高性能壓電泵的優(yōu)化設(shè)計

張小忱 靳堯 姚景華 鄭曉培

摘 要：設(shè)計了一款高性能的雙作用壓電泵，該壓電泵采用了雙晶片壓電振子，其中壓電振子受力均衡，不易損壞，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；相同條件下雙晶片壓電振子變形大，增加了壓電泵的輸出流量和壓力，對壓電泵的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，使相關(guān)因素對效率的影響大大降低，提高了壓電泵的性能。

關(guān)鍵詞：壓電泵；高性能；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.07.002

壓電陶瓷因為結(jié)構(gòu)簡單、輸出高、響應(yīng)迅速、沒有電磁干擾等特點，在多個領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用[1-5]。本文介紹了一種具有變形量大和驅(qū)動力大特點的新型壓電泵。

1 壓電泵結(jié)構(gòu)

該壓電泵用液體承載、傳遞能量，完成電能和機械能的轉(zhuǎn)化。結(jié)構(gòu)見圖1，主要由壓電振子、截止閥、螺栓、壓電泵體和密封圈組成。該裝置通電時，壓電振子彎曲變形，從而引起壓電泵腔體容積發(fā)生變化（增大/減少），腔體內(nèi)的液體被吸入/排出。

2 壓電泵的原理

壓電泵采用的壓電振子為雙晶片壓電振子，單個壓電振子可以與泵體形成兩個泵腔，上下各一個。壓電振子發(fā)生彎曲時，兩側(cè)的泵腔分別容積變大吸水和容積減小排水。如圖2所示，在交流電壓下，壓電泵不斷重復(fù)此過程，驅(qū)動液體完成連續(xù)定向運動，不斷輸出流量和壓力。為了提高輸出性能，采用了5個振子通過串聯(lián)形成壓電泵。

3 壓電泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

壓電泵的輸出能力受多個影響因素共同作用。為了提高泵的輸出，該壓電泵優(yōu)化了壓電振子、截止閥、閥孔位置和閥孔直徑、孔距等因素。

壓電振子是壓電泵的能量轉(zhuǎn)化元件，所以它的能力直接決定了壓電泵的輸出性能。常用壓電晶片如圖3所示。相同電壓下，雙晶片壓電振子的變形大，輸出能力更好，因此該裝置設(shè)計為雙晶片壓電振子。這種振子受力均衡，不易損壞，提高了系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性；而且相同條件下雙晶片壓電振子比單晶片壓電振子的變形大，增加了壓電泵的輸出流量和壓力。

壓電泵工作過程中，截止閥控制液體的流動。閥的工作方式、閥的類型、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)都會影響壓電泵的輸出。通過比較采用傘形橡膠截止閥。結(jié)構(gòu)和安裝方式如圖4所示，將傘形閥的閥柄安裝在泵體上，以固定閥的位置。通過閥片的開閉來控制通過閥孔的水流。當閥片里側(cè)的壓力強于外側(cè)時，閥片會打開使流體通過閥孔并進入到下一個腔體中；同理，若閥片里側(cè)壓力弱于外側(cè)壓力時，就會壓迫閥片使其緊貼在閥孔上，禁止液體流通。

壓電泵腔體里的壓力分布會隨著閥孔位置的改變而發(fā)生變動。壓電泵開始工作，液體經(jīng)閥孔軸向流進腔體，然后徑向平行于腔體流動，再經(jīng)閥孔排出，因此可按徑向和軸向兩個方向分析壓電泵內(nèi)的液體壓力。如圖5所示為徑向時腔體的壓力分布，呈拋物線形狀，越靠近振子中心壓力越大。而圖6表示為軸向時腔體的壓力情況，呈對數(shù)形狀，閥孔處壓力較小，邊緣處壓力達到峰值。因為壓電振子采用周邊固定支撐所以發(fā)生變形時中心處撓度最大，對腔體體積的影響亦最大。可斷定壓電泵腔體內(nèi)徑向壓力的影響強于軸向壓力。因此設(shè)計閥孔位置盡可能接近振子的中心處，降低壓力對振子的反作用力，減小振子形變時的阻礙。

閥孔的尺寸越大，位置越靠近閥片邊緣，壓電泵的流量越大。但太過靠近閥片邊緣，截止閥閉合時會無法完全遮住孔徑，發(fā)生圖7中B位置所示的截止失效。根據(jù)以往經(jīng)驗和試驗檢測，確定閥孔距離閥片外側(cè)的最佳值是1 mm。同樣會出現(xiàn)截止失效的另一種情況如圖7中A位置所示，閥孔尺寸太大，截止閥過度變形致使產(chǎn)生倒流。為了確定最佳的閥孔尺寸和足夠的閥孔面積確保不影響壓電泵的輸出能力，本文根據(jù)試驗結(jié)果采用了6個1.7 mm直徑的閥孔。

壓電泵的泵腔體積對泵的輸出能力有很大的影響。壓電泵的輸出流量與泵腔高度成正比，而輸出壓力與泵腔高度成反比。所以泵腔高度的合理范圍為0.3～0.8 mm。

4 結(jié)束語

本設(shè)計的壓電泵采用雙晶片壓電振子串聯(lián)而成，通過傘形橡膠截止閥控制輸出。同時優(yōu)化影響因素，確定閥孔的位置盡量靠近壓電振子的中心，閥孔與閥片邊緣距離1 mm，閥孔直徑1.7 mm，泵腔高度0.3～0.8 mm，提高壓電泵的輸出性能，增大工作效率。

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