螺旋线形阀压电泵单臂阀和双臂阀的性能比较

王 颖，张建辉，刘瑞峰，严秋锋

(1.泰州职业技术学院机电技术学院，江苏 泰州 225300) (2.广州大学机械与电气工程学院，广东 广州 510006) (3.新南威尔士大学工程学院，新南威尔士 悉尼 2032) (4.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京 210016)

压电泵以压电陶瓷作为驱动源，具有能耗小、结构简单、效率高、控制方便、无电磁场等优点，在生物医药工程、微机械等领域得到越来越多的应用和发展，多年来其形式和应用场合不断得到突破，性能也在不断提高[1～8]。

为了提高压电泵的性能，研究人员在阀及泵结构的改进上做了大量工作。阚君武等[9]研制了一种便携式微型药品输送压电泵；程光明等[10]开发了压电驱动式双喷嘴挡板电液伺服阀；刘国君等[11]研制了一种多腔体串联结构的用于胰岛素推注的压电微泵；张建辉等[12]研发了用于细胞或高分子输送的“Y”形流管无阀压电泵；孙晓峰等[13]设计了泵送大黏度液体的双腔并联压电泵；王颖等[14-15]设计了拟悬臂梁结构的单臂螺旋线形阀压电泵，并研究了阀参数对螺旋线形阀压电泵输出性能的影响；王颖等[16]开发了对称螺旋线形阀压电泵。

压电泵在生物医药工程、微机械等领域的特殊用途，使得人们很有必要详细区分单臂螺旋线形阀(简称单臂阀)压电泵和旋转对称螺旋线形阀(简称双臂阀)压电泵输出特性的差异。本文将对单臂阀压电泵和双臂阀压电泵的泵流量公式进行分析，对比研究两种阀在泵送不同黏度或密度的流体，及阀参数不同时的具体输出性能及其适用性。

1 泵及阀结构

1.1 泵结构

笔者开发了单臂螺旋线形弹性固支阀和旋转对称螺旋线形固支阀，并针对两种阀体设计了如图1所示的结构和参数均相同的压电泵[14～16]。压电泵由压电振子、进出水管、泵盖、泵体、底座及螺旋线形阀等零件组成。

图1 螺旋线形阀压电泵结构示意图

1.2 两种螺旋线形阀结构

图2为单臂阀和双臂阀结构的立体示意图。

图2 螺旋线形阀结构立体示意图

单臂阀由阀体、定位器和螺旋线形曲臂组成，为拟悬臂梁结构，其螺旋臂长是简单悬臂梁阀的数倍，工作时开启度大，且因其为螺旋线形弹性固支结构，阀体不仅可以上下回位，左右也具有对中功能，阀的跟从性和截止性较高。

螺旋线形阀悬臂各部位所处半径不同，悬臂各部位的变形刚度也不同，其中与定位器越靠近的部位刚度越大，这一特点使得螺旋线形阀的阀体具有了“慢开启、快关闭”特性。

双臂阀包含阀体、一对旋转对称曲臂和两个定位器。双臂阀消除了单臂阀运行时由于流体侧向力造成的阀体倾斜而产生的负面影响，能更有效地发挥螺旋线形阀压电泵阀体“慢开启、快关闭”的优势。

图3所示为两种螺旋线形阀结构的平面示意图。图中，a和b分别为曲臂的截面宽(简称臂宽或曲臂宽)和截面高(简称臂厚或曲臂厚)；R1为曲臂小端半径；R2为曲臂大端半径；θ为曲臂的螺旋极角。

图3 螺旋线形阀结构平面示意图

1.3 两种阀性能差别

根据前期研究结果，可总结出两种阀性能特点如下[15-16]：

1)材料及尺寸参数相同的情况下，单臂阀的弹性系数k1是双臂阀弹性系数k2的2倍，即

k1=2k2

(1)

在参数相同的理想状态下，承受同样流体作用力时单臂阀的开启量可以达到双臂阀的2倍，即泵流量可以达到双臂阀泵流量的2倍。

2)如图4所示，单臂阀臂宽a与泵流量之间没有呈现明显单边的趋势性。如图5所示，在输入电压为120V、频率为10Hz时，泵进出水管压差Δh在臂宽a=1.5mm时最大。

图4 单臂阀臂宽a与泵流量之间的关系

图5 单臂阀臂宽a与泵进出水管压差之间的关系

如图6所示，双臂阀臂宽a由0.3mm变化至0.8mm时，泵流量与臂宽a呈负相关，双臂阀臂宽越大，泵流量越小。

图6 双臂阀臂宽a与泵流量关系

3)如图7所示，单臂阀在阀厚度b最小选取值为0.1mm时，泵流量随厚度的增大单调下降。

图7 单臂阀厚度与泵流量之间的关系

4)双臂阀泵流量是阀臂宽为其2倍左右的单臂阀泵流量的1.25～2.84倍。

5)双臂阀泵在进、出口阀臂宽不同时由于扩大了“慢开启、快关闭”的优势，其泵流量大于进、出口阀臂宽相同时的泵流量，且泵流量在进口阀臂宽ai大于出口阀臂宽ao时优势更明显。

2 两种阀性能对比

以压电泵中进口阀的开启过程为例[16]对单臂阀和双臂阀的性能进行对比。图8所示为单臂阀压电泵中进口阀开启过程主视图和俯视图，其中Fk为开启时阀体所受流体作用力，FNk和FSk是由于阀体的倾斜产生的法向分力和侧向分力，ek为侧向分力FSk引起的阀体径向偏移量。图9所示为双臂阀压电泵中进口阀开启过程主视图，因为两对称曲臂的作用，阀体运动时受到的两侧向力作用相互抵消，阀体可保持与阀口孔平行的运动状态，阀体的合成径向偏移量Δext接近于0，远小于单臂阀阀体的径向偏移量ek。

图8 单臂阀压电泵中进口阀开启过程主视图和俯视图

图9 双臂阀压电泵中进口阀开启过程主视图

因此，泵流量公式可表示为[14-16]

(2)

式中：g为重力加速度；n为螺旋线形曲臂的最大圈数；k为由于阀体径向偏移量ext引起的泵流量阀体偏移系数，双臂阀时的k=1，单臂阀时的k<1；ρ1为流体密度；r为阀口半径；d31为压电常数；d和δ分别为压电振子的直径和厚度；G为阀材料的切变模量；k′为曲臂截面系数，大小与a/b有关，其值见表1[15]；f和U分别为压电振子的驱动频率和驱动电压。

表1 系数k′的值

由表1可知，当a/b的值由5.00变化为10.00，增大了1倍时，k′值由0.291 3变为0.312 3，变化比例为93.27%，接近于1，为简便起见，此处忽略系数k′变化的影响。

另外，流体的运动黏度υ等于流体动力黏度μ除以流体密度ρ1，即

(3)

将式(3)代入式(2)，泵流量公式可表示为

(4)

分析式(4)可知，在驱动电源和压电振子一定的条件下，泵流量与流体运动黏度υ呈负相关，与阀材料的切变模量G、曲臂截面系数k′、曲臂宽a、阀曲臂厚b的三次方等也呈负相关。工作时如果这些参数改变，泵流量也会发生相应的变化。

假设单臂阀和双臂阀的各参数相同，在其他条件均不变的前提下，只将流体或者阀参数其中之一增大1倍，根据式(2)、(4)可得到如表2所示的泵流量变化比例n1。

表2 参数增大1倍时泵流量变化比例n1

由表2可知：

1)当流体密度ρ1增大时，泵流量会增大。但流体密度ρ1增大时其运动黏度υ会降低，容易出现泄漏而降低流量，所以为了减少因为阀体偏移阀口关闭不严引起的回流和泄漏，增大泵流量，可以选用双臂阀泵。

2)当流体的运动黏度υ增大时，泵流量会减小。流体的运动黏度υ增大，其流动性降低，阀体的开启变得困难，要保持或增大泵流量，就需要阀体“更慢开启，更快关闭”，此时采用双臂阀有利于发挥其“更慢开启，更快关闭”的优势增大泵流量，同时考虑采用进出口阀臂宽a选用不同值，且进口阀臂宽ai大于出口阀臂宽ao的方案。

如图6所示，因为双臂阀臂宽a大于0.3mm时，泵流量与臂宽a的关系呈负相关，所以选用的双臂阀臂宽尽可能取0.3mm。

3)阀材料的切变模量G增大时，泵流量减小。阀材料的切变模量G越大，其弹性就越差，从而影响阀的开启高度，流量减小。当无法选用弹性好、切变模量G小的材料时，可考虑选用双臂阀泵以提高泵的输出性能。

4)阀臂宽a增大时，泵流量也会减小。如图4～图6所示，因为双臂阀泵流量随着臂宽a的增大而减小，而单臂阀泵流量与阀臂宽a之间的关系不是明显呈单边的趋势性，但是在阀臂宽a=1.5mm时泵输出的压差最大，所以这时可以考虑选用单臂阀。

5)曲臂厚b增大时，泵流量成3次方地锐减。如图7所示，因为泵流量随厚度b值的变化单调减小，所以这时候可以考虑采用双臂阀，尽可能地增大泵流量。

3 结束语

本文在前期研究的基础上进一步推导和分析了螺旋线形阀压电泵的泵流量公式，对比研究了在流体密度、黏度及阀材料切变模量、阀的曲臂宽和曲臂厚等参数变化时，单臂阀和双臂阀的性能区别。即应用中当流体密度ρ1和运动黏度υ、阀材料的切变模量G、阀曲臂厚b较大时，可选用双臂阀压电泵，当阀曲臂宽a较大时可以考虑选用单臂阀压电泵。