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構實現了單向輸送。其具有結構簡單,體積小,無電磁干擾,耗能低,且可以通過調節工作電壓和頻率實現流量的精密控制等優點,被廣泛應用于藥物輸送[1-2]、燃料電池[3]和電子冷卻[4]。根據泵體內部有無閥體,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,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動泵,其主要特點是在低頻范圍內能夠輸出較高流量,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動壓電泵,它通過調節驅動電壓或驅動頻率來實現精確的流量控制。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。首先對該泵的結構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 泵的結構及工作原理

柔性鴨嘴閥壓電泵結構如圖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,當泵腔內部壓力產生變化時,鴨嘴閥出口在壓力的作用下打開。因此,鴨嘴閥能夠根據泵腔內部的壓力變化自行打開關閉。

圖1 柔性鴨嘴閥壓電泵結構爆炸圖

隨著壓電陶瓷振子在交流電壓的激勵下發生振動,泵腔容積發生變化,容積的變化進一步引起腔內壓力的變化[12]。壓力的變化驅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)),泵腔內容積變大,泵腔內部壓力降低,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,導致泵腔出現向內吸的現象。當壓電陶瓷振子向下運動時(見圖2(b)),泵腔內容積變小,泵腔內部壓力增大,使入口止回閥關閉,出口止回閥打開,流體被推出泵腔,導致泵腔出現向外推的現象。由于鴨嘴閥使用高彈性材料以及特殊的結構制成,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,腔內的壓力液體交替開啟和關閉閥門,故而液體連續從進口流向出口。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;E為壓電陶瓷的彈性模量;U為驅動電壓。

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、止回效率η、驅動電信號頻率f確定時,驅動電壓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如表1所示,結構參數如圖5所示,樣機泵的詳細參數如表2所示。

表1 鴨嘴閥材料性能參數

表2 樣機泵參數

圖4 壓電泵樣機

圖5 柔性鴨嘴閥結構參數

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的流體質量,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,隨著壓電振子驅動電壓的增加,流量逐漸增加,驅動頻率為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 結束語

本文提出了一種柔性鴨嘴閥壓電泵,結合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,結果表明,在220 V、55 Hz正弦交流電驅動下,該壓電泵的最大流量為39 mL/min;在220 V、45 Hz正弦交流電驅動下,該壓電泵進出口壓差最大可達15.5 kPa。經驗證,該泵具有良好的輸送流體的能力。