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双振子压电泵设计理论与结构优化技术研究

孙晓锋  
【摘要】: 在多振子压电泵中,双振子压电泵是结构最简单的形式。分析双振子驱动形式对泵性能的影响,优化结构尺寸,设计输出性能良好的双振子压电泵,并为压电泵在多振子驱动过程中,解决工作流体流动时存在的相互扰动问题提供可借鉴的方法,有着十分重要的意义。 本文采用理论分析与试验研究相结合的方法,运用压电陶瓷学、机械振动学、流体动力学与运动学等相关理论知识,对双振子压电泵设计理论和结构优化技术进行研究。 为预测双振子压电泵的输出能力,推导了压电单晶片和压电双晶片振动时的弯曲变形方程和容积变化量方程,并通过试验验证理论推导的正确性。 针对双振子压电泵最佳工作点比较高的特点,分别设计了悬臂梁阀、轮式平板和伞形橡胶阀等三种被动截止阀,应用三种被动截止阀设计了双振子单腔泵、双振子双腔串联泵和双振子双腔并联泵三种结构双振子压电泵,并对三种结构双振子压电泵的阀通流孔大小和泵腔体的初始容积进行了确定,给出了各自的理论输出流量公式,对振子驱动方式对其输出性能的不同影响进行了分析与阐述,在此基础上加工了试验样机,进行了试验测试。 对双振子压电泵的试验测试结果表明,在满足双振子压电泵最佳结构尺寸的条件下,在110V正弦交流电驱动下,以水为介质,双振子单腔泵最大输出流量和输出压力为500ml/min和100kPa;双振子双腔串联泵最大输出流量和输出压力为1100ml/min和100kPa;双振子双腔并联泵最大输出流量和输出压力为1350ml/min和40 kPa。 对双振子压电泵驱动气体和粘度比水大的液体进行了试验,试验结果表明,双振子串联泵和并联泵可驱动最大粘度为234.6mPa.s的甘油水溶液,此时泵的输出最大流量为30ml/min。和驱动液体比较,当驱动气体时,泵的工作方式发生了变化,在电信号为“同步驱动”的情况下,三种结构形式的双振子压电泵都能获得比“异步驱动”还要好的流量输出,输出气体的最大流量和压力可达1100ml/min和7.8kPa;腔体的初始容积对泵送气体的性能仍然有影响,在满足压电振子和阀自由振动的情况下,腔体的初始容积越小,泵输出气体的性能越好。


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