阀参数对螺旋线形阀压电泵输出性能的影响*

2017-09-12张建辉严秋锋

振动、测试与诊断 2017年4期

王颖，张建辉，付俊，严秋锋

(1.泰州职业技术学院机电技术学院泰州，225300)(2.广州大学机械与电气工程学院广州，510006)(3.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)

王颖1,3，张建辉2,3，付俊3，严秋锋3

为了提高拟悬臂梁结构的螺旋线形阀压电泵输出性能，探讨了阀的几何参数和阀的材料参数与泵输出量之间的优化关系。首先，推导了泵流量输出与阀几何参数关系式；然后，在该理论指导下，通过多组试验研究了阀的几何参数对泵输出的量的影响关系，得出选用适当的螺旋极角以及适当降低阀的臂宽和厚度可以提高压电泵的输出；最后，对关键元器件螺旋线形阀材料参数的选用进行了比较，得出选用较低切变模量的阀材料可以提高压电泵输出。试验结果表明：要获得较高的泵流量，阀的极角取值为1.5π、阀厚度取值为0.1 mm时最佳，而流量受臂宽的影响呈单边的趋势性不明显；相同条件下，由于铍青铜的材料切变模量小于弹簧钢的材料切变模量，铍青铜阀压电泵的输出流量高于弹簧钢阀压电泵的输出流量。

压电；泵；压电陶瓷；螺旋线形阀

引言

功能性材料除了具有一般的机械特性以外，还具有其他的功能特性，例如光电功能、磁功能、分离功能和形状记忆功能等，在传统机械和工程中的应用越来越广泛[1-5]。压电泵是以压电陶瓷为驱动源的机械换能器，可以驱动液体和气体，具有无磁驱动、结构简单、体积小和重量轻等优点，在航空航天、微机械和生物医药工程等领域日益受到青睐。从1978年被发明以来，压电泵的发展与国民经济发展需求密切相关，其结构和形式多种多样，层出不穷[6-12]。其中，有阀压电泵通过单向阀控制压电泵流体的输入输出方向。因为单向阀截止性能好，泵的输出流量较大，具有广阔的应用前景，且因结构简单、制造容易等因素受到研究人员的关注。但是，由于简单悬臂梁阀的悬臂短、开启度小、易屈服变形导致截止性降低等缺点，限制了简单悬臂梁阀压电泵的应用。

阚君武等[13]建立了液体内悬臂梁阀片的动力学模型，分析了阀片结构参数、阀片与阀座间隙对液体内阀片基频的影响规律。程光明等[14]在迭片式结构的微型压电泵中使用了悬臂梁阀，研究发现适当减小悬臂梁的厚度及增大悬臂长度，有利于提高通过悬臂梁阀的流量。赵明丽等[15]建立了悬臂梁阀单腔压电泵系统的动态模型，研究了出流形式对压电泵输出能力的影响。何丽红等[16]采用理论分析与试验测试的方式，对采用伞形阀压电泵的出流孔位置及进出口位置进行了研究。为了更好地适应有阀压电泵巨大应用前景，王颖等[17]开发了具有螺旋线形阀拟悬臂梁结构，臂长是简单悬臂梁阀臂长数倍的螺旋线形阀压电泵。

笔者在文献[17]的基础上推导泵输出与阀参数的关系公式，结合试验对螺旋线形阀的几何参数和材料参数进行优化设计，制作压电泵样机对各组阀压电泵输出性能进行试验比较，以进一步提高螺旋线形阀压电泵的性能，扩展其用途。

1 螺旋线形阀压电泵结构

图1为螺旋线形阀压电泵结构示意图。压电泵主要由压电振子、泵盖、泵体、螺旋线形阀、底座和进/出水管组成。在泵体的进水口和出水口处分别安装有一对相互倒置的螺旋线形阀，安装在泵体进水口处的为吸入阀，安装在泵体出水口处的为排出阀。压电振子在交变电流作用下发生变形，当振子由下向上变形至最高处泵腔处于舒张状态时，泵腔的容积增大，腔内出现负压，此时排出阀关闭，吸入阀打开，流体流入泵腔，为泵的吸程；当振子由上向下变形至最低处泵腔处于压缩状态时，泵腔容积减小，腔内压强增大，此时吸入阀关闭，排出阀打开，流体流出泵腔，为泵的排程。如此循环往复，压电泵可实现流体的吸入和排出。

图1 螺旋线形阀压电泵结构示意图Fig.1 Schematic diagram of piezoelectric pump of spiral linear valve

图2为拟悬臂梁结构的螺旋线形弹性固支阀(简称阀)，包含定位器、螺旋线形曲臂(简称曲臂)和阀体。曲臂在水平面内的投影为阿基米德螺旋线，其截面为矩形，设螺旋极角为θ，截面宽为a，高为b。阀曲臂臂长为简单悬臂梁阀臂长的数倍，工作时开启度大，且因其螺旋线形弹性结构，在开启过程中，会逐渐增加开启的反弹力，在关闭过程中，会瞬间释放积聚的弹性力而使关闭快速完成。同时，阀体可以上下回位，左右也具有对中功能，不仅跟从性和截止性高，而且结构简单、制作成本低。

图2 螺旋线形阀结构示意图Fig.2 Schematic diagram of spiral linear valve

2 理论分析

螺旋线形阀压电泵流量公式[18]为

(1)

其中：ρl为流体密度；g为重力加速度；r为阀口半径；θ为极角；d和δ分别为压电振子的直径和厚度；d31为压电振子的压电常数；f为压电振子的驱动频率；U为压电振子的驱动电压。

n为曲臂实际最大圈数，由图2可知

(2)

Rf为阀的材料和尺寸系数[18]

(3)

表1 系数k1的值Tab.1 Value of coefficient k1

设计中曲臂采用的螺旋线参数方程为

(4)

其中：t∈[0,1]为参变量。

如图2所示，选取不同极角θ的螺旋线可得到大端半径R2不同的曲臂阀。为简单起见,大端半径R2表示为

R2=F(θ)

(5)

(6)

将式(2)和式(6)代入式(1)，得到

(7)

从式(7)可以看出，当K值一定时，压电泵输出流量与阀几何参数a,b,θ,R(θ,R1)和材料切变模量G相关，即

3 试验

分别选用5种极角θ、7种臂宽a、5种厚度b和2种材质的弹性金属片制作不同的螺旋线形阀片组制成压电泵样机。泵体、泵盖和底座材质使用有机玻璃，阀口半径r为2.5 mm，试验流体介质为蒸馏水。表2为压电振子几何参数。图3为泵流量试验照片。

表2 压电振子几何参数Tab.2 Geometrical parameters of piezoelectric vibrator mm

图3 泵流量试验照片Fig.3 Photo of test of piezoelectric pump flow

3.1 阀的极角θ对泵输出性能的影响

极角分别为π，1.25π，1.5π，1.75π和2π时的5种阀极角θ参数如表3所示。表4为不同极角θ时阀的其他几何参数，阀片材料为弹簧钢。

表3 阀的极角θ参数Tab.3 Polar angle parameter θ of valve

表4 不同极角θ时阀片组其他几何参数Tab.4 Other geometric parameters of valve plate with different polar angle θ mm

图4为阀极角与泵进出水管压差之间的关系。由试验数据可知：当输入频率为15 Hz时，压差在极角θ<1.5π时变化不大；当极角大于1.5π时呈逐渐增大的趋势；在θ=2π时压差最大，且压差随着电压的提高而增大。

图5为阀极角与泵流量之间的关系。由试验数据可知，当输入电压为180 V、频率为8 Hz时，泵流量在极角θ从π增大至1.5π时呈逐渐增大的趋势，在极角θ从1.5π增大至2π时呈逐渐降低的趋势。

图4 阀极角与泵进出水管压差之间的关系Fig.4 Relationship between valve polar angle and differential pressure of piezoelectric pump water inlet and water outlet

图5 阀极角与泵流量之间的关系Fig.5 Relationship between valve polar angle and piezoelectric pump flow

根据式(8a)可知，流量Q与阀曲臂极角θ应该呈正相关。当极角θ从π增大至1.5π时，随着极角θ的增大，阀的臂长逐渐增大，作用在阀体上的弯矩也变大，使得阀的开启量变大，泵流量呈逐渐增大的趋势。但是当极角θ从1.5π增大至2π时，随着极角θ的增大，阀的臂长增大有限，而自重却增大较多，使得阀开启时间和开启高度减小，导致泵流量降低。可见，为获得较高的压电泵输出流量，阀的极角θ取值为1.5π时最佳。

3.2 阀臂宽a对泵输出性能的影响

分别制作臂宽a为0.5，0.75，1，1.25，1.5，1.75和2 mm时的7种阀，如表5所示。表6为不同臂宽a时，阀片组的其他几何参数，阀片材料为弹簧钢。

表5 阀的臂宽a参数Tab.5 Arm width parameter a of valve

表6 不同臂宽a时阀片组其他几何参数Tab.6 Other geometric parameters of valve plate with different arm width a

图6为阀曲臂宽与泵进出水管压差之间的关系。图7为阀曲臂宽与泵流量之间的关系。由试验数据可知，在输入电压为120 V、频率为10 Hz、曲臂宽a=1.5 mm时，压电泵进出水管压差最大为228 mm水柱。在输入电压为220 V、频率为10 Hz、臂宽a=0.5 mm时，泵流量为43.8 ml/min；臂宽a=1 mm时，泵最大流量为48 ml/min；臂宽a=2 mm时，泵流量为47.4 ml/min，与a=1 mm时的流量接近。

图6 阀曲臂宽与泵进出水管压差之间的关系Fig.6 Relationship between width of valve crank arm and differential pressure of piezoelectric pump water inlet and water outlet

图7 阀曲臂宽与泵流量之间的关系Fig.7 Relationship between width of valve crank arm and piezoelectric pump flow

根据式(8b)可知，流量Q与阀臂宽a呈负相关。由于泵流量与阀开启和关闭的时间直接相关，当臂宽a由小到大变化时，阀曲臂表面积增大。阀在运动过程中，受到阀体下方流体的作用力变化不大，随着臂宽a和表面积的增大，阀体上方流体作用力在变化，即开启时上方的阻力增大而慢开启，关闭时上方的关闭力也增大而快关闭，这两种因素对流量的影响是一个为正向，一个为负向，所以随着臂宽a的增大，泵流量所受影响不大，呈单边的趋势性不明显。

3.3 阀厚度b对压电泵输出性能的影响

制作厚度b为0.1，0.2，0.3，0.4，和0.5 mm时的5种阀如表7所示。表8为不同厚度b时阀片组的其他几何参数，阀片材料为弹簧钢。

表7 不同阀厚度b参数Tab.7 Valve thickness parameters b

表8 不同厚度b时阀片组的其他几何参数Tab.8 Other geometrical parameters of the valve plate with different thickness b

图8为阀厚度与泵进出水管压差之间的关系。图9为阀厚度与泵流量之间的关系。由试验数据可知，在输入电压为200 V、频率为10 Hz时，阀厚度b从0.1 mm变化至0.5 mm时，泵进出水管压差从289 mm水柱变化至9.5 mm水柱，呈逐渐降低的趋势；在输入电压为220 V、频率为10 Hz时，厚度b从0.1 mm增大至0.5 mm时，泵流量从111 ml/min变化至0，呈逐渐减小的趋势。

图8 阀厚度与泵压差之间的关系Fig.8 Relationship between valve thickness and differential pressure of piezoelectric pump

图9 阀厚度与泵流量之间的关系Fig.9 Relationship between valve thickness and piezoelectric pump flow

从图8和图9的试验数据可知：泵进出水管压差和泵流量均随着阀厚度b的增大而逐渐降低。这是因为阀片材料厚度b越小，阀片的弹性系数会越高，重量也越轻，使得在相同输入的情况下，厚度越小，阀的开启度越大且关闭也越迅速，所以泵流量就越高。

可见，当阀片厚度b<0.1 mm时，应该会出现由于重量的减轻，阀片关闭速度降低而使得流量降低的情况，但由于市场上难以找到厚度b<0.1 mm的弹簧钢片，且材料厚度过小加工出来的阀片变形也较大，易出现阀片翘曲并容易断裂的现象，所以试验中阀厚度b值最小选取为0.1 mm，从而出现流量随厚度b值的变化单调降低的现象。

图10为进出口阀厚度不同与厚度相同时，电压与泵流量之间的关系对比。由试验数据可知，在输入相同电压为220 V、频率为10 Hz的情况下，当进出口阀片厚度b同为0.1 mm时，泵流量最高为111 ml/min；当进口阀厚度b为0.3 mm大于出口阀厚度0.1 mm时，泵流量次之为59.4 ml/min；当进口阀厚度b为0.1 mm小于出口阀厚度0.3 mm时，泵流量为53.4 ml/min；当进出口阀片厚度b同为0.3 mm时，泵流量最小为23.4 ml/min。可见，当阀片厚度b相同且为0.1 mm最薄时，泵流量最大；当进出口阀片厚度不同时，阀片厚度bi>bo时的流量比bi

图10 进出口阀厚度不同和相同时，电压与泵流量之间的关系对比Fig.10 Comparison of the relationship between voltage and pump flow of the different thickness and the same thickness of the inlet and outlet valve

当bi与bo相同时，其对流量的影响如前所述。当bi与bo不同时，阀的厚度越大，其关闭速度就越快，所以振子往下振动泵排水时，如果阀片厚度bi>bo，则进口阀先于出口阀关闭，从进口回流的流体就会减少，从出口阀排出的流体就增多；如果bibo时的流量比bi

3.4 阀材质对压电泵输出性能的影响

分别用弹簧钢和铍青铜制作2种阀，表9为两种材质阀片组的其他几何参数。

表9 两种材质的阀片组其他几何参数Tab.9 Two kinds of material of the valve set of other geometric parameters

图11为两种材质阀的频率与泵流量之间的关系。由试验数据可知，在输入电压为160 V、频率为12 Hz时，铍青铜阀压电泵输出流量最大为12.6 ml/min，大于弹簧钢的最大输出流量4.8 ml/min。图12为两种材质阀的电压与流量之间的关系。由试验数据可知，在输入电压为220 V、频率为15 Hz时，铍青铜阀压电泵输出流量为19.8 ml/min，大于弹簧钢阀压电泵的输出流量4.2 ml/min。

图11 两种材质阀时频率与泵流量之间的关系Fig.11 Relationship between frequency and flow of valve piezoelectric pump in two materials

铍青铜的材料切变模量GB远小于弹簧钢的材料切变模量GM(B表示铍青铜，M表示弹簧钢)，根据式(8d)可知，泵流量Q与阀材料切变模量G呈负相关，试验结果显示，两种材质对压电泵输出的影响趋势与理论分析一致。

图12 两种材质阀时电压与泵流量之间的关系Fig.12 Relationship between voltage and flow of valve piezoelectric pump in two materials

4 结束语

推导了螺旋线形阀压电泵输入和输出关系的理论公式，从理论上研究了阀参数对压电泵输出性能的影响。制作了5种极角θ，7种臂宽a，5种厚度b和2种材质的螺旋线形阀和压电泵样机，并进行各组阀压电泵输出性能试验比较。理论和试验同时证明，选用适当的阀参数可以提高泵输出。试验结果表明：相同条件下，要获得较高的泵流量，阀的极角θ取值为1.5π，阀厚度b取值为0.1 mm时为最佳，而臂宽a对流量的影响不大，呈单边趋势性不明显；铍青铜阀压电泵的输出流量高于弹簧钢阀压电泵的输出流量。

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