陳 亮， 孫曉鋒， 林燕霞， 王盈學(xué)， 劉 勇

(1.長(zhǎng)治職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械電子工程系， 山西長(zhǎng)治 046000； 2.常州工學(xué)院航空與機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇常州 213032；3.吉林大學(xué)機(jī)械與航天航空工程學(xué)院， 吉林長(zhǎng)春 130025)

引言

雙腔并聯(lián)壓電泵是多腔并聯(lián)壓電泵中最早開(kāi)始研究的結(jié)構(gòu)形式。1990年，SHOJI S等[1]為了構(gòu)造集成式的化學(xué)分析系統(tǒng)，開(kāi)始了并聯(lián)壓電泵的研究，這種并聯(lián)壓電泵采用壓電疊堆進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，帶有單向截止閥，驅(qū)動(dòng)2個(gè)壓電疊堆的電信號(hào)相位差相差180° ，屬于異步驅(qū)動(dòng)。1995年，OLSSON A等[2]為了提高壓電泵的輸出流量，設(shè)計(jì)了雙腔并聯(lián)錐形管無(wú)閥四振子壓電泵，其中每個(gè)腔體具有一對(duì)錐形管進(jìn)口閥和出口閥，并由2個(gè)壓電振子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，2個(gè)腔體之間“一”字形排列，由共同的進(jìn)口槽和出口槽將2個(gè)腔體連接在一起，在異步驅(qū)動(dòng)和同步驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行輸出性能試驗(yàn)，異步驅(qū)動(dòng)時(shí)的輸出流量和輸出壓力為同步驅(qū)動(dòng)時(shí)的2倍。2004年，KIM J H等[3]設(shè)計(jì)了由2個(gè)振子驅(qū)動(dòng)的錐形管無(wú)閥壓電泵，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的雙腔并聯(lián)泵相似，該壓電泵由矩形波交流電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加，輸出流量也隨之增大。

國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于雙腔并聯(lián)壓電泵的研究始于2004年，吳博達(dá)[4]設(shè)計(jì)了收縮管/擴(kuò)張管無(wú)閥雙腔并聯(lián)壓電泵。曾平[5]和闞君武[6]分別設(shè)計(jì)了雙腔并聯(lián)有閥壓電泵，由于被動(dòng)截止閥的應(yīng)用，使泵在輸送時(shí)截止性能增強(qiáng)，輸出流量和輸出壓力進(jìn)一步增加。

近年來(lái)，關(guān)于并聯(lián)壓電泵的研究，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上已經(jīng)從傳統(tǒng)的“一”字形結(jié)構(gòu)[7-8]發(fā)展到層疊型結(jié)構(gòu)[9-11]設(shè)計(jì)，使并聯(lián)壓電泵的結(jié)構(gòu)更加緊湊，內(nèi)部流道變短，極大減小了泵工作時(shí)的流動(dòng)阻力，提高了輸出性能。

本研究對(duì)層疊型雙腔并聯(lián)壓電泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，在通孔上設(shè)計(jì)了隔板結(jié)構(gòu)，把這種結(jié)構(gòu)的輸出性能同早期結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)雙腔并聯(lián)壓電泵的輸出理論問(wèn)題進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 雙腔并聯(lián)壓電泵結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的層疊型雙腔并聯(lián)壓電泵在通流板出口端通孔上設(shè)計(jì)了隔板，如圖1所示，隔板的作用是避免兩腔內(nèi)流體排出時(shí)在通孔內(nèi)正向碰撞而產(chǎn)生能量損失，影響泵的輸出結(jié)果。

層疊型雙腔并聯(lián)壓電泵是上下完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在中間通流板上設(shè)計(jì)有泵進(jìn)出口通道。早期設(shè)計(jì)的通流板結(jié)構(gòu)如圖2a所示，這種結(jié)構(gòu)的通流板使流體進(jìn)入上下2個(gè)腔體后，在向出口排出時(shí)，兩股流體在通孔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生正向碰撞，由此發(fā)生能量損失。圖2b所示通流板結(jié)構(gòu)是在出口處的通孔增加隔板，使上下腔內(nèi)排出的流體直接進(jìn)入出口，避免了正向碰撞發(fā)生。

圖1 層疊型雙腔并聯(lián)壓電泵結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of stacked double-chamber parallel piezoelectric pump

圖2 不同結(jié)構(gòu)通流板Fig.2 Different structural flow plates

2 雙腔體并聯(lián)泵的輸出特性

雙振子壓電泵并聯(lián)時(shí)，2個(gè)腔內(nèi)的流體獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，其輸出能力與電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)情況有關(guān)。當(dāng)2個(gè)壓電振子在一個(gè)振動(dòng)周期T內(nèi)振動(dòng)時(shí)，腔內(nèi)流體流入和流出泵腔的狀況，如圖3所示，圖中箭頭表示同一時(shí)刻流體的流動(dòng)。

圖3 電信號(hào)不同驅(qū)動(dòng)方式下泵腔容積變化情況Fig.3 Volume change of pump chamber under different driving modes of electrical signal

當(dāng)電信號(hào)同步驅(qū)動(dòng)時(shí)，以一個(gè)工作周期進(jìn)行分析，如圖3a所示，流體進(jìn)入2個(gè)腔體和從2個(gè)腔體排出是同時(shí)進(jìn)行的，總的輸出流量理論上應(yīng)為2個(gè)腔體獨(dú)立工作時(shí)輸出流量之和：

Qout=Q1+Q2

(1)

式中，Q1和Q2為2個(gè)腔體單獨(dú)工作時(shí)的輸出流量。

但是在實(shí)際工作時(shí)，從排出過(guò)程的原理圖可以看出，2個(gè)腔內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)會(huì)存在相當(dāng)大的回流量，因此實(shí)際流量可能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論值。

所能達(dá)到的最大輸出壓力為：

pout=max{p1,p2}

(2)

式中，p1和p2為2個(gè)腔體單獨(dú)工作時(shí)的輸出壓力。

當(dāng)電信號(hào)是異步驅(qū)動(dòng)時(shí)，由圖3b可以看出，流體進(jìn)入一個(gè)泵腔時(shí)，另一個(gè)泵腔內(nèi)的流體正在排出，兩腔內(nèi)流體在排出過(guò)程中可以避免碰撞的發(fā)生，回流現(xiàn)象不明顯，此時(shí)的輸出流量為：

Qout=Q1+Q2

(3)

輸出的壓力與串聯(lián)泵的輸出壓力情況相同，理論上應(yīng)為：

pout=p1+p2

(4)

3 試驗(yàn)測(cè)試分析

3.1 輸出性能比較

試驗(yàn)條件：驅(qū)動(dòng)振子為壓電單晶片，基板為銅基板，厚度0.2 mm，直徑35 mm；壓電陶瓷為PZT-5A，厚度0.2 mm，直徑29 mm。驅(qū)動(dòng)電壓為110 V正弦交流電，工作頻率40～400 Hz。試驗(yàn)裝置有驅(qū)動(dòng)電源、計(jì)時(shí)器、壓力表、皂液式氣體流量計(jì)、天平、燒杯等，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置Fig.4 Test apparatus

試驗(yàn)介質(zhì)：水和空氣，分別以水和空氣為介質(zhì)，對(duì)帶有隔板和沒(méi)有隔板的層疊型雙腔并聯(lián)壓電泵的輸出性能進(jìn)行測(cè)試，獲得2種結(jié)構(gòu)形式的雙腔并聯(lián)壓電泵輸送氣體的流量曲線，如圖5所示。

圖5 電信號(hào)不同驅(qū)動(dòng)方式下輸出氣體流量曲線Fig.5 Output gas flow-rate under different driving modes of electrical signal

從圖5中可以看出，不管是同步驅(qū)動(dòng)還是異步驅(qū)動(dòng)，隔板的存在對(duì)輸出氣體流量影響極小，其原因是氣體密度小，黏度也小，氣體間發(fā)生相互碰撞時(shí)能量損失相對(duì)較小，因此隔板是否存在對(duì)氣體流量輸出影響不大。

圖6 電信號(hào)不同驅(qū)動(dòng)方式下輸出液體流量曲線Fig.6 Output liquid flow-rate under different driving modes of electrical signal

另外同步驅(qū)動(dòng)輸送液體時(shí)，泵的工作性能和單腔泵[12]的工作性能比較相似，最佳工作頻率點(diǎn)較低，而且當(dāng)工作頻率超過(guò)160 Hz時(shí)，幾乎沒(méi)有液體流出。

從壓電泵的工作原理上看，在相同頻率驅(qū)動(dòng)下，腔體容積的變化量大小決定輸出流量大小，而在同步驅(qū)動(dòng)和異步驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生的腔體容積變化量是相同的，而之所以產(chǎn)生不同的輸出結(jié)果，其原因可能有以下兩方面：一方面，同步工作時(shí)對(duì)稱性的輸出影響了閥的開(kāi)啟；另一方面，文獻(xiàn)[13]研究表明，壓電泵出流應(yīng)當(dāng)包括兩部分：一部分由腔體容積變化產(chǎn)生，可稱為容積流，另一部分是慣性流。慣性流是指壓電泵在排程末時(shí)會(huì)使泵腔內(nèi)出現(xiàn)一定的負(fù)壓，促使入口閥打開(kāi)，流體從入口直接流向出口，形成出流，因此將這種因慣性而形成的出流稱為慣性流。慣性流在壓電泵的總輸出中占有多大比重尚不確定，但同步驅(qū)動(dòng)時(shí)并聯(lián)壓電泵的有效工作頻率較低，輸出流量較小，而在異步驅(qū)動(dòng)時(shí)有效工作頻率較高，輸出流量增大，說(shuō)明慣性流在高頻工作時(shí)可能是壓電泵流量輸出很重要的部分。

不管是哪種驅(qū)動(dòng)方式，隔板的存在都會(huì)在一定程度上緩解正面碰撞產(chǎn)生的能量損失，使輸出液體流量有所提高。尤其在異步驅(qū)動(dòng)時(shí)，隔板存在還會(huì)有效阻止一個(gè)腔體內(nèi)流體向另一個(gè)腔體內(nèi)的回流。

圖7是輸送液體水時(shí)的輸出壓力曲線。同步驅(qū)動(dòng)時(shí)隔板的存在對(duì)輸出壓力幾乎沒(méi)有產(chǎn)生影響，而當(dāng)異步驅(qū)動(dòng)時(shí)，帶有隔板會(huì)提高輸出壓力。

圖7 電信號(hào)不同驅(qū)動(dòng)方式輸出液體壓力曲線Fig.7 Output liquid pressure under different driving modes of electrical signal

3.2 輸出理論的試驗(yàn)驗(yàn)證

雙腔并聯(lián)壓電泵的總體輸出能力和單個(gè)壓電振子輸出能力的關(guān)系，會(huì)隨著2個(gè)振子的驅(qū)動(dòng)方式不同而產(chǎn)生差異，其理論關(guān)系如式(1)～式(4)，試驗(yàn)中測(cè)試了2個(gè)振子單獨(dú)工作時(shí)的輸出流量和輸出壓力，將其計(jì)算結(jié)果和2個(gè)振子同時(shí)工作時(shí)結(jié)果進(jìn)行比較。

圖8是單振子驅(qū)動(dòng)和2個(gè)振子同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)輸送氣體流量曲線。從結(jié)果來(lái)看，2個(gè)單個(gè)振子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)所得輸出流量之和與2個(gè)振子同時(shí)工作時(shí)的輸出流量幾乎完全相同，并且驅(qū)動(dòng)方式對(duì)2個(gè)振子的輸出結(jié)果也幾乎沒(méi)有影響。這說(shuō)明當(dāng)輸送氣體時(shí)，理論式(1)、式(3)是完全正確的。

圖8 單振子驅(qū)動(dòng)和雙振子驅(qū)動(dòng)時(shí)輸出氣體流量曲線Fig.8 Graph of output gas flow-rate drived by single-vibrator or double-vibrator

圖9是不同數(shù)量振子輸送液體流量曲線。當(dāng)2個(gè)振子同步驅(qū)動(dòng)時(shí)，輸出效果很差，驅(qū)動(dòng)頻率超過(guò)160 Hz 時(shí)幾乎不再工作，且在大部分工作頻率下，其輸出流量比單個(gè)振子驅(qū)動(dòng)輸出流量還差。這種情況下的輸出結(jié)果與式(1)已存在相當(dāng)大的誤差，式(1)不再滿足實(shí)際輸出狀況。而當(dāng)異步驅(qū)動(dòng)時(shí)，2個(gè)振子同時(shí)工作時(shí)的實(shí)際輸出流量約為2個(gè)單個(gè)振子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)所得輸出流量加和的1.4倍，與理論式(3)也存在一定誤差，這說(shuō)明前面闡述的壓電泵輸出流量是由體積流和慣性流兩部分組成是正確的。因?yàn)橹挥畜w積流的存在，才有可能出現(xiàn)這樣的試驗(yàn)結(jié)果。

圖9 單振子驅(qū)動(dòng)和雙振子驅(qū)動(dòng)時(shí)輸出液體流量曲線Fig.9 Graph of output liquid flow-rate drived by single-vibrator or double-vibrator

圖10是不同數(shù)量振子驅(qū)動(dòng)時(shí)輸出壓力曲線。2個(gè)振子同步工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)頻率超過(guò)160 Hz時(shí)沒(méi)有流量輸出，因此也不能再輸出壓力，但在有效工作頻率范圍內(nèi)，其輸出壓力值和單振子工作時(shí)的輸出壓力值比較接近，也驗(yàn)證了理論式(2)的正確性。當(dāng)2個(gè)振子異步工作時(shí)，輸出壓力值整體好于單振子工作；當(dāng)工作頻率大于140 Hz時(shí)，其輸出壓力值比2個(gè)單振子獨(dú)立工作時(shí)輸出壓力之和略大，但比較接近。

圖10 單振子驅(qū)動(dòng)和雙振子驅(qū)動(dòng)時(shí)輸出液體壓力曲線Fig.10 Output liquid pressure drived by single-vibrator or double-vibrator

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)帶有隔板的層疊型雙腔并聯(lián)壓電泵進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，得出如下結(jié)論：

(1) 出口通孔處隔板的存在，可以提高該結(jié)構(gòu)壓電泵輸送液體時(shí)的性能；

(2) 當(dāng)工作介質(zhì)為氣體時(shí)，不管是同步驅(qū)動(dòng)還是異步驅(qū)動(dòng)，2個(gè)振子同時(shí)工作時(shí)輸出流量為2個(gè)振子各自單獨(dú)工作時(shí)輸出流量之和；

(3) 當(dāng)工作介質(zhì)為液體時(shí)，在2個(gè)振子同步驅(qū)動(dòng)時(shí)輸出流量出現(xiàn)小于單個(gè)振子工作時(shí)的輸出流量情況，而異步驅(qū)動(dòng)輸出流量約為2個(gè)單個(gè)振子工作時(shí)的輸出流量和的1.4倍；

(4) 當(dāng)工作介質(zhì)為液體時(shí)，同步驅(qū)動(dòng)時(shí)輸出壓力為單個(gè)振子工作時(shí)輸出壓力的最大值，而異步驅(qū)動(dòng)當(dāng)工作頻率大于140 Hz時(shí)，輸出壓力與2個(gè)振子單獨(dú)工作時(shí)輸出壓力之和基本接近。