压电谐振泵的仿真分析与试验研究

李胜杰 朱亚妮 巫群洪 郭和平 邵宇鑫

（1.浙江师范大学 精密机械与智能结构研究所，金华 321004； 2.绍兴职业技术学院 机电工程与交通学院，绍兴 312300；3.宁波轨道交通集团有限公司运营分公司，宁波 315100）

压电谐振泵作为一种新型的流体驱动装置，主要利用压电材料的逆压电效应使压电振子变形，进而改变泵腔的体积来实现流体的传输。由于压电泵具有结构简单、体积小、无噪声、输出流量可控性好以及使用寿命长等优点，在医疗、化学分析、航空航天和微流体输送系统等领域具有广阔的应用前景[1]。

近年来，利用压电泵实现流量控制的需求已成为国内外学者的研究热点之一。1998年，吉林大学程光明教授在国内首次提出了被动阀式压电泵，采用压电振子作为压电泵的驱动源，最大输出流量可达到 71 mL·min-1[2]。2016年，青岛农业大学孙富春提出设计一种驱动电源，采用开关电源技术，产生激励频率和电压连续可调的正弦波，驱动滴灌压电泵[3]。2013年，吉林大学谢海峰等人基于谐振原理开发了压电双晶片振荡器谐振泵[4]。但是，上述压电泵需要较高的驱动电压和较小的输出流量，存在输出压力低、压电片易碎等问题。此外，压电堆结构复杂，价格昂贵，严重阻碍了压电泵的发展，不利于压电泵的普及[5-6]。

以压电谐振泵为研究对象，对其进行仿真分析和试验研究，总结了改变进气阀直径和驱动激励电压频率对压电谐振泵腔内流场的影响，得出了入口阀直径和驱动励磁电压频率在适当范围内将改善泵流量和压力的规律，并通过出口试验验证了仿真结果。

1 工作原理与动力学模型

压电谐振泵原理如图1所示。它是由橡胶圈、压电振子、质量块、连杆和橡胶膜片组成的振动系统。该泵由泵上壳体、进口阀、进口、出口阀、出口和泵梁组成。

压电振子在正弦交流电压作用下产生冲击振动，为振动系统提供激励。当激励信号频率达到振动系统共振频率的整数倍时，压电振子的变形位移变大并产生一个力，通过连杆作用在橡胶膜片上。隔膜上下移动，改变泵梁、进口阀、出口阀和橡胶隔膜形成的密封腔容积，使得进口阀和出口阀配合形成单相流。

2 模拟仿真

为了模拟压电谐振泵内液体流场的特性，建立了三维模型，并对结构进行了有限元建模，划分了网格，使用了表1中的数据。假设流体介质不可压缩，密度ρ为998.2 kg·m-3，动态粘度系数μ为0.001 kg·m-1·s-1，建立压电泵的三维模型，并对有限元模型进行网格划分。

表1 泵结构仿真参数

根据压电振子在75 V正弦驱动电压作用下的运动特性，建立了栅极的运动参数。压电泵的流体介质为水，采用k-ε流体计算模型。

根据图3和图4的吸入和排出阶段的流体流线图：当t=0.0004 s和t=0.0083 s时，压电泵的流体流线中，泵腔内的流体流线出现在入口和出口处；当t=0.0146 s 时，在压电泵的流体流线中，出现了从入口到泵腔的流体流线和从泵腔的出口，且出口处的流体流线多于入口处的流体流线；介于t=0.0100 s和t=0.0146 s之间时，泵室内的流体流线从入口到出口有大量流线，反向涡不明显。同时，在泵送流体的过程中，泵腔内流体流线数随时间先增加后减少，这与压电振子上施加的正弦电压有关。

为了进一步探讨驱动电压和频率对压电谐振泵动态响应特性的影响，利用Maple软件对上述仿真结果进行计算，出口流量随孔阀直径变化曲线如图5所示。

从图5可以看出：任何单一孔阀直径都有对应的一个最佳频率，使出口流量最大；随着孔阀直径的增大，最大流量随之增大，且相应的最佳驱动频率随之增大；当外部输入驱动电压频率小于最佳驱动频率时，孔板阀直径的增大将导致压电谐振泵出口流量先减小后增大；当驱动频率大于56 Hz时，出口流量波动更明显。当孔板阀直径为0.2 mm、0.6 mm、0.8 mm、 1.0 mm时，相应的驱动频率和最大出口流量分别为 38 Hz、39 Hz、43 Hz、49 Hz和0.77435 mL·s-1、 0.95497 mL·s-1、1.21147 mL·s-1、1.34485 mL·s-1。

3 测试与分析

为了验证压电谐振泵原理的可行性和仿真结果的有效性，设计并制造了如图6所示的测试样机和测试系统。测试仪器包括PI压电专用功率放大器、压力表、烧杯、工作台、33522 A任意波形信号发生器、时间继电器、精密电子秤以及谐振泵样机等。

测试原理为信号发生器输出驱动信号，通过PI压电专用功率放大器放大接收到的驱动信号，并将其作用于双晶片矩形压电振子，然后利用精密电子秤测量谐振泵输出流量。

试验所用器件的结构参数：谐振泵所采用截止阀的厚度为0.2 mm，阀堵直径为2.0 mm，阀孔直径为1.5 mm， 泵腔高度为0.8 mm，传振杆长度为16.0 mm，传振杆直径为3.0 mm，压电振子外加30 V的交变电压。

从图7可看到：当外部输入驱动电压频率小于96 Hz时，压电谐振泵输出流量随着驱动频率的增加而增加；当外部输入驱动电压频率大于96 Hz时，压电谐振泵输出流量随驱动频率的增加而减小。究其原因，可能是驱动电压和频率的增大使得压电振子上下振动，从而驱动泵腔内流体从入口到泵腔内部再到出口产生紊流状态的漩涡，并伴随大量回流现象，破坏了泵腔内的液体流动。然而，在96 Hz的驱动频率处，对应于1.2 mm、1.5 mm和1.8 mm的阀孔直径的输出流量分别为57.6 mL·min-1、68.24 mL·min-1和 56 mL·min-1。与图6的仿真模拟曲线不同，图8中的试验曲线没有最大输出流量的偏移。这是因为实际工作中选择的孔阀板直径差小，组别少，存在随机测量误差。

4 结语

文章提出了一种基于压电谐振泵的流量控制方法，通过理论仿真和实验验证了孔板阀直径和驱动激励频率对输出流量和压力的影响。结果表明，通过减小回流现象和增大流体流量，最大振幅激励频率曲线出现明显的共振峰，提高了共振泵的输出流量和压力。

（1）通过对压电谐振泵泵腔内液体速度和流线在一个周期内的仿真研究，证明了泵腔在一个激励周期内的变化引起液体的定向流动，励磁电压频率和节流阀直径的变化会影响泵的输出流量。可见，为了获得高性能的输出性能，可以适当调整励磁电压频率和孔板阀直径。

（2）通过模拟仿真研究，增大或减小进口孔阀直径都会产生旋涡。调整励磁电压和频率将改变入口和出口压力，可阻碍流体流动。当孔阀直径为0.2 mm、 0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm时，相应的驱动频率和出口最大流量分别为38 Hz、39 Hz、43 Hz、49 Hz和 0.77435 mL·s-1、0.95497 mL·s-1、1.21147 mL·s-1、 1.34485 mL·s-1。

（3）通过相同条件下的泵流量试验，验证了仿真分析结论的正确性，同时分析了模拟流程与测试流程的偏差。