孫曉鋒，劉 勇，武之煒，黃 成

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

引言

泵是輸送流體或使流體增壓的機(jī)械，它將原動(dòng)機(jī)的機(jī)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(dòng)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(yùn)動(dòng)，使工作容積交替增大和縮小，以實(shí)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(dòng)的邊界面的工作方式，而是把作用在移動(dòng)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(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，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(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、耗能低、無(wú)噪聲、無(wú)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(shí)有的結(jié)構(gòu)壓電泵自吸困難，工作過(guò)程中液體中有氣泡存在時(shí)會(huì)影響輸出的穩(wěn)定性等[6-8]。

本研究設(shè)計(jì)了一種軸向出流的單腔有閥壓電泵，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在工作過(guò)程中使流體的流動(dòng)方向始終沿著壓電振子的振動(dòng)方向，并將進(jìn)口管設(shè)計(jì)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(dòng)過(guò)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(jìn)行比較，獲得結(jié)構(gòu)變化對(duì)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(jì)和理論分析

傳統(tǒng)的軸流泵是靠旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片對(duì)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(shí)，流體沿著泵腔的軸向流入流出，使流體的流動(dòng)方向與壓電振子的振動(dòng)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(dòng)截止閥的中間體及起壓緊和密封作用的下蓋。將進(jìn)口閥設(shè)計(jì)在圓柱形腔體的中心位置，并保證進(jìn)口管的軸線與壓電振子垂直，形成軸向進(jìn)流方式；將出口閥設(shè)計(jì)在泵腔外，通過(guò)導(dǎo)流槽與泵腔連接，出口管方向與閥開(kāi)啟方向一致。

1.緊固螺栓 2.上蓋 3.泵腔 4.進(jìn)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(jìn)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(gè)周期內(nèi)壓電泵的工作過(guò)程為：當(dāng)圓形壓電振子5向上振動(dòng)時(shí)，泵腔3容積變大，作用在進(jìn)口閥4的外部環(huán)境壓力大于泵腔內(nèi)部壓力，進(jìn)口閥逐漸打開(kāi)，流體通過(guò)進(jìn)口11進(jìn)入泵腔。當(dāng)壓電振子向下振動(dòng)時(shí)，泵腔容積變小，作用在進(jìn)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(shí)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(kāi)，流體通過(guò)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(dòng)變形函數(shù)為w(r,T)，初始(T=0)時(shí)壓電振子處于水平位置，工作開(kāi)始后向上振動(dòng)，如圖2所示，假設(shè)壓電振子各點(diǎn)振動(dòng)幅值在壓電泵工作時(shí)基本保持不變，則在1/4周期時(shí)間內(nèi)壓電振子彎曲振動(dòng)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(shí)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(shí)，可看作是等溫過(guò)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(shí)(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(shí)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(shí)壓強(qiáng)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(jìn)口閥安置在泵腔中心處，可保證當(dāng)流體進(jìn)入泵腔時(shí)，作用在閥兩側(cè)的壓差為瞬時(shí)最大值。同時(shí)將出口閥安置在泵腔外，通過(guò)出口連接通道12與泵腔相連，可避免在狹小泵腔內(nèi)進(jìn)出口流體相互干擾，影響流體的凈輸出流量。

2 試驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)單腔泵性能測(cè)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(jìn)出口管軸線與壓電振子的振動(dòng)方向相垂直，為側(cè)向出流；圖3b進(jìn)出口管軸線與壓電振子的振動(dòng)方向一致，流體從軸向進(jìn)出，為軸向出流。

圖3 不同結(jié)構(gòu)的單腔體壓電泵

試驗(yàn)條件為驅(qū)動(dòng)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(cè)量輸出液體流量隨頻率變化規(guī)律的試驗(yàn)中，所需正弦交流驅(qū)動(dòng)電源，是針對(duì)壓電泵驅(qū)動(dòng)所設(shè)計(jì)的專用驅(qū)動(dòng)電源，輸出電壓在0～220 V之間，驅(qū)動(dòng)頻率在40～400 Hz，并將數(shù)顯計(jì)時(shí)器與壓電泵串聯(lián)在一起，設(shè)置工作時(shí)間為60 s。當(dāng)計(jì)時(shí)器啟動(dòng)后，60 s測(cè)量自動(dòng)停止，然后通過(guò)電子稱測(cè)量出輸出流量；測(cè)試輸出壓力的智能數(shù)字壓力表，最小測(cè)量壓力0.1 kPa，如圖4a所示。在測(cè)量輸出氣體流量隨頻率變化規(guī)律的試驗(yàn)中，測(cè)試輸出流量選用的是GL-103B皂液式氣體流量計(jì)，測(cè)量氣體流量范圍為5～5000 mL/min，如圖4b所示。

圖4 測(cè)試輸出性能的試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)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(dòng)電信號(hào)頻率之間的變化曲線。從曲線中可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電信號(hào)頻率小于280 Hz時(shí)，進(jìn)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(dòng)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(dòng)電信號(hào)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(huì)出現(xiàn)多個(gè)最佳工作頻率點(diǎn)，在當(dāng)驅(qū)動(dòng)電信號(hào)頻小于120 Hz時(shí)，進(jìn)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(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于側(cè)向出流的a結(jié)構(gòu)壓電泵，這說(shuō)明采用軸向出流設(shè)計(jì)的單腔體壓電泵在流動(dòng)過(guò)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(hào)波形對(duì)單腔泵輸出影響

為測(cè)試驅(qū)動(dòng)電信號(hào)波形對(duì)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(hào)[12]，在相同有效電壓80 V時(shí)對(duì)軸向出流的單腔壓電泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，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(yàn)曲線中可以發(fā)現(xiàn)，在工作頻率小于250 Hz時(shí)，輸出液體性能較好的電信號(hào)波形依次為鋸齒波、三角波、方波和正弦波，而當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率高于250 Hz時(shí)，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(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的單腔有閥壓電泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測(cè)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(dāng)高頻工作時(shí)，后者要高于前者；

(2)在整個(gè)試驗(yàn)測(cè)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(dòng)信號(hào)的波形對(duì)壓電泵的輸出性能會(huì)有很大影響。