柔性鴨嘴閥壓電泵的設計與試驗

吳文東,張文斌,陳永華,酒晨霄,田 磊,周鋆寬

(1.昆明理工大學 機電工程學院,云南 昆明650000;2.中國航空工業(yè)集團公司 西安飛行自動控制研究所,陜西 西安 710000)

0 引言

壓電泵是利用壓電陶瓷的逆壓電效應將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種新型泵,它通過控制壓電陶瓷振子和閥體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了單向輸送。其具有結(jié)構(gòu)簡單,體積小,無電磁干擾,耗能低,且可以通過調(diào)節(jié)工作電壓和頻率實現(xiàn)流量的精密控制等優(yōu)點,被廣泛應用于藥物輸送[1-2]、燃料電池[3]和電子冷卻[4]。根據(jù)泵體內(nèi)部有無閥體,壓電泵可分為有閥泵和無閥泵[5]。無閥壓電泵利用流動阻力差來泵送流體,因此其整流能力低,導致流量和壓力較低。相比之下,帶止回閥的壓電泵在流速和輸出壓力方面表現(xiàn)出更好的性能,這將成為今后研究的重點[6]。

Zhang等[7]提出了一種帶多個傘狀被動止回閥的壓電薄膜泵,在驅(qū)動電壓為150 V、360 Hz下獲得最大輸出流速為165.2 mL/min,最大輸出壓力為3.56 kPa,但傘閥需預埋在閥座的中心固定孔內(nèi),這需要較大的安裝空間。文獻[8]提出了一種懸臂閥壓電泵,在驅(qū)動電壓為100 V、130 Hz下得到最大輸出流量為27.9 mL/min,但其截止性能差,開孔面積小,在大流量下流動阻力較大。Ma等[9]設計了一種新型的壓電驅(qū)動泵,其主要特點是在低頻范圍內(nèi)能夠輸出較高流量,在實驗過程中測得最大流速達到196 mL/min,但幾乎無輸出壓力。Chen等[10]提出了一種采用柔性閥的低頻驅(qū)動壓電泵,它通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓或驅(qū)動頻率來實現(xiàn)精確的流量控制。在沒有外部負載的情況下最大流量為18.1 mL/min,但輸出壓力有限。Yang等[11]提出了一種微型泵,其最大流速和輸出壓力分別為4.5 mL/min和52 kPa,該泵能夠輸出較大壓力,但存在流量小的問題。

為了同時提高壓電泵的輸出流量和輸出壓力,本文設計了一種以壓電陶瓷為動力源的柔性鴨嘴閥壓電泵。首先對該泵的結(jié)構(gòu)及工作原理進行分析,其次給出了該泵的輸出流量和輸出壓力的理論公式,最后加工了該壓電泵的實驗樣機,并進行了輸出流量及輸出壓力的特性試驗,驗證了設計方案的可行性。

1 泵的結(jié)構(gòu)及工作原理

柔性鴨嘴閥壓電泵結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由泵底座、止回閥、壓電陶瓷振子、泵室、“O”型圈、泵蓋和螺絲組成。壓電陶瓷振子由壓電陶瓷和銅基片組成,泵室內(nèi)的止回閥圓面對應的流管是泵的入口,鴨嘴面對應的流管是泵的出口,從入口到出口的流動方向定義為正流動。柔性鴨嘴閥采用硅橡膠材料制成,在泵腔內(nèi)部無壓力的情況下,鴨嘴閥出口在本身彈性作用下合攏,當泵腔內(nèi)部壓力產(chǎn)生變化時,鴨嘴閥出口在壓力的作用下打開。因此,鴨嘴閥能夠根據(jù)泵腔內(nèi)部的壓力變化自行打開關閉。

圖1 柔性鴨嘴閥壓電泵結(jié)構(gòu)爆炸圖

隨著壓電陶瓷振子在交流電壓的激勵下發(fā)生振動,泵腔容積發(fā)生變化,容積的變化進一步引起腔內(nèi)壓力的變化[12]。壓力的變化驅(qū)動止回閥的運動和液體的流動。柔性鴨嘴閥壓電泵的工作過程主要包括泵入階段和泵出階段,當壓電陶瓷振子向上運動時(見圖2(a)),泵腔內(nèi)容積變大,泵腔內(nèi)部壓力降低,使入口止回閥打開,出口止回閥關閉,流體被外部壓力推入泵腔,導致泵腔出現(xiàn)向內(nèi)吸的現(xiàn)象。當壓電陶瓷振子向下運動時(見圖2(b)),泵腔內(nèi)容積變小,泵腔內(nèi)部壓力增大,使入口止回閥關閉,出口止回閥打開,流體被推出泵腔,導致泵腔出現(xiàn)向外推的現(xiàn)象。由于鴨嘴閥使用高彈性材料以及特殊的結(jié)構(gòu)制成,閥門開啟時需要的壓力很小,故流體的壓力損失較小。

圖2 柔性鴨嘴閥壓電泵工作原理圖

2 理論分析

壓電陶瓷振子在交流電壓的作用下會振動產(chǎn)生位移,其變形曲面可近似簡化成一個橢球面[13],圖3為位移形變示意圖。當壓電陶瓷振子工作在彎曲振動模式時,腔內(nèi)的壓力液體交替開啟和關閉閥門,故而液體連續(xù)從進口流向出口。其振幅和壓力[14]分別為

(1)

圖3 壓電陶瓷振子位移形變圖

(2)

式中:d,t分別為壓電陶瓷振子的直徑和厚度;d31,g31為壓電常數(shù);E為壓電陶瓷的彈性模量;U為驅(qū)動電壓。

當壓電陶瓷振子的工作頻率遠低于其自身固有頻率時,泵腔內(nèi)體積變化可表示[15]為

(3)

則壓電泵的理論流量[15]為

(4)

式中f為驅(qū)動電信號頻率。

式(3)、(4)僅表示了壓電泵的理論流量,未考慮閥門的止回效率。引入閥門的止回效率,則壓電泵的輸出流量和壓力為

(5)

(6)

式中η為止回閥的止回效率。

由式(5)、(6)可知,當壓電陶瓷振子的幾何參數(shù)、止回效率η、驅(qū)動電信號頻率f確定時,驅(qū)動電壓U與輸出流量Qv、輸出壓力pv成正比,因此,通過增加驅(qū)動電壓可以提高泵的輸出流量和輸出壓力。

3 壓電泵實驗與分析

為了測試柔性鴨嘴閥壓電泵的輸出性能,使用光固化3D打印機制作外形尺寸為50 mm×45 mm×9 mm的柔性鴨嘴閥壓電泵的實驗樣機(見圖4),并分別進行流量和壓力差試驗。柔性鴨嘴閥的材料性能參數(shù)如表1所示,結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示,樣機泵的詳細參數(shù)如表2所示。

表1 鴨嘴閥材料性能參數(shù)

表2 樣機泵參數(shù)

圖4 壓電泵樣機

圖5 柔性鴨嘴閥結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖6為柔性鴨嘴閥壓電泵的泵流量試驗照片。使用的交流電源型號為深圳市新瑪科技有限公司生產(chǎn)的IT7624型,輸出頻率為10～5 000 Hz,輸出電壓可達300 V。示波器型號為鼎陽SIGLENT SDS2502XPlus,電子秤的測量精度為0.01 g,工作流體為去離子水。測試時對壓電振子分別施加3個有效值為150 V、180 V、220 V的正弦波電信號,測量在不同驅(qū)動頻率下壓電泵的輸出流量。通過將液體泵入燒杯中,用電子秤量取燒杯中單位時間內(nèi)的流體質(zhì)量,可直接計算其單位時間的輸出流量。

圖6 泵流量試驗照片

圖7為柔性鴨嘴閥壓電泵壓力差試驗照片,其與流量測試裝置的不同之處在于出水管垂直于實驗平面。實驗時用鋼直尺測量在不同驅(qū)動頻率下的水柱差h,并計算其壓力差。

圖7 泵壓力差試驗照片

實驗過程中對壓電陶瓷振子施加不同電壓和頻率的正弦波電信號,得到壓電泵頻率與流量的關系如圖8所示。由圖可見,隨著壓電振子驅(qū)動電壓的增加,流量逐漸增加,驅(qū)動頻率為10～20 Hz,泵的輸出最佳頻率為16 Hz,在電壓220 V下,流量最大為26.25 mL/min。當驅(qū)動頻率為20～60 Hz時,泵在48～55 Hz下的輸出性能變化相對較好,輸出最佳頻率為55 Hz,在驅(qū)動電壓220 V下,最大流量為39 mL/min。

圖8 壓電泵頻率與流量曲線圖

圖9為壓電泵驅(qū)動頻率與壓力差的關系。由圖可見,隨著電壓的增大,泵的進出口壓力差也在增大。當電壓為150 V時,最佳頻率為48 Hz,最大壓力差為10.9 kPa。驅(qū)動電壓在180 V、220 V時,最佳頻率為45 Hz。低于45 Hz,隨著頻率增加,進出口壓差呈上升趨勢;高于45 Hz,隨著頻率的增加,進出口壓差呈下降趨勢。在驅(qū)動電壓為220 V,頻率為45 Hz時,泵的最大壓力差為15.5 kPa。該試驗驗證了柔性鴨嘴閥壓電泵的有效性,具有良好的泵送流體功能。

圖9 壓電泵頻率與壓力差曲線圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種柔性鴨嘴閥壓電泵,結(jié)合3D打印技術設計并制作了壓電泵樣機;理論分析了壓電陶瓷振子的振動特性,并推導出該泵的流量和壓力表達公式。對該泵進行流量和壓差的測量試驗,結(jié)果表明,在220 V、55 Hz正弦交流電驅(qū)動下,該壓電泵的最大流量為39 mL/min;在220 V、45 Hz正弦交流電驅(qū)動下,該壓電泵進出口壓差最大可達15.5 kPa。經(jīng)驗證,該泵具有良好的輸送流體的能力。