李勝杰 朱亞妮 巫群洪 郭和平 邵宇鑫

（1.浙江師范大學(xué) 精密機(jī)械與智能結(jié)構(gòu)研究所，金華 321004； 2.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程與交通學(xué)院，紹興 312300；3.寧波軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，寧波 315100）

壓電諧振泵作為一種新型的流體驅(qū)動(dòng)裝置，主要利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)使壓電振子變形，進(jìn)而改變泵腔的體積來實(shí)現(xiàn)流體的傳輸。由于壓電泵具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無噪聲、輸出流量可控性好以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療、化學(xué)分析、航空航天和微流體輸送系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

近年來，利用壓電泵實(shí)現(xiàn)流量控制的需求已成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。1998年，吉林大學(xué)程光明教授在國內(nèi)首次提出了被動(dòng)閥式壓電泵，采用壓電振子作為壓電泵的驅(qū)動(dòng)源，最大輸出流量可達(dá)到 71 mL·min-1[2]。2016年，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)孫富春提出設(shè)計(jì)一種驅(qū)動(dòng)電源，采用開關(guān)電源技術(shù)，產(chǎn)生激勵(lì)頻率和電壓連續(xù)可調(diào)的正弦波，驅(qū)動(dòng)滴灌壓電泵[3]。2013年，吉林大學(xué)謝海峰等人基于諧振原理開發(fā)了壓電雙晶片振蕩器諧振泵[4]。但是，上述壓電泵需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓和較小的輸出流量，存在輸出壓力低、壓電片易碎等問題。此外，壓電堆結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，嚴(yán)重阻礙了壓電泵的發(fā)展，不利于壓電泵的普及[5-6]。

以壓電諧振泵為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究，總結(jié)了改變進(jìn)氣閥直徑和驅(qū)動(dòng)激勵(lì)電壓頻率對(duì)壓電諧振泵腔內(nèi)流場的影響，得出了入口閥直徑和驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁電壓頻率在適當(dāng)范圍內(nèi)將改善泵流量和壓力的規(guī)律，并通過出口試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

1 工作原理與動(dòng)力學(xué)模型

壓電諧振泵原理如圖1所示。它是由橡膠圈、壓電振子、質(zhì)量塊、連桿和橡膠膜片組成的振動(dòng)系統(tǒng)。該泵由泵上殼體、進(jìn)口閥、進(jìn)口、出口閥、出口和泵梁組成。

壓電振子在正弦交流電壓作用下產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，為振動(dòng)系統(tǒng)提供激勵(lì)。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率達(dá)到振動(dòng)系統(tǒng)共振頻率的整數(shù)倍時(shí)，壓電振子的變形位移變大并產(chǎn)生一個(gè)力，通過連桿作用在橡膠膜片上。隔膜上下移動(dòng)，改變泵梁、進(jìn)口閥、出口閥和橡膠隔膜形成的密封腔容積，使得進(jìn)口閥和出口閥配合形成單相流。

2 模擬仿真

為了模擬壓電諧振泵內(nèi)液體流場的特性，建立了三維模型，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模，劃分了網(wǎng)格，使用了表1中的數(shù)據(jù)。假設(shè)流體介質(zhì)不可壓縮，密度ρ為998.2 kg·m-3，動(dòng)態(tài)粘度系數(shù)μ為0.001 kg·m-1·s-1，建立壓電泵的三維模型，并對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表1 泵結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)

根據(jù)壓電振子在75 V正弦驅(qū)動(dòng)電壓作用下的運(yùn)動(dòng)特性，建立了柵極的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。壓電泵的流體介質(zhì)為水，采用k-ε流體計(jì)算模型。

根據(jù)圖3和圖4的吸入和排出階段的流體流線圖：當(dāng)t=0.0004 s和t=0.0083 s時(shí)，壓電泵的流體流線中，泵腔內(nèi)的流體流線出現(xiàn)在入口和出口處；當(dāng)t=0.0146 s 時(shí)，在壓電泵的流體流線中，出現(xiàn)了從入口到泵腔的流體流線和從泵腔的出口，且出口處的流體流線多于入口處的流體流線；介于t=0.0100 s和t=0.0146 s之間時(shí)，泵室內(nèi)的流體流線從入口到出口有大量流線，反向渦不明顯。同時(shí)，在泵送流體的過程中，泵腔內(nèi)流體流線數(shù)隨時(shí)間先增加后減少，這與壓電振子上施加的正弦電壓有關(guān)。

為了進(jìn)一步探討驅(qū)動(dòng)電壓和頻率對(duì)壓電諧振泵動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響，利用Maple軟件對(duì)上述仿真結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，出口流量隨孔閥直徑變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：任何單一孔閥直徑都有對(duì)應(yīng)的一個(gè)最佳頻率，使出口流量最大；隨著孔閥直徑的增大，最大流量隨之增大，且相應(yīng)的最佳驅(qū)動(dòng)頻率隨之增大；當(dāng)外部輸入驅(qū)動(dòng)電壓頻率小于最佳驅(qū)動(dòng)頻率時(shí)，孔板閥直徑的增大將導(dǎo)致壓電諧振泵出口流量先減小后增大；當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率大于56 Hz時(shí)，出口流量波動(dòng)更明顯。當(dāng)孔板閥直徑為0.2 mm、0.6 mm、0.8 mm、 1.0 mm時(shí)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)頻率和最大出口流量分別為 38 Hz、39 Hz、43 Hz、49 Hz和0.77435 mL·s-1、 0.95497 mL·s-1、1.21147 mL·s-1、1.34485 mL·s-1。

3 測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證壓電諧振泵原理的可行性和仿真結(jié)果的有效性，設(shè)計(jì)并制造了如圖6所示的測(cè)試樣機(jī)和測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試儀器包括PI壓電專用功率放大器、壓力表、燒杯、工作臺(tái)、33522 A任意波形信號(hào)發(fā)生器、時(shí)間繼電器、精密電子秤以及諧振泵樣機(jī)等。

測(cè)試原理為信號(hào)發(fā)生器輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過PI壓電專用功率放大器放大接收到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將其作用于雙晶片矩形壓電振子，然后利用精密電子秤測(cè)量諧振泵輸出流量。

試驗(yàn)所用器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)：諧振泵所采用截止閥的厚度為0.2 mm，閥堵直徑為2.0 mm，閥孔直徑為1.5 mm， 泵腔高度為0.8 mm，傳振桿長度為16.0 mm，傳振桿直徑為3.0 mm，壓電振子外加30 V的交變電壓。

從圖7可看到：當(dāng)外部輸入驅(qū)動(dòng)電壓頻率小于96 Hz時(shí)，壓電諧振泵輸出流量隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增加而增加；當(dāng)外部輸入驅(qū)動(dòng)電壓頻率大于96 Hz時(shí)，壓電諧振泵輸出流量隨驅(qū)動(dòng)頻率的增加而減小。究其原因，可能是驅(qū)動(dòng)電壓和頻率的增大使得壓電振子上下振動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)泵腔內(nèi)流體從入口到泵腔內(nèi)部再到出口產(chǎn)生紊流狀態(tài)的漩渦，并伴隨大量回流現(xiàn)象，破壞了泵腔內(nèi)的液體流動(dòng)。然而，在96 Hz的驅(qū)動(dòng)頻率處，對(duì)應(yīng)于1.2 mm、1.5 mm和1.8 mm的閥孔直徑的輸出流量分別為57.6 mL·min-1、68.24 mL·min-1和 56 mL·min-1。與圖6的仿真模擬曲線不同，圖8中的試驗(yàn)曲線沒有最大輸出流量的偏移。這是因?yàn)閷?shí)際工作中選擇的孔閥板直徑差小，組別少，存在隨機(jī)測(cè)量誤差。

4 結(jié)語

文章提出了一種基于壓電諧振泵的流量控制方法，通過理論仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了孔板閥直徑和驅(qū)動(dòng)激勵(lì)頻率對(duì)輸出流量和壓力的影響。結(jié)果表明，通過減小回流現(xiàn)象和增大流體流量，最大振幅激勵(lì)頻率曲線出現(xiàn)明顯的共振峰，提高了共振泵的輸出流量和壓力。

（1）通過對(duì)壓電諧振泵泵腔內(nèi)液體速度和流線在一個(gè)周期內(nèi)的仿真研究，證明了泵腔在一個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)的變化引起液體的定向流動(dòng)，勵(lì)磁電壓頻率和節(jié)流閥直徑的變化會(huì)影響泵的輸出流量。可見，為了獲得高性能的輸出性能，可以適當(dāng)調(diào)整勵(lì)磁電壓頻率和孔板閥直徑。

（2）通過模擬仿真研究，增大或減小進(jìn)口孔閥直徑都會(huì)產(chǎn)生旋渦。調(diào)整勵(lì)磁電壓和頻率將改變?nèi)肟诤统隹趬毫?，可阻礙流體流動(dòng)。當(dāng)孔閥直徑為0.2 mm、 0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm時(shí)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)頻率和出口最大流量分別為38 Hz、39 Hz、43 Hz、49 Hz和 0.77435 mL·s-1、0.95497 mL·s-1、1.21147 mL·s-1、 1.34485 mL·s-1。

（3）通過相同條件下的泵流量試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)論的正確性，同時(shí)分析了模擬流程與測(cè)試流程的偏差。