悬置式惯性压电共振隔膜泵的研究

发布时间：2017-04-25 18:04

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【摘要】：本文结合国家自然科学基金项目《压电流体惯性驱动器的基础理论及关键技术研究》(项目编号:51205369)的研究,以共振原理为基础,通过调节输入电信号的频率、电压来实现对隔膜泵的精确控制,近年来主要应用在药物输送、燃料供给、化学分析与检测等领域。虽然在工业生产领域隔膜泵的实际应用越来越广,但是在一些特殊应用场合对隔膜泵的外形尺寸与输出性能方面提出了更高的标准。隔膜泵主要分为电磁隔膜泵和压电泵两类,他们有着各自的优缺点,在市场上的应用也受到了限制。目前,在压电共振隔膜泵的研究中,对驱动元件压电振子采用中间固支结构应用的还比较少,因此本文提出了利用压电振子中间固支结构与系统谐振技术相结合,研制了一种利用压电振子两自由端悬置式惯性而激励系统共振的新型压电共振隔膜泵。本文的研究内容如下:1.分析了国内外压电共振泵的研究现状,对压电材料的基本知识进行了分析,压电振子作为压电共振泵的主要驱动元件,分析了它的基本结构与振动模式,并列出了三种主要支撑方式。本文采用正弦波信号来激励中间固支的矩形压电振子,通过试验测得,在不同电压下,矩形压电振子自由端的变形状态,矩形压电振子自由端振幅随频率的变化情况,选取了合适的驱动信号与频率范围,使得压电振子能够稳定的工作。2.分析了矩形压电振子的接线方式,依据压电振子三种主要支撑方式,并对三种主要支撑方式的矩形压电振子的动态特性进行了仿真分析,利用COMSOL有限元仿真的方法分析了三种主要支撑方式矩形压电振子的前四阶固有频率和模态振型,利用MATLAB分析软件研究了中间固支压电振子的静态特性,并分析其结构尺寸参数对端部动态挠度和端部冲击力幅值的影响。然后,搭建了振幅测试试验平台,由试验得到矩形压电振子三种主要支撑方式下振幅随距离变化情况,还利用精密阻抗分析仪测得中间固支式压电振子的共振频率,并选取了合适的压电振子结构尺寸。3.分析了悬置式惯性压电共振隔膜泵的结构设计及工作过程,对激振单元的内部结构组成进行了分析,以激振单元的共振原理入手,建立起了激振单元的动力学模型,得到了影响激振单元位移的因素,计算并优化了主要内部结构件的刚度。然后,利用阻抗分析仪测得了共振泵的共振频率,通过反复测试并对附加质量块进行了优化,得到了随着附加质量块质量增加,共振泵共振频率随之降低。另外,利用激光测微仪分别测得了隔膜与压电振子的位移,得到了激振单元位移放大倍数。进一步说明,与一般传统压电泵相比,在输出性能方面有明显优势。4.主要是针对悬置式惯性压电共振隔膜泵泵送单元和共振泵输出性能两部分进行了研究工作。第一部分中,对泵送单元的内部结构及工作机制进行了阐述,分析了隔膜的挠度,对隔膜进行了优化,并把泵腔的容积变化率、气泡、阀的滞后性对共振泵输出性能的影响进行了分析说明。第二部分是搭建了输出流量和输出压力试验测试平台,选取了合适的截止阀,分析了阀堵直径对共振泵输出性能的影响,在阀堵直径确定的情况下,通过选取不同的阀孔直径、不同的腔体高度、不同长度的传振杆,测试共振泵的输出性能。结果表明:在最佳谐振频率处,与其他共振泵相比,虽然输出流量不是很明显,但输出压力却是很大的。
【关键词】：压电振子 隔膜泵 悬置 惯性驱动
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH38
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-27
• 1.1 压电泵的研究现状13-18
• 1.1.1 压电泵国外研究现状13-16
• 1.1.2 压电泵国内研究现状16-18
• 1.2 压电共振泵的研究现状18-24
• 1.2.1 压电共振泵国外研究现状18-22
• 1.2.2 压电共振泵国内研究现状22-24
• 1.3 选题意义及本文研究的主要内容24-27
• 1.3.1 选题意义24-25
• 1.3.2 本文研究的主要内容25-27
• 2 压电材料性能与压电振子振动特性分析27-38
• 2.1 压电材料的属性27-30
• 2.1.1 压电材料27
• 2.1.2 正逆压电效应27-28
• 2.1.3 压电材料的分类28-29
• 2.1.4 压电材料的性能参数29-30
• 2.2 压电振子基本振动特性分析30-34
• 2.2.1 压电振子的结构形状30
• 2.2.2 压电方程30-32
• 2.2.3 压电振子的振动模式32-33
• 2.2.4 压电振子支撑方式的选择33-34
• 2.3 矩形压电振子的测试分析34-37
• 2.3.1 试验器材34-35
• 2.3.2 压电振子振幅与驱动电压关系35-36
• 2.3.3 压电振子振幅变形曲线的拟合36
• 2.3.4 压电振子振幅与频率关系36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 3 矩形压电振子不同支撑方式的仿真分析与试验研究38-48
• 3.1 矩形压电振子的接线方式38
• 3.2 矩形压电振子三种支撑方式38-39
• 3.3 矩形压电振子支撑方式的COMSOL特性仿真分析39-42
• 3.3.1 压电振子位移特性仿真分析39-41
• 3.3.2 压电振子模态特性仿真分析41-42
• 3.4 中间固支支撑矩形压电振子静态特性仿真分析42-45
• 3.4.1 压电振子结构尺寸对两自由端动挠度的影响42-44
• 3.4.2 压电振子结构尺寸参数与端部冲击能力关系44-45
• 3.5 矩形压电振子试验性能测试45-47
• 3.5.1 压电振子三种支撑方式的试验分析45-46
• 3.5.2 中间固支压电振子阻抗分析46-47
• 3.6 本章小结47-48
• 4 悬置式惯性压电共振隔膜泵的设计48-62
• 4.1 共振泵的工作过程48-49
• 4.2 共振泵激振单元的结构和共振原理49-58
• 4.2.1 激振单元的结构设计49-51
• 4.2.2 激振单元的共振原理51
• 4.2.3 激振单元动力学模型建立51-55
• 4.2.4 激振单元部分结构刚度优化55-58
• 4.3 共振泵激振单元试验测试58-61
• 4.3.1 激振单元共振频率的测试58-59
• 4.3.2 驱动电压对位移的影响59-60
• 4.3.3 位移放大倍数的测量60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 5 悬置式惯性压电共振隔膜泵的试验研究62-74
• 5.1 共振泵泵送单元内部结构优化及影响因素分析62-67
• 5.1.1 泵送单元结构与工作机制62-63
• 5.1.2 隔膜的挠度分析63-66
• 5.1.3 容积变化率的影响66
• 5.1.4 气泡对共振泵输出性能影响66-67
• 5.1.5 阀的滞后性影响67
• 5.2 悬置式惯性压电共振隔膜泵的试验测试研究67-72
• 5.2.1 试验器材67-68
• 5.2.2 截止阀的选取68-70
• 5.2.3 驱动电压对共振泵输出性能影响70
• 5.2.4 阀孔直径对共振泵输出性能影响70-71
• 5.2.5 腔体高度对共振泵输出性能影响71-72
• 5.2.6 传振杆长度对共振泵输出性能影响72
• 5.3 共振泵的频率特性72-73
• 5.4 本章小结73-74
• 结论74-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-81
• 攻读学位期间的研究成果81

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本文编号：326775