层叠型双腔并联压电泵性能研究

2022-12-23孙晓锋林燕霞王盈学

液压与气动 2022年12期

陈亮，孙晓锋，林燕霞，王盈学，刘勇

(1.长治职业技术学院机械电子工程系，山西长治 046000； 2.常州工学院航空与机械工程学院，江苏常州 213032；3.吉林大学机械与航天航空工程学院，吉林长春 130025)

引言

双腔并联压电泵是多腔并联压电泵中最早开始研究的结构形式。1990年，SHOJI S等[1]为了构造集成式的化学分析系统，开始了并联压电泵的研究，这种并联压电泵采用压电叠堆进行驱动，带有单向截止阀，驱动2个压电叠堆的电信号相位差相差180° ，属于异步驱动。1995年，OLSSON A等[2]为了提高压电泵的输出流量，设计了双腔并联锥形管无阀四振子压电泵，其中每个腔体具有一对锥形管进口阀和出口阀，并由2个压电振子进行驱动，2个腔体之间“一”字形排列，由共同的进口槽和出口槽将2个腔体连接在一起，在异步驱动和同步驱动下进行输出性能试验，异步驱动时的输出流量和输出压力为同步驱动时的2倍。2004年，KIM J H等[3]设计了由2个振子驱动的锥形管无阀压电泵，其设计结构与文献[2]设计的双腔并联泵相似，该压电泵由矩形波交流电进行驱动，试验测试结果显示，随着驱动电压的增加，输出流量也随之增大。

国内学者关于双腔并联压电泵的研究始于2004年，吴博达[4]设计了收缩管/扩张管无阀双腔并联压电泵。曾平[5]和阚君武[6]分别设计了双腔并联有阀压电泵，由于被动截止阀的应用，使泵在输送时截止性能增强，输出流量和输出压力进一步增加。

近年来，关于并联压电泵的研究，在结构设计上已经从传统的“一”字形结构[7-8]发展到层叠型结构[9-11]设计，使并联压电泵的结构更加紧凑，内部流道变短，极大减小了泵工作时的流动阻力，提高了输出性能。

本研究对层叠型双腔并联压电泵的结构进行了进一步优化设计，在通孔上设计了隔板结构，把这种结构的输出性能同早期结构进行了比较，并通过试验对双腔并联压电泵的输出理论问题进行了验证。

1 双腔并联压电泵结构

改进后的层叠型双腔并联压电泵在通流板出口端通孔上设计了隔板，如图1所示，隔板的作用是避免两腔内流体排出时在通孔内正向碰撞而产生能量损失，影响泵的输出结果。

层叠型双腔并联压电泵是上下完全对称结构，在中间通流板上设计有泵进出口通道。早期设计的通流板结构如图2a所示，这种结构的通流板使流体进入上下2个腔体后，在向出口排出时，两股流体在通孔内会产生正向碰撞，由此发生能量损失。图2b所示通流板结构是在出口处的通孔增加隔板，使上下腔内排出的流体直接进入出口，避免了正向碰撞发生。

图1 层叠型双腔并联压电泵结构Fig.1 Structure of stacked double-chamber parallel piezoelectric pump

图2 不同结构通流板Fig.2 Different structural flow plates

2 双腔体并联泵的输出特性

双振子压电泵并联时，2个腔内的流体独立运动，其输出能力与电信号的驱动情况有关。当2个压电振子在一个振动周期T内振动时，腔内流体流入和流出泵腔的状况，如图3所示，图中箭头表示同一时刻流体的流动。

图3 电信号不同驱动方式下泵腔容积变化情况Fig.3 Volume change of pump chamber under different driving modes of electrical signal

当电信号同步驱动时，以一个工作周期进行分析，如图3a所示，流体进入2个腔体和从2个腔体排出是同时进行的，总的输出流量理论上应为2个腔体独立工作时输出流量之和：

Qout=Q1+Q2

(1)

式中，Q1和Q2为2个腔体单独工作时的输出流量。

但是在实际工作时，从排出过程的原理图可以看出，2个腔内流体流动时会存在相当大的回流量，因此实际流量可能要远远小于理论值。

所能达到的最大输出压力为：

pout=max{p1,p2}

(2)

式中，p1和p2为2个腔体单独工作时的输出压力。

当电信号是异步驱动时，由图3b可以看出，流体进入一个泵腔时，另一个泵腔内的流体正在排出，两腔内流体在排出过程中可以避免碰撞的发生，回流现象不明显，此时的输出流量为：

Qout=Q1+Q2

(3)

输出的压力与串联泵的输出压力情况相同，理论上应为：

pout=p1+p2

(4)

3 试验测试分析

3.1 输出性能比较

试验条件：驱动振子为压电单晶片，基板为铜基板，厚度0.2 mm，直径35 mm；压电陶瓷为PZT-5A，厚度0.2 mm，直径29 mm。驱动电压为110 V正弦交流电，工作频率40～400 Hz。试验装置有驱动电源、计时器、压力表、皂液式气体流量计、天平、烧杯等，如图4所示。

图4 试验装置Fig.4 Test apparatus

试验介质：水和空气，分别以水和空气为介质，对带有隔板和没有隔板的层叠型双腔并联压电泵的输出性能进行测试，获得2种结构形式的双腔并联压电泵输送气体的流量曲线，如图5所示。

图5 电信号不同驱动方式下输出气体流量曲线Fig.5 Output gas flow-rate under different driving modes of electrical signal

从图5中可以看出，不管是同步驱动还是异步驱动，隔板的存在对输出气体流量影响极小，其原因是气体密度小，黏度也小，气体间发生相互碰撞时能量损失相对较小，因此隔板是否存在对气体流量输出影响不大。

图6 电信号不同驱动方式下输出液体流量曲线Fig.6 Output liquid flow-rate under different driving modes of electrical signal

另外同步驱动输送液体时，泵的工作性能和单腔泵[12]的工作性能比较相似，最佳工作频率点较低，而且当工作频率超过160 Hz时，几乎没有液体流出。

从压电泵的工作原理上看，在相同频率驱动下，腔体容积的变化量大小决定输出流量大小，而在同步驱动和异步驱动下，产生的腔体容积变化量是相同的，而之所以产生不同的输出结果，其原因可能有以下两方面：一方面，同步工作时对称性的输出影响了阀的开启；另一方面，文献[13]研究表明，压电泵出流应当包括两部分：一部分由腔体容积变化产生，可称为容积流，另一部分是惯性流。惯性流是指压电泵在排程末时会使泵腔内出现一定的负压，促使入口阀打开，流体从入口直接流向出口，形成出流，因此将这种因惯性而形成的出流称为惯性流。惯性流在压电泵的总输出中占有多大比重尚不确定，但同步驱动时并联压电泵的有效工作频率较低，输出流量较小，而在异步驱动时有效工作频率较高，输出流量增大，说明惯性流在高频工作时可能是压电泵流量输出很重要的部分。

不管是哪种驱动方式，隔板的存在都会在一定程度上缓解正面碰撞产生的能量损失，使输出液体流量有所提高。尤其在异步驱动时，隔板存在还会有效阻止一个腔体内流体向另一个腔体内的回流。

图7是输送液体水时的输出压力曲线。同步驱动时隔板的存在对输出压力几乎没有产生影响，而当异步驱动时，带有隔板会提高输出压力。

图7 电信号不同驱动方式输出液体压力曲线Fig.7 Output liquid pressure under different driving modes of electrical signal

3.2 输出理论的试验验证

双腔并联压电泵的总体输出能力和单个压电振子输出能力的关系，会随着2个振子的驱动方式不同而产生差异，其理论关系如式(1)～式(4)，试验中测试了2个振子单独工作时的输出流量和输出压力，将其计算结果和2个振子同时工作时结果进行比较。

图8是单振子驱动和2个振子同时驱动时输送气体流量曲线。从结果来看，2个单个振子进行驱动时所得输出流量之和与2个振子同时工作时的输出流量几乎完全相同，并且驱动方式对2个振子的输出结果也几乎没有影响。这说明当输送气体时，理论式(1)、式(3)是完全正确的。

图8 单振子驱动和双振子驱动时输出气体流量曲线Fig.8 Graph of output gas flow-rate drived by single-vibrator or double-vibrator

图9是不同数量振子输送液体流量曲线。当2个振子同步驱动时，输出效果很差，驱动频率超过160 Hz 时几乎不再工作，且在大部分工作频率下，其输出流量比单个振子驱动输出流量还差。这种情况下的输出结果与式(1)已存在相当大的误差，式(1)不再满足实际输出状况。而当异步驱动时，2个振子同时工作时的实际输出流量约为2个单个振子进行驱动时所得输出流量加和的1.4倍，与理论式(3)也存在一定误差，这说明前面阐述的压电泵输出流量是由体积流和惯性流两部分组成是正确的。因为只有体积流的存在，才有可能出现这样的试验结果。

图9 单振子驱动和双振子驱动时输出液体流量曲线Fig.9 Graph of output liquid flow-rate drived by single-vibrator or double-vibrator

图10是不同数量振子驱动时输出压力曲线。2个振子同步工作时，驱动频率超过160 Hz时没有流量输出，因此也不能再输出压力，但在有效工作频率范围内，其输出压力值和单振子工作时的输出压力值比较接近，也验证了理论式(2)的正确性。当2个振子异步工作时，输出压力值整体好于单振子工作；当工作频率大于140 Hz时，其输出压力值比2个单振子独立工作时输出压力之和略大，但比较接近。