3D打印的锥管坡面腔底无阀压电泵*

2016-08-03张蕊华张建辉朱银法李培远

振动、测试与诊断 2016年2期

关键词：楔块振子压电

张蕊华,　张建辉,　朱银法,　李培远

(1.丽水学院工程与设计学院　丽水，323000) (2.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室　南京，210016)

3D打印的锥管坡面腔底无阀压电泵*

张蕊华1,张建辉2,朱银法1,李培远1

(1.丽水学院工程与设计学院丽水，323000) (2.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京，210016)

摘要为提高无阀压电泵的流量特性和解决泵加工工艺性差的问题，研制出了锥形流管坡面腔底无阀泵。首先，提出并设计了锥形流管坡面腔底无阀泵，分析了该泵的工作原理；然后，利用ansys软件对泵腔内流场做了模拟分析，分析结果表明该泵具有传输流体的能力；最后，利用3D打印技术制作了锥形流管坡面腔底无阀泵，并对泵的频率-流量特性进行了试验，驱动频率为8 Hz时，锥形流管坡面腔底无阀泵的流量达到最大值26.8 ml/min，比相同尺寸坡面腔底无阀压电泵在相同驱动电压条件下输出的最大流量增加了18.6%。试验结果表明，锥形流管坡面腔底无阀泵的流量特性优于坡面腔底无阀压电泵，且采用3D打印技术制作压电泵，提高了泵加工的工艺性，缩短了加工周期，降低了加工成本。

关键词无阀压电泵; 锥管; 坡面腔底; 流量; 3D打印

引言

无阀压电泵是利用压电材料的逆压电效应将电能转换为机械能的装置，其动力源依靠压电振子在交变电压作用下产生的交变弯曲振动，促使泵腔容积变化，使泵吸入、吐出流体，从而达到传输流体的目的[1]。因其结构简单、易微小型化、应用广泛等优点，受到了众多研究者的关注。

目前，无阀压电泵的结构主要有:锥形流管无阀压电泵[1-5]、热粘性无阀压电泵[6]、超声无阀压电泵[7-8]、两腔和多腔体无阀压电泵[9-11]、非对称坡面腔底[12]及“Y”形流管等无阀压电泵[13]等。其中，非对称坡面腔底无阀压电泵的结构设计巧妙，将传统的光滑腔底设计成非对称坡面形状，使泵具有传输流体能力的同时，还具有混合搅拌的功能，当泵同时输送多种液体时，在泵腔内能进行充分的混合搅拌。该泵适合于医疗、化工等领域的液剂配比，应用前景广阔。但是该泵也有流量小、传输能力小的不足，不能满足大流量的应用场合。

为了进一步提高泵的流量特性，笔者对传统非对称坡面腔底无阀压电泵的结构进行了改进，将坡面腔底和锥形流管(简称锥管)组合在一起(即在泵腔两端增设了一对同向放置的锥形流管)形成一个新型锥形流管坡面腔底无阀泵。

3D打印技术是快速成型领域的一种新兴技术，它不需要传统加工手段使用的刀具、夹具以及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，解决了许多过去难以制造的复杂结构零件的加工问题，大大缩短了加工周期，而且越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。该技术一出现就取得了快速的发展，在医学、航天技术、建筑业、制造业、考古文物等各个领域都取得了广泛的应用[14-15]。

笔者研究的新型泵的结构工艺性差，腔底楔块为坡面，且与腔底和锥管为一体，用传统加工技术制造很难实现，其加工周期很长、成本很高。而采用3D打印技术制作体积小的单件、少量的结构复杂的新型泵样机结构更具优势，很容易实现，制作时间短(用时约100 min)、成本低，易于微小型化。

笔者分析了该新型泵的工作原理，对其进行了流场分析，研制了锥管坡面腔底无阀压电泵，并对泵的流量特性进行了试验。

1泵结构与工作原理

锥管坡面腔底无阀压电泵的结构主要包括压电振子、泵体、泵腔、一组非对称坡面楔块、一对同向布置的方形截面锥管和导管等，其结构简图如图1所示。泵腔内非对称坡面楔块和方形截面锥管共同起到了迫使流体单向流动的作用，如图2所示。

图1　锥管坡面腔底无阀压电泵Fig.1　　　　Valveless piezoelectric pump with taper pipe slopes element

图2　泵体图Fig.2　Schemes of pump cavity

图3　压电振子半周期振动的工作示意图Fig.3　　　　Working schematic of piezoelectric vibrator in a half cycle of vibration

压电振子在交变电压作用下产生振动，在半个周期内，压电振子从平衡位置向上运动时泵腔内容积增大，压力降低，导管A，B同时吸入流体。流体流经锥管A，B后进入泵腔。当压电振子从最高点向下运动回到平衡位置时泵腔容积减小，压力增大，迫使流体通过锥管A，B同时从导管A，B排出(见图3)。压电振子的振动引起泵腔容积周期性变化，迫使泵腔内流体吸入和排出的流动，因流体从左向右流经锥管和坡面楔块时的流阻与从右向左流经锥管和坡面楔块时的流阻不同，从而宏观上呈现出流体从A端向B端流动，实现了泵的流体传输功能。

2泵单向流动原理

在泵的每个吸排程周期内,锥管和每个楔块都要经过一次从左向右流动和从右向左流动的过程。以泵腔右端为例，如图4所示。

图4　泵腔内流体流向示意图Fig.4　　　　A schematic view of the fluid flow in the pump chamber

当泵从A端吸入流体时，流体首先流过锥管A(扩张管)进入泵腔，此时，由于楔块坡面角度90°，流体被阻挡后，遂从楔块两端与泵腔内壁之间的间隙C流入泵腔内部。若忽略壁面的摩擦，且间隙C的尺寸足够大(非狭小缝隙)，流体流过锥管A(扩张管)和m个间隙C时总压强损失ΔPL的表达式为

(1)

其中：ΔPAK为流体流经扩张锥管时的压强损失；ΔPni(c)为流体流经第i个间隙C时的压强损失，i=1,2,…，m。

流体局部压强损失ΔP的表达式为

(2)

其中：ρ为流体密度；ν为平均速度；ξ为流阻系数。

将式(2)带入式(1)有

(3)

其中：ξAK为流体流经扩张管时的流阻系数；ξni(c)为流体流经第i个间隙时流阻系数。

令流体从右向左流入泵腔时的总流阻系数为ξL，其表达式为

(4)

当泵从A端排出流体时，由于楔块坡面角度α1小于90°，一部分流体能够从角度α1的楔块坡面流过，另一部分流过间隙C，最后通过锥管A(收缩管)排出泵体。流体流经角度α1的楔块坡面、m个间隙C和收缩锥管A时总的压强损失ΔPR表示式为

(5)

其中：ΔPAS为流体流经收缩锥管A时的压强损失；ΔPei(c)为流体上行流经第i个角度α1的楔块坡面时的压强损失，i=1,2,…，m。

同理，将式(2)带入式(5)整理可得

(6)

其中：ξAS为流体流经收缩锥管A时的流阻系数；ξei(α1)为流体流经第i个角度α1的楔块坡面时的流阻系数。

令流体从右向左流出泵腔时的总流阻系数为ξR，其表达式为

(7)

压电泵的流量是流体从同一端吸入和排出流量的差值。根据文献[6]，锥管坡面腔底无阀压电泵在半个振动周期内的流量可以近似的表达式为

(8)

其中：f为压电振子的振动频率；ΔV为振子运动半周期泵腔容积的变化量。

由式(4)和式(7)联立可知

(9)

将式(9)带入式(8)可得Q≠0，即流体从A端吸入和排出的流量不相等，说明泵中的流体产生了单一方向的流动，使泵具有了输送流体的功能。

为了使泵在吸入和排出流体时的流阻不同，实现流体的单一方向的流动，利用流体流经收缩管和扩张管的流阻不同的原理，将泵的入口管道设计成锥形，并且将一对锥管在泵的两侧同向放置，同时将楔块的两侧面设计成不同角度，使流体从左向右和从右向左流过楔块时的流阻不同，即锥管和坡面腔底的结构形状使泵具有了传输流体的功能。

3流场模拟仿真

图5是锥管坡面腔底无阀压电泵速度矢量图。

图5　压电泵速度流线图Fig.5　Velocity streamline pattern of piezoelectric pump

压电泵的1个工作周期包括2个部分：排程和吸程，振子从最高点经过中间位置运动到最低点的过程为排程，从最低点经过中间位置运动到最高位点的过程为吸程。图5中运用Ansys12中Fluent12.0模块来对泵腔流场进行模拟，工作介质为水(密度为0.9982 g/ml，动力黏度为6.018×10-2kg/(m·min)) ，工作温度为20 ℃，进出口压力值都为1个标准大气压，驱动频率为20 Hz，振子最大振幅为0.08 mm，泵腔直径为40 mm，楔块坡面角度为α1=30°，矩形截面锥管尺寸：L=14.7 mm，e=4 mm，h=2 mm，锥度1∶3.6。

由图5可知，在压电振子的一个运动周期内，无论是吸程还是排程，泵腔左半部分流体的涡旋都要比右半部分流体形成的涡旋强烈，流速更加湍急。根据伯努利方程：流体等高流动时，流速大、压力小的原理可知，泵腔右边的压力高于左边的，因此流体就会从右边流向左边，宏观上形成了泵内流体的单向流动，从而使泵具有了传输流体的功能。

由于通流截面积的突然改变，流体在锥管和泵腔的交界处，以及在楔块周围都产生了复杂的涡旋流场，使进入泵腔的流体能够进行充分的混合搅拌，该特性可使泵在同时传输两种或多种流体的过程中，能够对其进行充分的混合搅拌，该泵集传输和搅拌功能于一体，拓展了泵的应用范围。

4试验验证

试验中使用的压电泵样机零件全部由MBot Cube桌面3D打印机打印，使用PLA环保材料(见图6),其压电振子参数如表1所示。

图6　泵体3D打印Fig.6　Pump body 3D printing

基片直径瓷片直径基片厚度总厚度50.0±0.125.0±0.30.20±0.030.40±0.05

锥管坡面腔底无阀压电泵样机及其流量测试系统见图7。试验泵的几何参数和介质参数与模拟分析时一致。为减小压电泵的振动噪声，用正弦波作为压电泵的驱动信号，电压峰峰值为600 V。

图7　锥管坡面腔底无阀压电泵流量测试系统照片Fig.7　　　　Photographs of valveless piezoelectric pump with taper pipe slopes element flow rate experiment

为了验证研制泵传输流体的能力，测试了泵频率-流量特性并得到了试验曲线，如图8所示。从图8中可以得到，在相同条件下坡面腔底泵在驱动频率为7 Hz时流量达到最大值22.6 ml/min，锥管坡面腔底泵在驱动频率为8 Hz时流量达到最大值26.8 ml/min，比前者增加了18.6%。另外，坡面腔底泵在驱动频率达到10 Hz之后不再有流体输出，而锥管坡面腔底泵在频率达到18 Hz之前，一直都有流体输出。可见，锥管坡面腔底泵的频率-流量特性明显优于坡面腔底泵。

图8　压电泵的频率-流量特性曲线图Fig.8　Curve of driving frequency vs flow rate

5结束语

笔者对传统坡面腔底无阀压电泵进行了改进，提出了并研制了一种新型锥管坡面腔底无阀压电泵样机。采用有限元法对锥管坡面腔底无阀压电泵进行了流场模拟分析，得到了一个周期内的锥管坡面腔底无阀压电泵泵腔内部流场流速图，分析结果表明该泵具有单向传输流体的能力。对该泵的频率-流量特性进行了试验测试。当驱动频率为8 Hz时，泵的流量达到最大值26.8 ml/min，比相同条件下坡面腔底无阀压电泵输出的最大流量增加了18.6%。试验结果表明，该泵不仅可以传输流体，而且其传输流体的能力要优于坡面腔底无阀压电泵。

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