基于柔性支撑的压电共振泵的设计及试验研究

发布时间：2020-08-16 21:46

【摘要】：压电隔膜泵输送液体精度高且响应速度快,其自身结构紧凑易实现微型化,具有广阔的市场应用前景。传统的压电隔膜泵利用与泵体周边密封安装的压电振子直接驱动流体工作,而周边夹持的安装方式会限制压电振子的变形,使压电隔膜泵很难获得较大的泵腔容积变化量。共振原理的应用为提高压电隔膜泵泵腔容积变化量提供了解决方案。共振型压电隔膜泵将压电致动器与泵腔隔膜分离,利用共振原理将压电致动器的振动位移放大后驱动泵腔隔膜。国外研究的共振型压电隔膜泵主要采用压电叠堆为致动器,发挥压电叠堆输出力大的优势。但压电叠堆的制造工艺相对复杂,成本高体积大,损坏后一次性更换成本较高。国内对共振型压电隔膜泵的研究起步较晚,但近些年有关研究逐渐增多,主要采用形式多样的晶片式压电振子作为共振型压电隔膜泵的驱动单元。本文结合国家自然科学基金项目《压电型气体隔膜泵设计理论与关键技术研究》(项目编号:51175213)开展研究,提出一种基于柔性支撑的压电共振泵(下文简称“共振泵”),采用周边柔性支撑的方形压电振子作为共振泵的驱动单元,并利用共振原理将方形压电振子的振动位移放大后驱动泵腔隔膜。研究提高共振泵输送液体的流量和压力以及长期工作稳定性的有效方法,论文主要内容如下:1、共振泵用方形压电振子的研究综合分析常用压电振子的优势和不足,提出一种柔性支撑的方形压电振子。方形压电振子基板的周边采用镂空设计并采用独特的四角固定的安装方式,进而形成一种柔性支撑的结构,提高方形压电振子刚度调整的灵活性并降低其振动约束。建立方形压电振子在几何中心等效集中力作用下的刚度计算模型,结合有限元仿真分析研究方形压电振子中心的静态和动态输出特性,优化方形压电振子的结构参数。通过输出位移、输出力和谐振频率等测试试验,验证方形压电振子的静态和动态输出性能。2、共振泵用轮式阀的研究共振泵工作在特定的共振频率附近,选择一种在特定工作频率下性能突出的被动截止阀至关重要。分析常用被动截止阀的工作特性,确定本文研究的共振泵采用轮式阀结构。分析轮式阀的动态工作过程,建立碰撞振动情况下轮式阀的运动模型。根据平板缝隙流理论推导计算轮式阀的理论流量,并利用Matlab对流量公式进行求解,得到以轮式阀的刚度和工作频率为变量的轮式阀流量曲线。选用不同刚度的轮式阀制作压电隔膜泵样机,测试各样机的输出性能,并结合轮式阀理论流量的分析结果研究轮式阀刚度对特定工作频率下轮式阀工作性能的影响。3、共振泵振动系统的建模与分析压电振子的振动位移较小,直接作用到泵腔隔膜后很难获得理想的泵腔容积变化量。本文将方形压电振子与泵腔隔膜通过弹片式传振块连接,为共振泵构造了一个两自由度的压电驱动系统。建立共振泵振动系统的动力学模型,通过调整弹片式传振块的质量和刚度来优化振动系统参数。最后制作共振泵振动系统性能测试样机,通过试验研究共振泵振动系统的幅频特性。4、共振泵性能的试验研究根据理论分析结果制作共振泵样机,并通过输出流量和输出压力测试试验对共振泵性能进行研究分析,近一步优化共振泵的结构参数。合理的泵腔和流道结构都会影响共振泵的输出性能,通过试验测试的方法找到共振泵的最佳腔高,同时采用导流槽和缓冲腔结构优化共振泵的泵腔结构和流道系统,提高共振泵的输出性能。5、壁面浸润性优化共振泵工作稳定性的研究长期稳定在共振状态下工作是保证共振泵高性能工作的前提。试验发现,由于共振泵的振幅较大,泵腔中的液体在泵腔隔膜剧烈的振动冲击下很容易产生气泡,这些气泡会严重干扰共振系统工作的稳定性。为了降低共振泵流道系统中气泡的危害,研究提升共振泵工作稳定性的方法,本文通过试验研究液体中气泡与不同浸润性壁面之间的作用关系,将壁面浸润性原理应用到共振泵的流道系统中。设计相应的对比试验,测试不同的浸润性壁面对共振泵输出性能的影响,寻求抑制气泡产生和快速高效排出流道系统中气泡的解决方法,提高共振泵长期工作的稳定性。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH38
【图文】：

隔膜泵,压电,振子,胰岛素泵

相应的结构改进，制成具有不同功能和结构特点的压电隔膜泵。1.2.1 国外压电隔膜泵的研究现状关于压电隔膜泵最早的研究文献发表于 1975 年，美国学者 L. Thomas Jr 等人将两个圆形压电振子上下对称布置构成一个密闭泵腔，两个圆形压电振子在交流电驱动下相向运动，与单个压电振子相比可以实现更大的泵腔容积Y 化量。并采用电磁式主动阀制作压电隔膜泵的进出口单向阀[38]。工作过程如图 1.3 所示，压电隔膜泵的入口阀和出口阀近似为一个两位三通的电磁换向阀，与压电振子配合往复动作。在 Vpp=150V 的正弦波电压驱动下，工作频率为 60Hz 时每个工作周期可以实现 1μl 的精密液体输送，输出压力最大可达 16kPa。治疗糖尿病的胰岛素泵要便于随身携带且能定时定量输送药物给患者，研究人员应用上述结构的压电隔膜泵制作了如图 1.4 所示的小型胰岛素泵。将胰岛素泵首先对动物进行了活体试验，获得成功之后将其应用于人体，试验证明其控制血糖效果明显。

电振子,双压,单泵,隔膜泵

隔膜泵,振子,压电

第 1 章绪论液体时，最大流量可达 200ml/min。同年，美国学者 Spencer 等人采用矩形压振子制作进出口主动阀，将圆形压电振子与泵体周边密封制成单腔压电隔膜泵]，结构如图 1.6 所示。使用该泵输送胰岛素药液并由外部驱动电路控制圆形压振子和进出口阀的工作频率，通过试验测得该泵单个周期的液体排量为.94μl，最高输出压力为 13kPa。

【参考文献】