不锈钢球阀

球阀式压电薄膜泵的初步研究

2019-07-23

提出一种新结构的球阀式压电泵, 分析了球阀式压电薄膜泵的工作原理, 设计、制作了样机, 对球阀式压电泵的电压工作特性以及频率工作特性等方面性能进行了初步的实验研究和测试, 所得到的实验结果及其对结果的分析, 为有阀压电泵(特别是球阀泵) 的设计和开发奠

    提出一种新结构的球阀式压电泵, 分析了球阀式压电薄膜泵的工作原理, 设计、制作了样机, 对球阀式压电泵的电压工作特性以及频率工作特性等方面性能进行了初步的实验研究和测试, 所得到的实验结果及其对结果的分析, 为有阀压电泵(特别是球阀泵) 的设计和开发奠定了基础。
    作为微流量系统的关键部件, 微型泵因其能实现微小流量的精确控制, 在制药、医疗、化学分析等需要压力/流量精确控制等领域均呈现出广泛的应用前景。在众多基于不同原理的微型泵中, 压电泵因其具有结构简单, 响应特性好, 体积小, 易于微型化等诸多优点, 近年来在国外得到有关研究人员的广泛关注。在国内, 作为压电驱动器的一个重要分支,压电泵的研究仍是一个新兴的研究领域, 尚有许多理论问题需要探讨, 开发出性能优良的新型压电泵必将具有良好的应用前景。
1 压电泵概述
    图1 是比较典型的压电薄膜泵结构简图。工作时, 压电振子在交变电信号的作用下产生上、下弯曲振动, 引起腔体内容积和压力的变化, 在单向阀的控制下实现流体的单向输送。同传统流体泵相比, 压电泵将传统泵的驱动部分、传动部分及泵体合为一体,克服了由于运动部件导致的压力损失、磨损、疲劳破坏及可能对某些敏感流体所造成的破坏, 简化了泵的结构。同时, 由于压电陶瓷能准确地按照驱动源的电压和频率动作, 使得压电泵在需要精确定量控制输送流体的应用场合具有突出的优势。
图1 压电泵的典型结构
    图1 压电泵的典型结构

    根据单向阀的结构特点, 压电薄膜泵又分为有阀压电薄膜泵(如悬臂梁阀、浮动球阀等) 和无阀压电薄膜泵。本文针对有阀式压电泵中的球阀式压电泵开展了初步研究, 以期对今后有阀式压电泵的研制开发奠定良好的基础。
2  球阀式压电泵的结构及工作原理
  当一个电脉冲驱动压电陶瓷片时(其上没有附加载荷) , 陶瓷片要发生径向和轴向的应变变形。因为压电薄膜片的厚度比其半径小得多, 压电片机械特性中轴向变形的结果可忽略不计, 因此可看作只有径向变形发生。为了增加其强度和结构上装配的方便, 往往结合压电薄膜片的特性选择一金属薄板作为辅助板, 将压电陶瓷片粘接到金属薄板上来制成压电泵的关键驱动部件——压电振子。图2 为压电振子的结构简图及变形示意图。当压电陶瓷径向伸长时, 整个振子呈向上弯曲变形状态; 当压电陶瓷径向收缩时, 振子呈向下弯曲变形状态。
图2 复合压电振子变形示意图
    图2 复合压电振子变形示意图

    图3 为球阀式压电泵的结构示意图。压电泵工作时, 压电振子在交变电信号作用下产生上、下弯曲振动, 引起腔体内容积和压力的变化。当压电振子向上弯曲时, 泵腔体积增大, 腔内流体压力减小, 这时进口阀打开, 出口阀关闭, 流体向腔内流动; 相反, 压电振子向下弯曲时, 泵腔体积减小、压力增加, 进口阀关闭, 出口阀打开, 流体从泵腔内排出。这样压电泵在一个电信号脉冲过程中完成一个从泵吸水到排水完整的泵抽工作过程。
图3 单腔球阀式压电泵结构示意图
    图3 单腔球阀式压电泵结构示意图
3 球阀式压电薄膜泵的实验研究
3.1 样机设计制作
    结合前面对球阀式压电薄膜泵工作原理的分析, 在实验室内, 我们设计制作了实验用样机。图4为样机的三维装配爆炸效果图及样机照片。它较详细地描述了压电泵的各部件结构及其装配关系。完成的样机外形尺寸为60 mm ×60 mm ×18 mm。
图4 球阀式压电泵样机装配爆炸效果图及照片
    图4 球阀式压电泵样机装配爆炸效果图及照片

3.2 实验设备
    a1 实验中选用A G1200 信号发生器为压电泵实验提供想要的任意波形。
    b1 利用705810 功率放大器将信号发生器产生的波形放大后, 输入压电泵。
3.3 实验流体
    采用蒸馏水为试验用流体。
3.4 试验测试装置布置图
    图5 为压电泵实验装置布置示意图。
图5 压电泵实验装置布置示意图
    图5 压电泵实验装置布置示意图
    a1 零流量输出压力试验。
    试验中, 保持压电泵的入水口同水槽的水面在同一平面上, 分别进行压电泵输出压力对电压及频率特性的试验测试。
    b1 零压力输出流量试验。
    保持压电泵的出水口同储水槽的水面在同一平面上, 分别进行压电泵输出流量对电压及频率特性的试验测试。
3.5 试验结果
    a1 球阀式压电泵的压力、流量2电压特性实验测得, 当工作频率固定时, 在所进行的测试范围内, 压电泵的输出压力及流量与电压近似成线性关系, 随电压的增加而线性增加(见图6、7)。
图6 压差(零流量输出) 2电压特性曲线
    图6 压差(零流量输出) 2电压特性曲线

图7 不同频率下流量2电压特性曲线
    图7 不同频率下流量2电压特性曲线
    b1 球阀式压电泵的压力、流量2频率特性如图8、9 所示, 球阀式压电泵实验样机的最佳工作频率处于10 Hz 左右的低频率段, 同时随着工作频率的增加而呈较明显的下降趋势。
图8 压电泵压差2频率特性曲线
    图8 压电泵压差2频率特性曲线

 
    图9 不同电压下流量2频率特性曲线
    c1 压电泵的流量同输出压力成线性关系球阀式压电泵其流量是随输出压力的变化而变化的, 这一点同离心泵较为相似。随输出端背压的增加球阀式压电泵的输出流量成线性递减规律。如图10 所示。
图10 输出端背压对流量影响的关系曲线
    图10 输出端背压对流量影响的关系曲线
4 结束语
    通过对球阀式压电薄膜泵的初步研究, 我们得出球阀式压电泵是一种结构简单的有阀式压电泵,它具有机械稳定性好、制造成本廉价以及较好止流特性等优点, 具有一定的产品开发价值; 不过实验中的样机还只适宜于低频段工作, 如何提高球阀泵的频响仍将是今后研究工作的一个重点。