轴向出流的单腔压电泵结构设计与性能研究

孙晓锋，刘 勇，武之炜，黄 成

(1.常州工学院 航空与机械工程学院，江苏 常州 213032；2.吉林大学 机械与航空航天工程学院，吉林 长春 130025)

引言

泵是输送流体或使流体增压的机械，它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加。

泵通常按工作原理分容积式泵、动力式泵和其他类型泵，如射流泵、水锤泵、电磁泵、气体升液泵等[1-3]。容积式泵是依靠工作元件在泵缸内作往复或回转运动，使工作容积交替增大和缩小，以实现液体的吸入和排出。容积式泵在一定转速或往复次数下的流量是一定的，几乎不随压力而改变。压电泵属于往复式容积泵，其工作面或边界面产生的压力以周期性的方式直接作用在流体上，但其不同于许多较大泵活塞是移动的边界面的工作方式，而是把作用在移动表面上的力由周边可变形的固定的板代替，板由压电驱动器来驱动，像薄膜一样，因此也被称作薄膜泵[4-5]。

同传统泵相比，压电泵有很多优点，例如结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰，可根据施加电压或频率控制输出微小流量等。但是其也存在许多不足之处，例如泵送液体时有的结构压电泵自吸困难，工作过程中液体中有气泡存在时会影响输出的稳定性等[6-8]。

本研究设计了一种轴向出流的单腔有阀压电泵，结构特点是在工作过程中使流体的流动方向始终沿着压电振子的振动方向，并将进口管设计在圆形压电振子的中心位置，从而使泵腔容积变化产生的最大压差直接作用在工作流体上，减少流动过程能量损失。将轴流式单腔压电泵同侧向出流的单腔泵的输出性能进行比较，获得结构变化对压电泵输出性能产生的影响。

1 轴流式压电泵结构设计和理论分析

传统的轴流泵是靠旋转叶轮的叶片对液体产生的作用力使液体沿轴线方向输送。轴流出流压电泵是指压电泵在工作时，流体沿着泵腔的轴向流入流出，使流体的流动方向与压电振子的振动方向始终保持一致。

图1为轴向出流单腔体压电泵结构示意图。泵体结构主要由3部分构成，即固定压电振子的上盖、带有腔体结构和被动截止阀的中间体及起压紧和密封作用的下盖。将进口阀设计在圆柱形腔体的中心位置，并保证进口管的轴线与压电振子垂直，形成轴向进流方式；将出口阀设计在泵腔外，通过导流槽与泵腔连接，出口管方向与阀开启方向一致。

1.紧固螺栓 2.上盖 3.泵腔 4.进口阀 5.圆形压电振子 6、8、10、15.密封圈 7.出口接头 9.下盖 11.进口接头 12.出口连接通道 13.出口阀 14.中间体

在正弦交流电作用下，1个周期内压电泵的工作过程为：当圆形压电振子5向上振动时，泵腔3容积变大，作用在进口阀4的外部环境压力大于泵腔内部压力，进口阀逐渐打开，流体通过进口11进入泵腔。当压电振子向下振动时，泵腔容积变小，作用在进口阀的外部环境压力小于泵腔内部压力，出口阀逐渐关闭，同时作用在出口阀13的外部环境压力小于泵腔内部压力，出口阀逐渐打开，流体通过出口管7流出。

由于采用圆形压电振子，泵腔体容积变化的截面曲线可近似的看作抛物面，设压电振子弯曲振动变形函数为w(r,T)，初始(T=0)时压电振子处于水平位置，工作开始后向上振动，如图2所示，假设压电振子各点振动幅值在压电泵工作时基本保持不变，则在1/4周期时间内压电振子弯曲振动变形函数为[9-11]：

图2 泵腔容积变化示意图

(1)

则在T/4时刻，在半径(r，r+dr)之间泵腔容积的变化量为：

(2)

泵工作在较低频率时，可看作是等温过程，腔内在半径r处的压力：

(3)

式中，Vr为dr增量泵腔的初始容积；p0为压电振子在水平位置时(T=0)泵腔内压力。

将式(2)代入式(3)得：

(4)

从式(4)可以看出，在同一时刻，在泵腔中心处腔体容积变化量最大，然后向四周固定边缘处逐渐变小，因此腔体内的瞬时压强变化呈梯度分布，中心处最小，向四周固定边缘处逐渐变大。将进口阀安置在泵腔中心处，可保证当流体进入泵腔时，作用在阀两侧的压差为瞬时最大值。同时将出口阀安置在泵腔外，通过出口连接通道12与泵腔相连，可避免在狭小泵腔内进出口流体相互干扰，影响流体的净输出流量。

2 试验测试与分析

2.1 不同结构单腔泵性能测试

加工了2种不同结构形式的单腔体压电泵，如图3所示。图3a压电泵的进出口管轴线与压电振子的振动方向相垂直，为侧向出流；图3b进出口管轴线与压电振子的振动方向一致，流体从轴向进出，为轴向出流。

图3 不同结构的单腔体压电泵

试验条件为驱动电压110 V的正弦交流电，压电振子的铜基板和压电陶瓷片厚度均为0.2 mm压电单晶片。在测量输出液体流量随频率变化规律的试验中，所需正弦交流驱动电源，是针对压电泵驱动所设计的专用驱动电源，输出电压在0～220 V之间，驱动频率在40～400 Hz，并将数显计时器与压电泵串联在一起，设置工作时间为60 s。当计时器启动后，60 s测量自动停止，然后通过电子称测量出输出流量；测试输出压力的智能数字压力表，最小测量压力0.1 kPa，如图4a所示。在测量输出气体流量随频率变化规律的试验中，测试输出流量选用的是GL-103B皂液式气体流量计，测量气体流量范围为5～5000 mL/min，如图4b所示。

图4 测试输出性能的试验设备

试验曲线如图5～图7所示。

图5 输出气体流量随频率变化曲线

图5是2种结构压电泵输出气体流量和驱动电信号频率之间的变化曲线。从曲线中可以看出，当驱动电信号频率小于280 Hz时，进出口侧向出流的a结构压电泵输送气体流量要略高于轴向出流的b结构压电泵，而后随着驱动频率的增加，出口阀安置在泵腔外的轴向出流b结构压电泵输出气体流量要高于a结构压电泵。

图6是输出液体流量和驱动电信号频率之间的变化曲线。从曲线中可以看出，在小于400 Hz的工作频率范围内，2种结构的单腔泵均会出现多个最佳工作频率点，在当驱动电信号频小于120 Hz时，进出口侧向出流的a结构压电泵输送液体流量要高于轴向出流的b结构压电泵，而后随着驱动频率的增加，出口阀安置在泵腔外轴向出流b结构压电泵输出液体流量也要高于a结构压电泵。

图6 输出液体流量随频率变化曲线

图7是输出压力随频率的变化曲线。从曲线中可以看出，轴向出流b结构压电泵在工作频率内输出液体压力要远远高于侧向出流的a结构压电泵，这说明采用轴向出流设计的单腔体压电泵在流动过程中能量损失小。

图7 输出液体压力随频率变化曲线

2.2 不同电信号波形对单腔泵输出影响

为测试驱动电信号波形对压电泵输出性能影响，分别采用正弦波、方波、三角波、锯齿波等4种波形的电信号[12]，在相同有效电压80 V时对轴向出流的单腔压电泵进行驱动，得到如图8所示的输出液体流量随频率变化曲线。

图8 不同波形下液体流量随频率变化曲线

从试验曲线中可以发现，在工作频率小于250 Hz时，输出液体性能较好的电信号波形依次为锯齿波、三角波、方波和正弦波，而当驱动频率高于250 Hz时，压电泵输出性能最好的波形为正弦波，方波次之，三角波和锯齿波比较接近，输出性能较差。

3 结论

通过对不同结构的单腔有阀压电泵进行结构设计和试验测试，得出以下结论：

(1)在低频工作阶段，不管是泵送气体还是泵送液体，侧向出流的单腔压电泵输出流量要高于轴向出流单腔压电泵，而当高频工作时，后者要高于前者；

(2)在整个试验测试范围内，轴向出流单腔压电泵的输出压力要高于侧面出流的单腔压电泵；

(3)驱动信号的波形对压电泵的输出性能会有很大影响。