双腔体四振子压电泵性能研究

压电泵是以压电技术、振动学、波动学、动态设计、电力电子技术、新材料和新工艺等学科的交叉结合技术来实现完成的。利用压电技术的压电特性实现机电的能量转换, 为泵送作业提供动力, 替代传统微型泵以电磁、电机驱动作业的工作方式;具有结构简单、响应速度快、能量转换高、无电磁干扰、能耗低、无噪音、压力大、扬程高、无污染、不泄漏、止逆效果好、安装使用方便等特点[1～5]。在同扬程、同流量下体积和能耗仅为传统泵的几分之一到几十分之一, 机电性能稳定、驱动原理新颖。

本文设计了一种新结构形式的双腔体四振子压电泵, 阐述了其工作原理, 加工了实验样机, 并对样机的输出流量和输出压力进行了试验测试。

1 双腔体四振子压电泵的结构设计与工作原理

本文所设计的双腔体四振子压电泵结构如图1所示。主要由上下压板、密封圈、单向阀、压电振子和泵体组成。左面上下两个振子共用一个腔体A, 右面上下两个振子共用一个腔体B。同时为了便于分析, 给四个压电振子进行编号, 设左下面振子为a (标号11) , 左上面振子为b (标号4) , 右下面振子为c (标号16) , 右上面振子为d (标号6) 。

1、9-压板;2、5、12、14-密封圈;3、7、10、15-单向阀;4、6、11、16-压电振子;8-进口;13-泵体;17-出口

作为多振子工作的压电泵, 振子在交流电信号的驱动下, 振子间的工作方式有两种状态, 一种是“同步驱动”, 一种是“异步驱动”。“同步驱动”是指压电振子在同一时刻振动使泵腔容积变化量同时增大或减小, 只需压电振子连接信号源时极性相同;“异步驱动”是指压电振子在同一时刻振动各自引起泵腔容积变化量恰恰相反, 须使压电振子上施加的信号源极性相反 (两个振子的电信号相位差为180o) 。双腔四振子的工作方式如表1所示。因为所设计的双腔体四振子压电泵在结构上具有对称性, 所以工作状态2、3相似, 4、8相似, 6、7相似, 因此实际上只有1、2、4、5、6五种不同的工作状态。对振子的工作方式进行理论分析可知, 相对称振子同步工作而同侧振子异步工作时泵的输出性能较好, 所以泵在工作状态5工作时输出性能好于其他工作状态。现对工作状态5的工作原理进行详细分析介绍。

当压电振子a、b同时向两侧压板方向运动使腔体A体积由最小逐渐增大时, 腔体A内压强减小, 使单向阀3、10打开, 在内外压差的作用下, 水沿进口8流进泵腔, 实现腔体A的吸水过程;与此同时, 压电振子c、d同时沿背离两侧压板方向运动使腔体B体积由最大逐渐减小, 腔体B内压强增大, 使得单向阀7、15关闭, 腔体B内的水沿出口17流出泵腔, 实现腔体B的排水过程。同时由于流体具有连续性, 所以单向阀7、15的关闭阻止了腔体A吸水过程中左右两腔之间流道内的液体回流回腔体A。

当压电振子a、b同时向背离两侧压板方向运动使腔体, A体积由最大逐渐减小时, 腔体A内压强增大, 使得单向阀3、10关闭, 腔体A内的水被压进左右两腔之间的流道中, 实现腔体A的排水过程;与此同时, 压电振子c、d同时向两侧压板方向运动使腔体B体积由最小逐渐增大, 腔体B内压强减小使单向阀7、15打开, 左右两腔之间流道中的水被吸进腔体B, 实现了腔体B的吸水过程。由于腔体B出口无阀, 在腔内产生负压时液体也会沿出口倒流回泵腔, 但因为振子c、d在沿背离两侧压板方向运动时, 水沿出口快速流出, 在水流惯性的作用下, 使到流进腔体B的液体小于沿流道流进腔体B的液体, 宏观上, 液体是沿进口流入, 沿出口流出连续进行。

2 样机实验测试

图2是双腔四振子压电泵在五种不同工作状态下工作时的流量—频率曲线图, 由实验测试数据知:压电泵在1状态下工作时最佳工作频率140Hz, 最大流量175mL/min;在2状态下工作时最佳工作频率190Hz, 最大流量395mL/min;在4状态下工作时最佳工作频率200Hz, 最大流量1020mL/min;在5状态下工作时最佳工作频率200Hz, 最大流量1500mL/min, 在6状态下工作时最佳工作频率250Hz, 最大流量900mL/min。

3 结语

双腔四振子压电泵四个振子的工作方式可以总共有五种, 而相对称振子同步工作而同侧振子异步工作时泵的输出性能最好, 在正弦交流电压110V的情况下, 最大输出流量可达1500mL/min。通过结构设计及试验的研究, 为双腔四振子压电泵的实际应用打下良好的基础。

摘要：本文采用理论分析与实验测试相结合的方式, 分析了双腔体四振子压电泵的工作原理, 设计了双腔体四振子压电泵结构并加工了实验样机, 并对实验样机在不同工作方式下进行了试验测试, 最大输出流量可达1500mL/min。

关键词：压电泵,四振子,双腔体

参考文献

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