軸向出流的單腔壓電泵結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能研究

孫曉鋒，劉 勇，武之煒，黃 成

(1.常州工學(xué)院 航空與機械工程學(xué)院，江蘇 常州 213032；2.吉林大學(xué) 機械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長春 130025)

引言

泵是輸送流體或使流體增壓的機械，它將原動機的機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加。

泵通常按工作原理分容積式泵、動力式泵和其他類型泵，如射流泵、水錘泵、電磁泵、氣體升液泵等[1-3]。容積式泵是依靠工作元件在泵缸內(nèi)作往復(fù)或回轉(zhuǎn)運動，使工作容積交替增大和縮小，以實現(xiàn)液體的吸入和排出。容積式泵在一定轉(zhuǎn)速或往復(fù)次數(shù)下的流量是一定的，幾乎不隨壓力而改變。壓電泵屬于往復(fù)式容積泵，其工作面或邊界面產(chǎn)生的壓力以周期性的方式直接作用在流體上，但其不同于許多較大泵活塞是移動的邊界面的工作方式，而是把作用在移動表面上的力由周邊可變形的固定的板代替，板由壓電驅(qū)動器來驅(qū)動，像薄膜一樣，因此也被稱作薄膜泵[4-5]。

同傳統(tǒng)泵相比，壓電泵有很多優(yōu)點，例如結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能低、無噪聲、無電磁干擾，可根據(jù)施加電壓或頻率控制輸出微小流量等。但是其也存在許多不足之處，例如泵送液體時有的結(jié)構(gòu)壓電泵自吸困難，工作過程中液體中有氣泡存在時會影響輸出的穩(wěn)定性等[6-8]。

本研究設(shè)計了一種軸向出流的單腔有閥壓電泵，結(jié)構(gòu)特點是在工作過程中使流體的流動方向始終沿著壓電振子的振動方向，并將進口管設(shè)計在圓形壓電振子的中心位置，從而使泵腔容積變化產(chǎn)生的最大壓差直接作用在工作流體上，減少流動過程能量損失。將軸流式單腔壓電泵同側(cè)向出流的單腔泵的輸出性能進行比較，獲得結(jié)構(gòu)變化對壓電泵輸出性能產(chǎn)生的影響。

1 軸流式壓電泵結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論分析

傳統(tǒng)的軸流泵是靠旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片對液體產(chǎn)生的作用力使液體沿軸線方向輸送。軸流出流壓電泵是指壓電泵在工作時，流體沿著泵腔的軸向流入流出，使流體的流動方向與壓電振子的振動方向始終保持一致。

圖1為軸向出流單腔體壓電泵結(jié)構(gòu)示意圖。泵體結(jié)構(gòu)主要由3部分構(gòu)成，即固定壓電振子的上蓋、帶有腔體結(jié)構(gòu)和被動截止閥的中間體及起壓緊和密封作用的下蓋。將進口閥設(shè)計在圓柱形腔體的中心位置，并保證進口管的軸線與壓電振子垂直，形成軸向進流方式；將出口閥設(shè)計在泵腔外，通過導(dǎo)流槽與泵腔連接，出口管方向與閥開啟方向一致。

1.緊固螺栓 2.上蓋 3.泵腔 4.進口閥 5.圓形壓電振子 6、8、10、15.密封圈 7.出口接頭 9.下蓋 11.進口接頭 12.出口連接通道 13.出口閥 14.中間體

在正弦交流電作用下，1個周期內(nèi)壓電泵的工作過程為：當圓形壓電振子5向上振動時，泵腔3容積變大，作用在進口閥4的外部環(huán)境壓力大于泵腔內(nèi)部壓力，進口閥逐漸打開，流體通過進口11進入泵腔。當壓電振子向下振動時，泵腔容積變小，作用在進口閥的外部環(huán)境壓力小于泵腔內(nèi)部壓力，出口閥逐漸關(guān)閉，同時作用在出口閥13的外部環(huán)境壓力小于泵腔內(nèi)部壓力，出口閥逐漸打開，流體通過出口管7流出。

由于采用圓形壓電振子，泵腔體容積變化的截面曲線可近似的看作拋物面，設(shè)壓電振子彎曲振動變形函數(shù)為w(r,T)，初始(T=0)時壓電振子處于水平位置，工作開始后向上振動，如圖2所示，假設(shè)壓電振子各點振動幅值在壓電泵工作時基本保持不變，則在1/4周期時間內(nèi)壓電振子彎曲振動變形函數(shù)為[9-11]：

圖2 泵腔容積變化示意圖

(1)

則在T/4時刻，在半徑(r，r+dr)之間泵腔容積的變化量為：

(2)

泵工作在較低頻率時，可看作是等溫過程，腔內(nèi)在半徑r處的壓力：

(3)

式中，Vr為dr增量泵腔的初始容積；p0為壓電振子在水平位置時(T=0)泵腔內(nèi)壓力。

將式(2)代入式(3)得：

(4)

從式(4)可以看出，在同一時刻，在泵腔中心處腔體容積變化量最大，然后向四周固定邊緣處逐漸變小，因此腔體內(nèi)的瞬時壓強變化呈梯度分布，中心處最小，向四周固定邊緣處逐漸變大。將進口閥安置在泵腔中心處，可保證當流體進入泵腔時，作用在閥兩側(cè)的壓差為瞬時最大值。同時將出口閥安置在泵腔外，通過出口連接通道12與泵腔相連，可避免在狹小泵腔內(nèi)進出口流體相互干擾，影響流體的凈輸出流量。

2 試驗測試與分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)單腔泵性能測試

加工了2種不同結(jié)構(gòu)形式的單腔體壓電泵，如圖3所示。圖3a壓電泵的進出口管軸線與壓電振子的振動方向相垂直，為側(cè)向出流；圖3b進出口管軸線與壓電振子的振動方向一致，流體從軸向進出，為軸向出流。

圖3 不同結(jié)構(gòu)的單腔體壓電泵

試驗條件為驅(qū)動電壓110 V的正弦交流電，壓電振子的銅基板和壓電陶瓷片厚度均為0.2 mm壓電單晶片。在測量輸出液體流量隨頻率變化規(guī)律的試驗中，所需正弦交流驅(qū)動電源，是針對壓電泵驅(qū)動所設(shè)計的專用驅(qū)動電源，輸出電壓在0～220 V之間，驅(qū)動頻率在40～400 Hz，并將數(shù)顯計時器與壓電泵串聯(lián)在一起，設(shè)置工作時間為60 s。當計時器啟動后，60 s測量自動停止，然后通過電子稱測量出輸出流量；測試輸出壓力的智能數(shù)字壓力表，最小測量壓力0.1 kPa，如圖4a所示。在測量輸出氣體流量隨頻率變化規(guī)律的試驗中，測試輸出流量選用的是GL-103B皂液式氣體流量計，測量氣體流量范圍為5～5000 mL/min，如圖4b所示。

圖4 測試輸出性能的試驗設(shè)備

試驗曲線如圖5～圖7所示。

圖5 輸出氣體流量隨頻率變化曲線

圖5是2種結(jié)構(gòu)壓電泵輸出氣體流量和驅(qū)動電信號頻率之間的變化曲線。從曲線中可以看出，當驅(qū)動電信號頻率小于280 Hz時，進出口側(cè)向出流的a結(jié)構(gòu)壓電泵輸送氣體流量要略高于軸向出流的b結(jié)構(gòu)壓電泵，而后隨著驅(qū)動頻率的增加，出口閥安置在泵腔外的軸向出流b結(jié)構(gòu)壓電泵輸出氣體流量要高于a結(jié)構(gòu)壓電泵。

圖6是輸出液體流量和驅(qū)動電信號頻率之間的變化曲線。從曲線中可以看出，在小于400 Hz的工作頻率范圍內(nèi)，2種結(jié)構(gòu)的單腔泵均會出現(xiàn)多個最佳工作頻率點，在當驅(qū)動電信號頻小于120 Hz時，進出口側(cè)向出流的a結(jié)構(gòu)壓電泵輸送液體流量要高于軸向出流的b結(jié)構(gòu)壓電泵，而后隨著驅(qū)動頻率的增加，出口閥安置在泵腔外軸向出流b結(jié)構(gòu)壓電泵輸出液體流量也要高于a結(jié)構(gòu)壓電泵。

圖6 輸出液體流量隨頻率變化曲線

圖7是輸出壓力隨頻率的變化曲線。從曲線中可以看出，軸向出流b結(jié)構(gòu)壓電泵在工作頻率內(nèi)輸出液體壓力要遠遠高于側(cè)向出流的a結(jié)構(gòu)壓電泵，這說明采用軸向出流設(shè)計的單腔體壓電泵在流動過程中能量損失小。

圖7 輸出液體壓力隨頻率變化曲線

2.2 不同電信號波形對單腔泵輸出影響

為測試驅(qū)動電信號波形對壓電泵輸出性能影響，分別采用正弦波、方波、三角波、鋸齒波等4種波形的電信號[12]，在相同有效電壓80 V時對軸向出流的單腔壓電泵進行驅(qū)動，得到如圖8所示的輸出液體流量隨頻率變化曲線。

圖8 不同波形下液體流量隨頻率變化曲線

從試驗曲線中可以發(fā)現(xiàn)，在工作頻率小于250 Hz時，輸出液體性能較好的電信號波形依次為鋸齒波、三角波、方波和正弦波，而當驅(qū)動頻率高于250 Hz時，壓電泵輸出性能最好的波形為正弦波，方波次之，三角波和鋸齒波比較接近，輸出性能較差。

3 結(jié)論

通過對不同結(jié)構(gòu)的單腔有閥壓電泵進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗測試，得出以下結(jié)論：

(1)在低頻工作階段，不管是泵送氣體還是泵送液體，側(cè)向出流的單腔壓電泵輸出流量要高于軸向出流單腔壓電泵，而當高頻工作時，后者要高于前者；

(2)在整個試驗測試范圍內(nèi)，軸向出流單腔壓電泵的輸出壓力要高于側(cè)面出流的單腔壓電泵；

(3)驅(qū)動信號的波形對壓電泵的輸出性能會有很大影響。