫度；T2為壓縮后的氣體溫度。

當(dāng)隔膜泵處于工作狀態(tài)時，氣體壓強(qiáng)為

pV=nRT

(2)

式中：p為腔內(nèi)壓強(qiáng)；V為腔內(nèi)體積；n為物質(zhì)的量；R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度。

設(shè)腔體內(nèi)瞬時氣壓為瞬時狀態(tài)下氣體物質(zhì)的量，則：

nR=p[V1-bsin(x-Δt)]-ΔvcpΔt

(3)

式中：Δv為氣體排出速度；c=(d/2)2bπ為開口面積，b為金屬膜片的最大振幅；bsin(x-Δt)為金屬膜片隨著正弦信號驅(qū)動的體積變化。

p={p[V1-bsin(x-Δt)]-ΔvcpΔt}/

(V-bsinx)

(4)

引入伯努利方程：

(5)

式中：hw為壓力損失；pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；v3為氣體的出口流速；vt=0為氣體初始流速，大氣壓可視為處處相等。

聯(lián)立式(4)、(5)可得：

(6)

出口氣體的流速為

(7)

2.2 仿真分析

2.2.1 腔高對氣泵性能的影響

仿真選取腔體半徑為25 mm，初始壓強(qiáng)為10 100 Pa，氣體密度為1.293 kg/m3。通過Matlab仿真分析得出不同腔高與腔體內(nèi)的瞬時氣壓、氣流速度、氣體流量的影響，如圖4～6所示。

圖4 腔高對瞬時氣壓影響

圖5 腔高對氣流瞬時速度的影響

圖6 腔高對流量的影響

由圖4可知，腔高為1～6 mm時，腔內(nèi)氣壓可達(dá)到閥門開啟氣壓(105 000 Pa)，系統(tǒng)正常工作。當(dāng)腔高大于6 mm，腔體內(nèi)瞬時氣壓逐漸減小，小于閥門開啟氣壓，系統(tǒng)不能正常工作。由圖5可知，當(dāng)腔高為1～7 mm時，腔高與瞬時速度呈線性關(guān)系，氣體瞬時速度隨著腔高的增加不斷減小。當(dāng)腔高大于7 mm時，氣體流速為0，系統(tǒng)不能正常工作。由圖6可知，當(dāng)腔高為1～7 mm時，腔高與氣體流量呈線性關(guān)系，氣體流量隨著腔高的增加不斷減小。

2.2.2 氣孔直徑對氣泵性能的影響

不同進(jìn)-出氣孔直徑對腔體內(nèi)的瞬時氣壓、氣流速度及氣體流量的影響，如圖7～9所示。

圖7 氣孔直徑對腔體內(nèi)瞬時氣壓的影響

圖8 氣孔直徑對氣流瞬時速度的影響

圖9 氣孔直徑對流量的影響

由圖7可知，氣孔直徑在?2 mm前變化幅度較大，腔體內(nèi)瞬時氣壓隨著氣孔直徑的增大而減小，且遠(yuǎn)高于開啟氣壓(105 000 Pa)，系統(tǒng)正常工作。當(dāng)氣孔直徑大于?2 mm后，腔體內(nèi)氣壓趨于平穩(wěn)。由圖8可知，氣孔直徑與瞬時速度呈線性關(guān)系，氣體瞬時速度隨著氣孔直徑的增加不斷減小，最后瞬時速度趨近于0。由圖9可知，氣體流量隨著氣孔直徑的增加而增大，當(dāng)氣孔直徑小于?2 mm時，流量隨氣孔直徑的變化量較大；當(dāng)氣孔直徑大于?2 mm時，流量的變化量較小，最后趨近平穩(wěn)。

3 實驗測試

結(jié)合理論分析與仿真結(jié)果分析，制作了5種不同腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)的樣機(jī)，測試不同腔高與氣孔直徑對氣體隔膜泵輸出流量的影響，搭建了試驗測試平臺如圖10所示。泵腔主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖10 壓電氣體隔膜泵試驗裝置圖

表1 泵腔結(jié)構(gòu)參數(shù)

分別對5種不同樣機(jī)對應(yīng)的壓電氣體隔膜泵進(jìn)行輸出流量測試，結(jié)果如圖11所示。

圖11 理論流量與實際流量對比曲線

由圖11可知，實際流量與理論流量的曲線相吻合，但實際流量值略小于理論流量值，這是由于樣機(jī)在制作和實驗環(huán)境中存在誤差。由圖還可知，腔高越低，壓電氣泵工作的流量越高，當(dāng)腔高為3 mm時，輸出流量最大(為3 400 mL/min)。輸出流量的大小隨著氣孔直徑的增大而增大，但氣孔直徑越大，輸出流量增幅越小。

4 結(jié)束語

為了探究泵腔結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓電氣體隔膜泵性能的影響，設(shè)計了一種壓電氣體隔膜泵的泵腔結(jié)構(gòu)。通過理論仿真和實驗測試得出腔高與氣孔直徑對氣泵性能的影響。對不同腔高和氣孔直徑的壓電氣泵輸出流量進(jìn)行測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，驗證了理論分析的合理性。泵腔作為氣泵的重要組成部分，其性能的影響因素較多，如腔體直徑、彈性膜片剛度、單向閥結(jié)構(gòu)及動態(tài)特性等，還需進(jìn)行大量的理論和實驗研究。