， ， ， (.吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 吉林　30;. 中石油東北煉化工程有限公司 吉林機(jī)械制造分公司， 吉林 吉林　30)

引言

在多腔體壓電泵[1-4]中，雙腔體壓電泵[1,2]是最早被設(shè)計與研究的，雙腔體串聯(lián)壓電泵[2,5]和早期研究的單腔體壓電泵比較，由于在輸出流量和輸出壓力方面均有較大幅度的提高，而引起研究者更多關(guān)注。

國內(nèi)最早出現(xiàn)關(guān)于雙腔串聯(lián)壓電泵的報道是2004年吉林大學(xué)闞君武教授等研究者發(fā)表的《兩腔體串聯(lián)壓電驅(qū)動微型泵的輸出特性》文章，其所設(shè)計的雙腔串聯(lián)三閥壓電泵，在70 V 交流信號驅(qū)動下，工作頻率為50 Hz時，最大輸出流量為11.75 mL/min ，最大輸出壓力為21.9 kPa。其后又在2006年發(fā)表了《兩腔壓電泵結(jié)構(gòu)與特性》的文章，對串聯(lián)泵的輸出進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)測試，得到結(jié)果為串聯(lián)泵雙腔交叉工作時輸出壓力是單個腔體工作時輸出壓力的2 倍，而其輸出流量約為單個腔體流量的1.4 倍。筆者對雙腔串聯(lián)泵也研究多年，在早期研究者研究的基礎(chǔ)上，對雙腔串聯(lián)泵結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，設(shè)計了帶有導(dǎo)流槽和沒有導(dǎo)流槽兩種結(jié)構(gòu)形式[6]，在相同試驗(yàn)條件下分別以水和空氣為試驗(yàn)介質(zhì)對兩種結(jié)構(gòu)泵進(jìn)行輸出性能試驗(yàn)。

分析以往研究的成果，關(guān)于雙腔串聯(lián)壓電泵研究更多集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計和輸出原理方面，而關(guān)于進(jìn)一步提高其輸出性能的優(yōu)化設(shè)計方面很少，其試驗(yàn)研究也更多集中在兩個振子異相工作(即交叉工作，兩振子工作相位差為180°)泵送液體方面。本研究將從提高雙腔串聯(lián)泵的輸出性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手，改變進(jìn)出口腔的容積比，并對兩驅(qū)動振子同相工作時輸送氣體和液體進(jìn)行試驗(yàn)測試與分析。

1　雙腔串聯(lián)泵優(yōu)化設(shè)計

泵通常按工作原理分容積式泵、動力式泵和其他類型泵，壓電泵屬于往復(fù)式容積泵，這種泵的工作面或邊界面產(chǎn)生的壓力以周期性的方式直接作用在流體上，但它又不像許多較大泵的工作方式那樣，活塞是移動的邊界面，而是把作用在移動表面上的力由可變形的周邊固定的板代替，板由壓電驅(qū)動器來驅(qū)動，這個板像薄膜一樣，因此也被稱作薄膜泵。因此壓電泵同樣也具有容積泵的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 平均流量恒定即泵的流量只取決于工作腔容積的變化值及其頻率，理論上與排出壓力無關(guān)；

(2) 泵的輸出壓力取決于管路特性如果輸送的流體是不可壓縮的，在理論上可以認(rèn)為泵的排出壓力將不受任何限制，即可根據(jù)泵裝置的管路特性，建立泵的任何所需的排出壓力；

(3) 對輸送的液體有較強(qiáng)的適應(yīng)性原則上可以輸送任何介質(zhì)，不受其物理性能或化學(xué)性能的限制。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中，有時也會遇到不能適應(yīng)的情況，但其原因多半是因?yàn)榕c液體接觸的材料和制造工藝以及密封技術(shù)暫時不能解決的緣故。同時由于壓電泵結(jié)構(gòu)較小，受被動閥結(jié)構(gòu)尺寸限制，含有較大顆粒的液體不能輸送；

(4) 具有良好的自吸性能啟動前通常不需灌泵。

本設(shè)計的串聯(lián)泵是帶有導(dǎo)流槽的三閥泵，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1的雙腔串聯(lián)泵結(jié)構(gòu)可以看出，當(dāng)泵工作時，流體從進(jìn)口腔進(jìn)入出口腔的過程中，要經(jīng)過導(dǎo)流槽5，因?yàn)閷?dǎo)流槽和進(jìn)口腔之間通過孔連接，且導(dǎo)流槽和出口腔之間通過中間閥隔開，因此導(dǎo)流槽可以看成進(jìn)口腔的一部分。根據(jù)傳統(tǒng)容積泵的工作理論，為提高雙腔串聯(lián)泵的輸出壓力，關(guān)鍵在于兩腔工作過程的良好匹配(即進(jìn)口腔吸入和出口腔增壓排出過程的良好匹配)，減少液體從高壓腔(出口腔)向低壓腔(進(jìn)口腔)的泄漏，因此增大低壓腔(進(jìn)口腔)容積能起到良好的效果。為此設(shè)計進(jìn)口腔容積(包括進(jìn)口腔和導(dǎo)流槽容積之和)和出口腔容積比γ(γ=進(jìn)口腔容積/出口腔容積)分別為1.9、1.5、1.3三種結(jié)構(gòu)的串聯(lián)泵，并進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，為消除不同壓電振子驅(qū)動能力對泵輸出結(jié)果的影響，試驗(yàn)中中間體的結(jié)構(gòu)不同，而固定壓電振子的下蓋和擁有進(jìn)出口的上蓋均用同一構(gòu)件。

1.緊固螺栓　2.上蓋　3.密封圈　4.壓電振子　5.導(dǎo)流槽　6.中間閥 7.出口腔　8.進(jìn)口閥　9.進(jìn)口腔　10.下蓋　11.中間體　12.出口閥

2　雙腔串聯(lián)壓電泵同相和異相工作原理分析

作為兩振子驅(qū)動的雙腔串聯(lián)泵，其兩個振子的基本驅(qū)動方式有兩種，一種是兩振子同一時刻的工作相位相同，這稱為同相驅(qū)動；另一種是兩振子同一時刻的工作相位相反(相位角相差180°)，這稱為異相驅(qū)動。為分析二者在工作上的區(qū)別，以泵一個工作周期振子與閥的工作狀況進(jìn)行分析，其工作原理如圖2所示。

圖2a是在同相驅(qū)動時振子振動時和閥的開啟情況。設(shè)在初始時刻兩振子在平衡位置。在0～1/4周期過程中，兩振子同時向下振動，這時進(jìn)口腔和出口腔腔體容積變大，進(jìn)口閥閥和中間閥在壓差作用下逐漸開啟，流體開始從進(jìn)口流入；在1/4～1/2周期過程中，兩振子回到平衡位置，這時進(jìn)口腔和出口腔腔體容積變小，進(jìn)口閥和中間閥關(guān)閉，出口閥開啟，流體從出口流出；在1/2～3/4周期過程中，振子繼續(xù)向上振動，進(jìn)口腔和出口腔腔體容積繼續(xù)變小，流體從出口繼續(xù)流出；在3/4到1周期過程中，兩振子又回到平衡位置，這時進(jìn)口腔和出口腔容積又開始變大，進(jìn)口閥和中間閥逐漸開啟，出口閥關(guān)閉，流體又從進(jìn)口流入。

關(guān)于異相工作時兩振子和閥的工作狀況(圖2b)，在文獻(xiàn)[7]中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)論述，此處不再贅述。比較同相和異相工作時流體的流動狀況，發(fā)現(xiàn)在同相驅(qū)動時，流體從進(jìn)口流入和出口流出是在不同時刻進(jìn)行的，而異步驅(qū)動時，流體從進(jìn)口流入和出口流出是在同一時刻進(jìn)行的。

圖2　不同驅(qū)動方式下雙腔串聯(lián)壓電泵的工作狀況

3　泵的輸出功率和效率計算

壓電泵的輸出性能參數(shù)主要有輸出流量、輸出壓力、功率和效率等。它們表示了壓電泵在一定電壓驅(qū)動下，以水為介質(zhì)在最高效率時的性能參數(shù)。壓電泵是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)來工作，因此驅(qū)動電源的電能轉(zhuǎn)化為泵驅(qū)動能力的機(jī)械能，如果在理想狀態(tài)下，二者是相等的。因此壓電泵的功率是泵每秒鐘對排出液體所做的凈功來表示，即：

Ne=ρ.g.H.Q

(1)

式中，ρ—— 液體密度，kg/m3

H—— 泵的輸出揚(yáng)程，m

Q—— 泵的流量，m3/s

g—— 重力加速度，m/s2

壓電泵的效率是指泵對流體功Ne和電源對泵的電能N二者之間的比值，即：

η=Ne/N×100%

(2)

泵效率的高低標(biāo)志著泵性能的好壞及對電能的利用程度，是—項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。壓電泵由于結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)必然產(chǎn)生流量和壓力的脈動，從而降低了泵的吸入性能。

4　試驗(yàn)測試與分析

4.1　試驗(yàn)裝置

壓電泵輸送液體時的輸出流量比較容易得到，但輸送氣體流量不易獲得。早期受試驗(yàn)條件限制，最初通過排水法獲得氣體輸出流量，但因氣體的壓縮性比較大，泵的輸出壓力又較小，實(shí)際獲得的氣體流量值誤差較大，有時甚至達(dá)到50%左右的誤差。本試驗(yàn)中測試氣體流量采用GL-103B皂液式氣體流量計，其工作原理是氣體流動時推動皂液泡經(jīng)過傳感測試區(qū)，控制系統(tǒng)自動記錄經(jīng)過測試區(qū)的時間，顯示出每分鐘的體積流量。測量范圍是5 mL/min～5 L/min。采用這種儀器測量時，誤差較小，可以多次測量獲得平均值。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3　測試氣體的試驗(yàn)裝置

4.2　不同腔體容積比下的輸出性能試驗(yàn)

本研究設(shè)計了三種腔體容積比的雙腔串聯(lián)泵，對容積比分別為1.9、1.5、1.3的雙腔串聯(lián)壓電泵進(jìn)行輸出能力測試，測試曲線如圖4和圖5所示。

圖4　不同腔體容積比下的輸送氣體壓力曲線

圖5　不同腔體容積比下的輸送液體壓力曲線

在試驗(yàn)中，泵的工作頻率從40～400 Hz，驅(qū)動電壓為110 V正弦交流電，試驗(yàn)介質(zhì)為水和空氣。圖4和圖5均為泵在異相工作時的輸出壓力曲線。從試驗(yàn)曲線中看出，在大部分工作頻率段內(nèi)，不論是泵送氣體還是泵送液體，隨著腔體容積比的增大，泵的輸出壓力減小，這與我們熟悉的傳統(tǒng)容積泵的輸出理論截然相反，分析其原因壓電泵是依靠振子和閥構(gòu)成的系統(tǒng)通過系統(tǒng)共振的方式來工作的，其輸出性能關(guān)鍵取決于閥和振子之間的工作相位差及泵的壓縮比[8-10](單個沖程內(nèi)壓電振子振動使腔體容積產(chǎn)生變化量ΔV與泵腔體初始容積V0的比值)，在輸出壓力方面，串聯(lián)泵隨著壓縮比的增大，輸出壓力隨之增大。

圖6和圖7是泵的輸出流量曲線，從圖中可以看出，隨著腔體容積比的增大，泵的輸出流量基本上成遞增趨勢，因?yàn)楦鶕?jù)公式(1)可以得到，當(dāng)驅(qū)動電源功率一定的情況下，隨著輸出壓力減小，輸出流量將增大，二者成反比關(guān)系。從曲線中還可以看出，雙腔串聯(lián)泵不管是同相驅(qū)動還是異步驅(qū)動，均可以泵送氣體，而且在同腔體容積比下，輸出氣體量也比較接近；但是泵送液體時，僅有在異步驅(qū)動情況下才有流量輸出，分析其原因可以從圖2對泵的工作方式分析獲得。在同相驅(qū)動下工作時，泵的吸入和吐出過程并不是在同一時刻進(jìn)行，當(dāng)泵送氣體時，因?yàn)闅怏w的擴(kuò)散性能較強(qiáng)，氣體能夠充分的從進(jìn)口腔經(jīng)過中間閥進(jìn)入到出口腔內(nèi)，在1/2和3/4周期過程中實(shí)現(xiàn)氣體的泵出；而在泵送液體時，液體還沒有進(jìn)入到出口腔時，中間閥就已經(jīng)關(guān)閉，所以根本就沒有液體泵出。

圖6　不同腔體容積比下的輸送氣體流量曲線

圖7　不同腔體容積比下的輸送液體流量曲線

5　結(jié)論

(1) 通過增大進(jìn)口腔和出口腔容積比的方式可以提高雙腔串聯(lián)壓電泵的輸出流量，但卻減小了其輸出壓力；

(2) 在同相驅(qū)動和異步驅(qū)動方式下，雙腔串聯(lián)壓電泵均可以輸送氣體，且兩種情況下在各工作頻率輸送氣體流量接近，但只有在異步驅(qū)動下才能輸送液體，同相驅(qū)動沒有液體輸出；

(3) 在110 V正弦交流電驅(qū)動下，當(dāng)腔體容積比γ=1.9時，最大輸出液體和氣體流量分別為589 mL和1826 mL；當(dāng)腔體容積比γ=1.3時，最大輸出液體和氣體壓力分別為78 kPa和6.2 kPa。

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