高性能压电泵的优化设计

张小忱 靳尧 姚景华 郑晓培

摘 要：设计了一款高性能的双作用压电泵，该压电泵采用了双晶片压电振子，其中压电振子受力均衡，不易损坏，提高了系统的稳定性；相同条件下双晶片压电振子变形大，增加了压电泵的输出流量和压力，对压电泵的结构进行了优化设计，使相关因素对效率的影响大大降低，提高了压电泵的性能。

关键词：压电泵；高性能；优化设计

中图分类号：TB472文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.07.002

压电陶瓷因为结构简单、输出高、響应迅速、没有电磁干扰等特点，在多个领域内被广泛应用[1-5]。本文介绍了一种具有变形量大和驱动力大特点的新型压电泵。

1 压电泵结构

该压电泵用液体承载、传递能量，完成电能和机械能的转化。结构见图1，主要由压电振子、截止阀、螺栓、压电泵体和密封圈组成。该装置通电时，压电振子弯曲变形，从而引起压电泵腔体容积发生变化（增大/减少），腔体内的液体被吸入/排出。

2 压电泵的原理

压电泵采用的压电振子为双晶片压电振子，单个压电振子可以与泵体形成两个泵腔，上下各一个。压电振子发生弯曲时，两侧的泵腔分别容积变大吸水和容积减小排水。如图2所示，在交流电压下，压电泵不断重复此过程，驱动液体完成连续定向运动，不断输出流量和压力。为了提高输出性能，采用了5个振子通过串联形成压电泵。

3 压电泵结构的优化设计

压电泵的输出能力受多个影响因素共同作用。为了提高泵的输出，该压电泵优化了压电振子、截止阀、阀孔位置和阀孔直径、孔距等因素。

压电振子是压电泵的能量转化元件，所以它的能力直接决定了压电泵的输出性能。常用压电晶片如图3所示。相同电压下，双晶片压电振子的变形大，输出能力更好，因此该装置设计为双晶片压电振子。这种振子受力均衡，不易损坏，提高了系统性能的稳定性；而且相同条件下双晶片压电振子比单晶片压电振子的变形大，增加了压电泵的输出流量和压力。

压电泵工作过程中，截止阀控制液体的流动。阀的工作方式、阀的类型、材质和结构都会影响压电泵的输出。通过比较采用伞形橡胶截止阀。结构和安装方式如图4所示，将伞形阀的阀柄安装在泵体上，以固定阀的位置。通过阀片的开闭来控制通过阀孔的水流。当阀片里侧的压力强于外侧时，阀片会打开使流体通过阀孔并进入到下一个腔体中；同理，若阀片里侧压力弱于外侧压力时，就会压迫阀片使其紧贴在阀孔上，禁止液体流通。

压电泵腔体里的压力分布会随着阀孔位置的改变而发生变动。压电泵开始工作，液体经阀孔轴向流进腔体，然后径向平行于腔体流动，再经阀孔排出，因此可按径向和轴向两个方向分析压电泵内的液体压力。如图5所示为径向时腔体的压力分布，呈抛物线形状，越靠近振子中心压力越大。而图6表示为轴向时腔体的压力情况，呈对数形状，阀孔处压力较小，边缘处压力达到峰值。因为压电振子采用周边固定支撑所以发生变形时中心处挠度最大，对腔体体积的影响亦最大。可断定压电泵腔体内径向压力的影响强于轴向压力。因此设计阀孔位置尽可能接近振子的中心处，降低压力对振子的反作用力，减小振子形变时的阻碍。

阀孔的尺寸越大，位置越靠近阀片边缘，压电泵的流量越大。但太过靠近阀片边缘，截止阀闭合时会无法完全遮住孔径，发生图7中B位置所示的截止失效。根据以往经验和试验检测，确定阀孔距离阀片外侧的最佳值是1 mm。同样会出现截止失效的另一种情况如图7中A位置所示，阀孔尺寸太大，截止阀过度变形致使产生倒流。为了确定最佳的阀孔尺寸和足够的阀孔面积确保不影响压电泵的输出能力，本文根据试验结果采用了6个1.7 mm直径的阀孔。

压电泵的泵腔体积对泵的输出能力有很大的影响。压电泵的输出流量与泵腔高度成正比，而输出压力与泵腔高度成反比。所以泵腔高度的合理范围为0.3～0.8 mm。

4 结束语

本设计的压电泵采用双晶片压电振子串联而成，通过伞形橡胶截止阀控制输出。同时优化影响因素，确定阀孔的位置尽量靠近压电振子的中心，阀孔与阀片边缘距离1 mm，阀孔直径1.7 mm，泵腔高度0.3～0.8 mm，提高压电泵的输出性能，增大工作效率。

参考文献：

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