三腔并联压电泵结构设计与性能分析

为提高压电泵的输出性能,设计了两种结构的三腔并联压电泵。一种采用"层叠式"结构,另一种采用"一字"排列式结构。比较两种结构的体积,"层叠式"压电泵体积为74880 mm~3,"排式"压电泵体积为98928 mm~3,前者是后者的0.75倍。在80 V正弦交流电驱动下,工作频率在40～400 Hz内,对两种结构的三腔并联压电泵进行输出性能测试。可得,两种结构压电泵最大输出气体流量可达3405 mL/min,输出液体流量可达708 mL/min,输送液体压力最大可达20.6 kPa。结果显示,三腔并联压电泵可大幅提高泵的输出能力,并且采用"层叠式"结构设计可大幅度减小泵体体积。     

泵送大粘度液体的双腔并联压电泵设计与试验研究

为使双腔并联压电泵能够输送较大粘度的液体,设计了一种以5⁷μm厚度铍青铜材料加工而成的薄片型轮式平板阀。在理论上分析了阀的过流特性,确定了影响通过阀体流量的因素,即阀自身的几何尺寸、作用在阀两侧的压力差及液体粘度对其影响,并以试验的方法确定了当阀片半径为3.25mm、阀孔半径为2.75mm时,双腔并联压电泵输出流量最好。分别以不同浓度的甘油水溶液作为试验液体,测试了在不同液体粘度、不同工作频率下双腔并联压电泵的输出流量。试验发现,随着液体粘度的增加,阀开启时的阻力增大,开启量变小,阀和压电振子之间振动相位差不断加大,截止性能变差,压电泵净输出量减少。在液体粘度μ=1.311mPa·s时,压电泵的最大输出流量可达1300mL/min,而当液体粘度μ=234.6mPa·s时,压电泵的最大输出流量仅为30 mL/min左右。试验结果为获得双腔并联压电泵输送不同粘度液体的能力提供了可靠的数据。     

层叠型双腔并联压电泵性能研究

为提高层叠型双腔并联压电泵的输出性能,在出口通孔处设计了隔板结构,以阻止流体同时出流时产生的正向碰撞和向对面腔内回流问题。采用液体水和空气作为输送介质,对试验样机进行了试验测试,结果表明:隔板结构可以大幅度提高层叠型双腔并联压电泵输送液体介质的能力,在80 V正弦交流电驱动下,最大输出流量可达460 mL·min^-1,与没有隔板结构比较,输出流量可提高约30%。对该结构压电泵单个振子驱动与2个振子驱动时的关系进行了试验验证,结果表明:当工作介质为气体时,不管是同步驱动或异步驱动,2个振子工作时输出流量约为2个单个振子独立工作时输出流量之和;当工作介质为液体时,在2个振子同步驱动时输出流量出现小于单个振子工作时的输出流量情况,而异步驱动输出流量约为2个单个振子独立工作时输出流量和的1.4倍。     

一种新型单腔双振子压电泵的结构设计和性能试验

为优化单腔双振子压电泵的结构,提高输出性能,设计了一种新型结构的单腔双振子压电泵。将新设计结构同前期设计结构进行了比较,并对两种结构的试验样机进行了输出流量测试。试验显示,新结构的输出流量是前期结构输出流量的2倍,最大流量可达800mL/min。将新结构加工了不同腔体初始容积样机,得到了压缩比对泵输出性能的影响。试验发现,当腔体高度为1.2mm,工作时的压缩比为1/46,此时单腔双振子压电泵整体输出效果最好。分析了单腔双振子压电输送液体和气体时工作特点,得到泵输送液体介质时最佳工作频率点远远低于输送气体介质。     

四腔并联压电泵结构设计

为提高压电泵的输出性能,设计了一种层叠型四腔并联有阀压电泵。在80 V正弦交流电驱动下,40~400 Hz工作频率内,以水和空气作为介质,分别选用不同数量的压电振子进行驱动,在不同的驱动方式(指振子间工作时的相位差)下对泵的输出性能进行试验测试。结果显示,当泵送空气时,不管多少个振子进行驱动,驱动方式对泵的输出流量几乎不产生任何影响,在测试频率范围内,输出流量随频率成线性变化,最大输出气体流量可达3600 mL/min;当泵送液体时,驱动方式对泵的输出流量影响很大,当同侧的压电振子为异步驱动时,输出流量的效果更好,在工作频率180 Hz时,最大输出液体流量可达830 mL/min。试验结果为多振子驱动压电泵选择合适的振子间驱动方式提供了参考依据。     

双腔四振子混联气体压电泵性能分析

为构造输出能力较大的气体压电泵,采用四振子驱动的方式,设计了双腔四振子混联气体压电泵。通过理论推导,得到四振子混联泵输出能力的理论计算公式,并计算了在工作频率段内理论输出结果。应用GL-103B型皂液式气体流量计,测试了泵送空气时的输出流量值及输送液体水的流量输出。试验结果显示,当工作介质为空气时,泵的最佳工作频率点很高,大约在360Hz附近,最大输出流量可达3405mL/min,但零流量时输出压力却非常小,仅能达到2.7kPa;当工作介质为水时,泵的最佳工作频率点在140Hz附近,最大输出流量为1078 mL/min,零流量时输出压力可达49kPa。这表明,四振子混联泵在泵送气体介质和液体介质时工作性能存在很大差异,研究结果为泵的实际应用提供了参考数据。     

双腔体压电泵设计方法研究

由于自吸性差、对气泡敏感等原因,单腔体压电泵在应用中受到限制,采用多腔体结构是提高压电泵性能的有效途径。通过分析腔体容积与压力变化过程得出：双腔体串联压电泵只能采用串联驱动方式而不能采用并联驱动方式,双腔体并联压电泵只能采用并联驱动方式而不能采用串联驱动方式。制作双腔并联、串联压电泵样机进行测试：串联压电泵在驱动电压200VAC,频率152Hz时,输出流量达到最大为1150ml/min,并联泵在驱动电压140VAC,频率220Hz时,输出流量达到最大为640ml/min;因此多腔泵采用腔体串联结构能提高压电泵的工作效率,提高泵的工作性能。     

双腔体压电泵的设计

由于自吸性差、对气泡敏感等原因,单腔体压电泵在应用中受到限制,而多腔体结构是提高压电泵性能的有效途径.通过分析腔体容积与压力变化过程得出:双腔体串联压电泵只能采用串联驱动方式而不能采用并联驱动方式,双腔体并联压电泵只能采用并联驱动方式而不能采用串联驱动方式.制作双腔串联、并联压电泵样机并进行测试可以得出:串联压电泵在驱动电压200 V,频率152 Hz时,输出流量达到最大为1 150 ml/min;并联泵在压电驱动电压140 V,频率220 Hz时,输出流量达到最大为640 ml/min;因此多腔泵采用腔体串联结构能提高压电泵的工作效率,提高泵的工作性能.     

整体开启阀与悬臂梁阀压电泵性能研究

设计了两种形式的被动截止薄膜阀一整体开启阀与悬臂梁阀,对两种形式阀的过流特性进行了理论分析,并应用两种形式的阀体制成了双腔串联压电泵的样机.对样机的实验测试表明,整体开启阀压电泵的自吸能力和输出流量都要好于悬臂梁阀压电泵.在200V交流电压驱动下,前者的最大自吸高度和输出流量分别为430 mm水柱和972 ml/min,而后者为410 mm水柱和480 ml/min.     

不同容积比的双腔串联压电泵测试分析

为提高双腔串联压电泵的输出性能,对泵的进口腔与出口腔的容积比进行了优化设计。分别设计了容积比为1.9、1.5、1.3三种串联压电泵样机,并对样机进行了试验测试。试验结果显示,采用增加容积比的方式可以提高双腔串联压电泵的输出流量,但不能提高其输出压力;对每个不同腔体容积比的双腔串联压电泵在异步驱动和同步驱动下进行了输出性能测试,测试结果显示,当输送气体时,两种驱动方式均有很好的流量输出,且输出结果比较接近,但仅有异相驱动时才能输出液体。分析结果为提高双腔串联压电泵的输出性能提供了很好的依据。     

双腔薄膜阀压电泵的实验研究

实验研究了理论所不能解释的多种因素对双腔压电泵输出流量的影响规律。选取了一种高效的橡胶薄膜阀片,设计并制作了具有较高输出能力的双腔泵样机。120 V交流信号下,双腔串联压电泵最佳工作频率为180 Hz,输出参数为520 ml/min、22 kPa;双腔并联压电泵最佳工作频率为420 Hz,输出参数为980 ml/min、28 kPa。通过实验确定了双腔压电泵的最佳腔体高度及双腔串联、并联压电泵压电片的最佳驱动方式。     

轴向出流的单腔压电泵结构设计与性能研究

为提高压电泵的输出性能,设计了一种新型轴向出流的单腔有阀压电泵。泵体结构主要由3部分构成,即固定压电振子的上盖、带有腔体结构和被动截止阀的中间体及起压紧和密封作用的下盖。轴向出流的单腔压电泵的结构是将进口阀安装在圆柱形腔体的中心位置,保证进口管的轴线与压电振子垂直,出口阀安装在泵腔外,通过导流槽与泵腔连接,形成轴向进出流方式。将轴向出流的单腔压电泵和早期设计的侧向出流压电泵进行输出性能测试,试验发现,在低频工作阶段,侧向出流的单腔压电泵输出效果要略高于轴向出流,在高频工作阶段,后者要高于前者,而在整个40~400 Hz测试范围内,后者输出的液体压力都要高于前者。     

多级“Y”型流管无阀压电泵的原理与试验验证(实验视频)

针对目前微流体混合器多需要外接动力源,且多数微混合器只能进行液体混合而不能输送液体的问题,提出将无阀压电泵引入微混合器领域,并研制了一种集混合与输送于一体的多级“Y”型流管无阀压电泵。首先,提出了多级“Y”型流管,进而设计了多级“Y”型流管无阀压电泵,并分析其工作原理;然后,对该无阀压电泵的流管流阻特性及泵流量进行理论分析;同时,利用有限元软件对多级“Y”型流管无阀压电泵进行了流场模拟,结果表明该压电泵具有单向传输作用。最后,制作了多级“Y”型流管无阀压电泵样机,并进行了泵流量与背压试验。试验结果显示：驱动电压峰峰值为100 V,频率为16 Hz时,流量达到最大,为16.2 ml/min;驱动电压峰峰值为100 V,频率为14 Hz时,输出背压最大,约为64 mm水柱。得到的试验数据证明了多级“Y”型流管无阀压电泵的有效性。(实验视频)     

单腔体压电泵输出性能分析

为验证理论上计算得到单腔体压电泵输出能力的准确性,将应用理论公式计算得到的单腔压电泵的输出流量与输出压力值与试验获得的结果进行比较。结果显示,在(40~400)Hz工作频率范围内,当单腔体压电输送液体水时,在小于第一个最佳工作频率点100Hz工作时,由理论公式计算获得输出流量与试验测试结果比较接近,输出流量和工作频率成很好的线性关系,而当工作频率大于第二个最佳工作频率点160Hz时,二者比较相差很大,理论计算公式不能准确计算压电泵的实际输出;试验获得输出压力值为理论计算压力值的(4~5)倍。当输送气体空气时,在输出流量方面二者比较接近,在最佳工作频率点附近工作时压电振子会发生共振,使实际输出流量大于理论计算结果;在小于输出流量最佳工作频率点220Hz工作时,实际输出压力值与理论计算值比较接近。     

气动隔膜泵水力性能试验研究

为确定气动隔膜泵输送常温推进剂的工作性能,对气动隔膜泵的水力性能进行试验研究。气动隔膜泵首次应用于常温推进剂加注系统,用于加注后的管路内残存推进剂的输送,有必要对其工作性能进行详细研究。本文通过试验方法,对不同供气压力条件下气动隔膜泵输送流量、气体流量以及双泵并联输送液体流量进行了测量,并对影响气动隔膜泵水力性能的因素进行了详细分析。试验结果表明,随着供气压力的提高,气动隔膜泵输送液体的流量增加,输送气体的流量反而减小;两个减压阀供气时,双泵并联输送液体的流量是约单泵工作时的2倍。试验结果为隔膜泵抽吸常温液体推进剂的应用提供参考。     

无阀气体压电泵仿真分析与实验

为了提高微型泵输出流量以及获得连续出流能力,设计了一种基于合成射流原理的无阀气体压电泵。首先,分析了压电气泵的工作原理,测试了压电振子的振幅;其次,利用CFX软件对无阀气泵进行仿真分析,得到压电气泵在0T,1/4T,2/4T和3/4T时刻的气体流速分布,以及容腔高度、泵腔高度、射流孔直径和出口直径对气泵流量的影响规律;最后,制作了无阀气体压电泵的实验样机。测试结果表明,当无阀压电气泵在驱动电压为120V、驱动频率为400Hz、容腔高度为0.1mm、泵腔高度为1.4mm、射流孔直径为1.3mm和出口直径为2mm时,泵输出气体流量为1800ml/min左右,实验与仿真分析基本吻合。该气泵能输出较大气体流量并具有连续出流的能力。     

微型压电泵中腔高对气泡滞留的影响规律

气泡滞留会严重地损害微型压电泵的输出性能,因此减少气泡滞留将有效地提高压电泵系统的稳定性和可靠性。泵腔作为气泡滞留的主要区域,同时是决定输出性能的重要元素,所以改变腔高将对气泡滞留产生重要的影响。本文从气泡压力降和输出压力两个方面建立数学模型,以此分析腔高对气泡滞留的影响规律,最后通过气泡滞留实验进行验证。实验结果表明,腔高为0.15mm时,压电泵具有优良的输出性能和排气泡能力,在进入120个0.02mL气泡后,压电泵仍具有稳定的输出压力(8.1kPa)和输出流量(4.2mL/min);腔高为0.05mm和0.20mm时,压电泵在进入一个气泡后即丧失了工作能力,排气泡能力差,而腔高为0mm和0.10mm时,压电泵分别进入47和70个气泡后丧失了工作能力。实验表明选取合理的腔高可以有效地减少气泡的滞留。     

双腔串联两阀与三阀压电泵的性能研究

研究了双腔串联两阀压电泵与三阀压电泵的输出性能,分析了这两种泵的结构和工作原理,理论分析得出:三阀泵输出性能优于两阀泵。设计制作了两阀泵与三阀泵实验样机,并通过实验测试证明了理论分析的正确性。分别对两阀泵和三阀泵进口腔和出口腔独立工作时流量输出进行了实验测试,并把进口腔和出口腔独立工作时输出流量相加之和,与两腔一起交叉工作时进行了比较。实验测试表明:两阀泵和三阀泵样机在200 V交流驱动电压下,最大输出流量分别 为972 ml/min和1 035 ml/min,最大输出压力分别为28.7 kPa和40 kPa,最大自吸高度分别为0.41 m和0.43 m水柱高。     

压电双晶片和单晶片驱动下泵的输出性能研究

为从理论上获得压电泵在薄片型压电双晶片和单晶片(统称压电振子)驱动时的输出流量关系,需要获得二者振动时产生的容积变化量。假设压电振子在周边固定约束条件下,应用弹性薄板的小挠度弯曲变形理论,推导了压电双晶片和单晶片振动时的容积变化方程,并根据方程对铜基板直径为35mm,压电陶瓷直径为29mm,基板和压电陶瓷厚度同时为0.2mm和0.3mm 2种规格的压电单晶片和双晶片进行了振动容积计算。计算结果显示,相同基板和陶瓷厚度的双晶片振动产生的容积变化量是单晶片的2.3倍。将上诉压电振子应用到单腔压电泵上进行输送气体流量测试,获得的实际输出流量比在1.5~2倍之间,理论计算结果与试验测试结果比较接近。理论推导结果为比较双晶片和单晶片驱动下压电泵的输出能力提供了可靠依据。     

磁力弹簧式压电共振型气泵的设计

利用压电振子的振动激励相连接的隔膜共振原理,提出了用磁力弹簧式压电共振型气泵来提高压电泵对气体的驱动能力.首先,分析磁力弹簧式共振泵的工作原理,建立了共振泵的动力学模型,计算得出了影响隔膜振幅的主要因素.接着,设计和制作了样机,使用阻抗分析仪和激光位移计分别测得系统的共振频率及压电振子的位移放大倍数.最后,设计了测量共振泵流量和输出压力的实验装置,得出了磁力弹簧轴向间距对输出流量和输出压力的影响.实验测试表明:当输入正弦电压为200 V,系统共振频率为134 Hz,磁力弹簧的轴向间距为9 mm时,压电振子的位移放大倍数约为4.3,其最佳输出流量为524 ml/min,最佳输出压力为9.2 kPa.结果显示,提出的磁力弹簧式压电共振型气泵提高了气体的输送能力.