王 穎， 張建輝， 嚴(yán)秋鋒

(1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院 泰州,225300)(2.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院 廣州,510006)(3.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京,210016)

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.05.026

對(duì)稱(chēng)螺旋線形閥壓電泵的研究

王 穎1， 張建輝2,3， 嚴(yán)秋鋒3

(1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院 泰州,225300)(2.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院 廣州,510006)(3.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京,210016)

為克服單臂螺旋線形閥壓電泵單臂閥運(yùn)行時(shí)側(cè)向力造成的閥體在開(kāi)啟與關(guān)閉中傾斜而產(chǎn)生的負(fù)面影響，有效地發(fā)揮螺旋線形閥壓電泵閥體“慢開(kāi)啟、快關(guān)閉”的優(yōu)勢(shì)，首先，構(gòu)造了懸臂固支旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)雙臂閥體結(jié)構(gòu)，并針對(duì)該閥體設(shè)計(jì)了對(duì)稱(chēng)螺旋線形閥壓電泵；然后，進(jìn)行了懸臂固支旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)雙臂閥體的力學(xué)分析，并據(jù)此進(jìn)行了泵流量關(guān)系式的解析；最后，利用實(shí)際樣機(jī)進(jìn)行了單臂閥與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)雙臂閥的閥參數(shù)對(duì)泵參數(shù)影響的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：在輸入電壓為220 V、頻率為10 Hz時(shí)，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)雙臂閥的臂寬為0.3 mm時(shí)的泵流量最高，達(dá)到124.2 ml/min；旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)雙臂閥泵比單臂閥泵流量提高1.25～2.84倍；對(duì)稱(chēng)閥的進(jìn)出口閥臂寬不同時(shí)的泵流量大于閥臂寬相同時(shí)的泵流量，且進(jìn)口閥臂寬大出口閥臂寬小時(shí)的泵流量大于進(jìn)口閥臂寬小出口閥臂寬大時(shí)的泵流量。

壓電泵;閥;螺旋線形閥;對(duì)稱(chēng)閥

引 言

壓電泵自出現(xiàn)以來(lái)各種結(jié)構(gòu)的發(fā)明層出不窮，性能得到大幅地提高，因其摒棄了傳統(tǒng)泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，具有能耗小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)的優(yōu)點(diǎn)，在微機(jī)電系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-7]。有閥壓電泵因借助單向閥在排程時(shí)可以阻止流體回流，輸出流量比無(wú)閥壓電泵大而應(yīng)用廣泛，因此，有閥壓電泵中單向閥的通阻性能對(duì)壓電泵輸出性能的大小有著至關(guān)重要的影響。

1997年,日本鈴木勝義等[8-11]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的閥與新穎的驅(qū)動(dòng)相結(jié)合并不能實(shí)現(xiàn)大流量、大壓差的理想。2000年，尹執(zhí)中等[12]研究了類(lèi)板閥式簡(jiǎn)單懸臂梁閥在壓電泵中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)當(dāng)閥片兩側(cè)壓差變化時(shí)，有產(chǎn)生泄漏甚至反向流動(dòng)的可能。2005年，程光明等[13]提出了有較高體積功能比的迭片式結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單懸臂梁閥壓電泵。2006年，曾平等[14]研究了整體開(kāi)啟閥微型壓電泵。同年，孫曉峰等[15]對(duì)比研究了整體開(kāi)啟閥壓電泵和懸臂梁閥壓電泵性能，結(jié)果表明整體開(kāi)啟閥壓電泵輸出性能好于懸臂梁閥壓電泵；2016年，張建輝等[16]總結(jié)了有閥壓電泵的發(fā)展歷程，分析認(rèn)為傳統(tǒng)閥劣于類(lèi)板閥形式的懸臂梁閥，類(lèi)板閥形式的懸臂梁閥劣于剛性材料的結(jié)構(gòu)軟質(zhì)型閥。2016年，王穎等[17-18]為提高有閥壓電泵的輸出性能，發(fā)明了擬懸臂梁結(jié)構(gòu)的單臂螺旋線形閥，同時(shí)把該閥與壓電振子組合開(kāi)發(fā)了單臂螺旋線形閥壓電泵。

為克服單臂螺旋線形閥壓電泵單臂閥運(yùn)行時(shí)側(cè)向力造成的閥體開(kāi)啟與關(guān)閉中傾斜而產(chǎn)生的負(fù)面影響，筆者將進(jìn)行對(duì)稱(chēng)螺旋線形閥壓電泵理論與試驗(yàn)方面的研究。首先，構(gòu)造懸臂固支旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)雙臂閥體結(jié)構(gòu)，并針對(duì)該閥體設(shè)計(jì)對(duì)稱(chēng)螺旋線形閥壓電泵；然后，進(jìn)行懸臂固支旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)雙臂閥體的力學(xué)分析并據(jù)此進(jìn)行泵流量關(guān)系式的解析；最后，利用實(shí)際樣機(jī)進(jìn)行單臂閥與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)雙臂閥的閥參數(shù)對(duì)泵參數(shù)影響的試驗(yàn)研究。

1 單臂閥閥體運(yùn)動(dòng)分析

有閥泵的工作循環(huán)包含進(jìn)口閥開(kāi)啟、出口閥關(guān)閉和進(jìn)口閥關(guān)閉、出口閥開(kāi)啟的過(guò)程。單臂螺旋線形閥擬懸臂梁固支結(jié)構(gòu)，由定位器單端固定，開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中閥體會(huì)發(fā)生傾斜。如圖1(a)(c)所示進(jìn)口閥開(kāi)啟過(guò)程中，閥體在流體作用力Fk的作用下開(kāi)啟時(shí)，由于閥體的傾斜會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)分力，即法向分力FNk和側(cè)向分力FSk，F(xiàn)Nk使得閥體向上運(yùn)動(dòng)而開(kāi)啟，F(xiàn)Sk使得閥體趨向定位器的方向運(yùn)動(dòng)而發(fā)生相對(duì)于閥口中心的徑向偏移量ek，ek的存在會(huì)降低進(jìn)口閥的法向開(kāi)啟量。

圖1 單臂閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程受力示意圖Fig.1 The force schematic diagram of the opening and closing process of the single-arm valve

圖1(e)(g)進(jìn)口閥關(guān)閉過(guò)程中，受到流體作用力Fg，由于閥體的傾斜，F(xiàn)g同樣會(huì)產(chǎn)生法向分力FNg和側(cè)向分力FSg，其中FNg使閥體向下運(yùn)動(dòng)而關(guān)閉，F(xiàn)Sg使閥體向離開(kāi)定位器的方向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生徑向偏移量eg，eg使得進(jìn)口閥關(guān)閉時(shí)與進(jìn)口孔之間出現(xiàn)了間隙關(guān)閉不嚴(yán)實(shí)，導(dǎo)致流體回流。

這樣在泵的工作循環(huán)過(guò)程中，單臂閥開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)會(huì)出現(xiàn)閥體相對(duì)于閥口孔心的徑向偏移，開(kāi)啟時(shí)徑向偏移量會(huì)降低閥體法向開(kāi)啟量，關(guān)閉時(shí)徑向偏移量會(huì)導(dǎo)致閥口閉合不嚴(yán)實(shí)而引起泄漏的現(xiàn)象，降低了泵的輸出性能。

2 閥和泵的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)閥如錐閥和板閥中設(shè)計(jì)有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)如圖2所示，可避免開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中閥芯的歪斜。

圖2 錐閥和板閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structural schematic diagram of cone valve and plate valve

圖3 整體作動(dòng)式閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structural schematic diagram of integral actuating valve

Ham等[19]設(shè)計(jì)了板式鉸鏈閥壓電泵(見(jiàn)圖3(a))。曾平等[14-15]設(shè)計(jì)并研究了整體開(kāi)啟閥(見(jiàn)圖3(b))。這兩種閥均采用了整體作動(dòng)式結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)中閥體整體與定位器平行上下動(dòng)作不會(huì)傾斜，避免了懸臂梁閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的側(cè)向分力FS的影響。

受傳統(tǒng)閥和上述兩種整體作動(dòng)式閥結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，筆者設(shè)計(jì)一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)螺旋線形閥(簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)曲臂閥、對(duì)稱(chēng)閥或雙臂閥)如圖4所示，該閥包含閥體、一對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)曲臂和兩個(gè)定位器。為了方便對(duì)比閥對(duì)泵輸出性能的影響，構(gòu)造了與前期單臂閥壓電泵同樣結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)曲臂閥壓電泵，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由壓電振子、泵蓋、泵體、螺旋線形閥和底座等組成。泵體內(nèi)安裝有一對(duì)相互倒置的對(duì)稱(chēng)螺旋線形閥，安裝在泵腔進(jìn)水口處的為吸入閥，安裝在泵腔出水口處的為排出閥。在交變電流作用下壓電振子發(fā)生形變而上下振動(dòng)，當(dāng)振子由下向上振動(dòng)至最高處時(shí)泵腔處于舒張狀態(tài)，腔內(nèi)的容積增大而出現(xiàn)負(fù)壓，此時(shí)吸入閥打開(kāi)，排出閥關(guān)閉，流體流入泵腔為泵的吸程；當(dāng)振子由上向下振動(dòng)至最低處時(shí)泵腔處于壓縮狀態(tài)，腔內(nèi)容積減小而壓強(qiáng)增大，此時(shí)排出閥打開(kāi)，吸入閥關(guān)閉，流體流出泵腔，為泵的排程。如此循環(huán)往復(fù)，壓電泵實(shí)現(xiàn)流體的吸入和排出。

圖4 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)螺旋線形閥Fig.4 Rotational symmetrical and spiral shaped valve

圖5 泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The structural schematic diagram of the pump

3 對(duì)稱(chēng)曲臂閥閥體運(yùn)動(dòng)分析

但是，由于對(duì)稱(chēng)曲臂間的相互作用閥體的開(kāi)啟運(yùn)行速度會(huì)降低，即閥體的“慢開(kāi)啟”，閥的開(kāi)啟過(guò)程會(huì)延長(zhǎng)，則開(kāi)啟過(guò)程中吸入的流體量增大，泵的輸出提高。另一方面，又由于對(duì)稱(chēng)曲臂的共同作用，閥體的關(guān)閉速度比單臂閥閥體的關(guān)閉速度快，即“快關(guān)閉”，則流體回流少，提高了閥的截止性，而使泵輸出進(jìn)一步提高。

同時(shí)，由于螺旋線形曲臂等效于截錐螺旋拉伸彈簧，具有唯一的彈性變形系數(shù)，則閥體在流體作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅具有“慢開(kāi)啟、快關(guān)閉”的優(yōu)勢(shì)，而且有效克服了圖3所示的兩種整體作動(dòng)式閥在動(dòng)作過(guò)程中可能出現(xiàn)的懸臂翹曲變形現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)閉合緊密、阻流完全的目標(biāo)，提高了閥截止性能的可靠性。

圖6 對(duì)稱(chēng)閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程受力示意圖Fig.6 The force schematic diagram of the opening and closing process of symmetric valve

4 理論分析

4.1 閥體受力與泵輸出

如圖1所示，閥體的運(yùn)動(dòng)與孔口軸線發(fā)生傾斜時(shí)，其受力關(guān)系為

(1)

其中：F為閥體所受作用力；FN為單臂閥閥體作用力的法向分力；FS為單臂閥閥體作用力的側(cè)向分力。

單臂閥中閥的開(kāi)啟量fzt與作用力的關(guān)系[18]為

(2)

其中：fzt為閥體的軸向開(kāi)啟量；n為曲臂的實(shí)際最大圈數(shù)；Fzt為流體對(duì)閥體在軸向上的瞬時(shí)作用力，即前述分析中閥體所受的法向力FN；Rf為閥的材料和尺寸系數(shù)；ext為單臂閥閥體的徑向偏移量；kx為曲臂的徑向彈性系數(shù)；Fxt為流體對(duì)閥體在徑向上的瞬時(shí)作用力，即前述分析中閥體所受的側(cè)向力FS。

對(duì)稱(chēng)曲臂閥中，閥體的位移量和力的關(guān)系為

(3)

由于兩曲臂的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在制造誤差允許范圍內(nèi)有

Fxt1≈-Fxt2

(4)

kx1≈kx2

(5)

將式(4)，(5)代入式(3)有

Δext→0 ?ext

(6)

即對(duì)稱(chēng)曲臂閥閥體的合成徑向偏移量Δext遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于比單臂閥閥體的徑向偏移量ext，接近于0。

因此，對(duì)稱(chēng)曲臂閥中閥體會(huì)以與孔口軸線接近垂直的狀態(tài)上下運(yùn)動(dòng)，則

(7)

而對(duì)稱(chēng)曲臂閥閥體同樣具有式(1)的關(guān)系，即

(8)

(9)

對(duì)比式(9)和式(1)可知，在輸入相同即流體作用力F相同的情況下，有

(10)

綜上所述，工作中對(duì)稱(chēng)曲臂閥閥體開(kāi)啟量比單臂閥閥體開(kāi)啟量大，同時(shí)避免了由于閥體在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中的傾斜引起的閉合不嚴(yán)實(shí)，提高了閥截止的可靠性，從而進(jìn)一步提高泵的輸出。

4.2 單臂閥曲臂和對(duì)稱(chēng)閥曲臂的彈性系數(shù)關(guān)系

單臂閥工作時(shí)曲臂的工作過(guò)程等效于截錐螺旋拉伸彈簧[17]。根據(jù)胡克定律

F=k1x

(11)

其中： k1為單臂螺旋線形閥的彈性系數(shù)；x為閥體開(kāi)啟量(彈簧變形量)。

對(duì)稱(chēng)曲臂閥工作時(shí)曲臂的工作過(guò)程可以等效為兩個(gè)同樣的彈簧并聯(lián)工作，其彈性系數(shù)k2為

(12)

其中：k2為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)螺旋線形閥的彈性系數(shù)。

由式(12)可知，單臂螺旋線形閥的彈性系數(shù)是同結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)稱(chēng)曲臂閥彈性系數(shù)的2倍。

4.3 泵流量及其與曲臂寬度a的關(guān)系

圖7 對(duì)稱(chēng)螺旋線形閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The structural schematic diagram of symmetrical and spiral shaped valve

如圖7所示，R1為曲臂小端半徑；R2為大端半徑；θ為極角；A-A為曲臂斷面圖。設(shè)對(duì)稱(chēng)曲臂材料的截面寬度為a，高度為b，材料慣性模量為G，流體密度為ρl，g為重力加速度，輸入電壓為U、頻率為f，d和δ分別為壓電振子的直徑和厚度，d31為壓電振子的壓電常數(shù)，泵流量[18-19]為

(13)

其中：k'為材料截面系數(shù)，當(dāng)材料截面高度b為一定時(shí)與臂寬a有關(guān)，a越大系數(shù)k'也越大[18]。

由式(13)可知，流量Q與閥臂寬a呈負(fù)相關(guān)。

綜合考慮式(12)和式(13)中彈性系數(shù)和臂寬a的影響，為了對(duì)比單臂閥泵和對(duì)稱(chēng)曲臂閥泵的性能，將對(duì)稱(chēng)曲臂閥壓電泵與雙倍其臂寬尺寸的單臂閥泵的輸出進(jìn)行對(duì)比分析。

5 試 驗(yàn)

筆者制作了6種臂寬a分別為0.3,0.4,0.5,0.6,0.7和0.8 mm的對(duì)稱(chēng)螺旋線形閥，閥片材料為厚0.2 mm彈簧鋼，如表1所示，并制成壓電泵樣機(jī)，雙臂閥泵樣機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)和參數(shù)與單臂閥壓電泵樣機(jī)[17-18]相同，材料是有機(jī)玻璃。表2為參與對(duì)比試驗(yàn)的相同材質(zhì)單臂閥臂寬參數(shù)。試驗(yàn)流體介質(zhì)同為蒸餾水。表3為使用的壓電振子幾何參數(shù)。

表16種雙臂螺旋線形閥的臂寬a參數(shù)

Tab.1Theaparameterofarmwidthofsixtypesoftwo-armspiralshapedvalve

a/mm0.30.40.50.60.70.8閥照片

表2對(duì)比試驗(yàn)組中單臂閥的臂寬a參數(shù)

Tab.2Theaparameterofarmwidthofsingle-armvalveintheexperimentalgroup

灶自用a/mm0.50.751.0單臂閥照片

表3 壓電振子幾何參數(shù)

圖8為泵樣機(jī)流量測(cè)試試驗(yàn)照片。試驗(yàn)中保持進(jìn)水量杯的水面高度，進(jìn)水管高度和出水管高度相同。

圖8 壓電泵流量測(cè)試試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.8 The photographs from the experiment of the flow measurement of piezoelectric pump

5.1 臂寬a對(duì)對(duì)稱(chēng)閥泵輸出性能的影響

圖9所示為對(duì)稱(chēng)曲臂閥臂寬與泵流量關(guān)系。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)臂寬a由0.3 mm變化至0.8 mm時(shí)，壓電泵流量與臂寬a的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)輸入電壓為220 V、頻率為10 Hz、臂寬a為0.3 mm時(shí)，流量最大為124.2 ml/min。這是因?yàn)殡S著臂寬a的增大，在泵輸入?yún)?shù)一定時(shí)，閥體的重量逐漸增大，開(kāi)啟度就會(huì)逐漸變小，從而使得輸出逐漸降低。

圖9 對(duì)稱(chēng)曲臂閥臂寬與泵流量關(guān)系Fig.9 The relation between the arm width of the symmetrical valve and the pump flow

若圖9中臂寬a在0.3 mm的基礎(chǔ)上向反方向繼續(xù)減小，會(huì)導(dǎo)致閥的重量降低，閥開(kāi)啟后的關(guān)閉速度會(huì)受影響而變小，而影響到閥的截止速度，泵輸出會(huì)降低。由于在臂寬a<0.3 mm時(shí)閥片曲臂會(huì)變形嚴(yán)重且加工時(shí)容易斷裂，所以研究中僅僅試驗(yàn)測(cè)試到閥的最小臂寬a=0.3 mm時(shí)泵的輸出。

5.2 對(duì)稱(chēng)閥泵與單臂閥泵輸出性能對(duì)比

圖10所示為對(duì)稱(chēng)閥臂寬a=0.5 mm和單臂閥臂寬a=1.0 mm時(shí)電壓與泵流量關(guān)系對(duì)比。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在輸入電壓為220 V、頻率為10 Hz時(shí)，對(duì)稱(chēng)閥臂寬a=0.5 mm的流量為70.2 ml/min，單臂閥臂寬a=1.0 mm時(shí)流量為48 ml/min，即此時(shí)對(duì)稱(chēng)閥臂寬a=0.5 mm的泵流量接近單臂閥臂寬a=1.0 mm時(shí)泵流量的1.5倍。

圖10 對(duì)稱(chēng)閥臂寬a=0.5 mm和單臂閥臂寬a=1.0 mm時(shí)電壓與泵流量關(guān)系對(duì)比Fig.10 The relation between voltage and pump flow when the arm width of the symmetrical valve a=0.5 mm and the arm width of the single-arm valve a=1.0 mm

圖11所示為對(duì)稱(chēng)閥臂寬a=0.4 mm和單臂閥臂寬a=0.75 mm時(shí)電壓與泵流量關(guān)系對(duì)比。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在輸入電壓為220 V、頻率為10 Hz時(shí)，對(duì)稱(chēng)閥臂寬a=0.4 mm的流量為49.2 ml/min，單臂閥臂寬a=0.75 mm時(shí)流量為39.6 ml/min，即此時(shí)對(duì)稱(chēng)閥臂寬a=0.4mm的泵流量約為單臂閥臂寬a=0.75 mm時(shí)泵流量的1.24倍。

圖11 對(duì)稱(chēng)閥臂寬a=0.4 mm和單臂閥臂寬a=0.75 mm時(shí)電壓與泵流量關(guān)系對(duì)比Fig.11 The relation between voltage and pump flow when the arm width of the symmetrical valve a=0.4 mm and the arm width of the single-arm valve a=0.75 mm

圖12所示為對(duì)稱(chēng)閥臂寬a=0.3 mm和單臂閥臂寬a=0.5 mm時(shí)電壓與泵流量關(guān)系對(duì)比。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在輸入電壓為220 V時(shí)、頻率為10 Hz，對(duì)稱(chēng)閥臂寬a=0.3 mm的流量為124.2 ml/min，單臂閥臂寬a=0.5 mm時(shí)流量為43.8 ml/min，即此時(shí)對(duì)稱(chēng)閥臂寬a=0.3 mm的流量約為單臂閥臂寬a=0.5 mm時(shí)流量的2.84倍。

圖12 對(duì)稱(chēng)閥臂寬a=0.3 mm和單臂閥臂寬a=0.5 mm時(shí)電壓與泵流量關(guān)系對(duì)比Fig.12 The relation between voltage and pump flow when the arm width of the symmetrical valve a=0.3 mm and the arm width of the single-arm valve a=0.5 mm

5.3 對(duì)稱(chēng)閥進(jìn)出口臂寬相同與不同時(shí)泵輸出性能對(duì)比

圖13 對(duì)稱(chēng)閥泵進(jìn)出口臂寬相同與不同時(shí)電壓與泵流量關(guān)系對(duì)比(i:進(jìn)口閥；o:出口閥)Fig.13 The relation between voltage and pump flow when the arm width of the inlet and outlet of the symmetrical valve is different and when the arm width of the inlet and outlet of the symmetrical valve are the same(i: inlet valve；o: outlet valve)

圖13所示為對(duì)稱(chēng)閥泵進(jìn)出口臂寬相同與不同時(shí)電壓與泵流量關(guān)系對(duì)比。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在輸入電壓為220 V、頻率為10 Hz時(shí)，臂寬ai=0.8 mm,ao=0.4 mm(i:進(jìn)口閥；o:出口閥)時(shí)泵流量為78 ml/min，臂寬ai=0.4 mm、ao=0.8 mm時(shí)泵流量為67.2 ml/min，臂寬ai=ao=0.4 mm時(shí)泵流量為57.6 ml/min，臂寬ai=ao=0.8 mm時(shí)泵流量為48 ml/min。即輸入電壓和頻率相同為220 V，10 Hz的情況下，當(dāng)進(jìn)口閥臂寬大(ai=0.8 mm)出口閥臂寬小(ao=0.4 mm)時(shí)泵流量是進(jìn)口閥臂寬小(ai=0.4 mm)出口閥臂寬大(ao=0.8 mm)時(shí)泵流量的1.16倍左右，是進(jìn)、出口閥臂寬相同且小(ai=ao=0.4 mm)時(shí)泵流量的1.35倍左右，是進(jìn)、出口閥臂寬相同且大(ai=ao=0.8 mm)時(shí)泵流量的1.63倍左右。

當(dāng)臂寬aiao時(shí)，進(jìn)口閥的重量大于出口閥的重量，則進(jìn)口處吸程時(shí)閥的開(kāi)啟速度降低，而排程時(shí)關(guān)閉速度提高，擴(kuò)大了對(duì)稱(chēng)曲臂閥“慢開(kāi)啟、快關(guān)閉”的優(yōu)勢(shì)，吸程中從進(jìn)口流入泵腔的流體量更多，排程中從進(jìn)口回流的流體更少，所以泵流量增大。因此，對(duì)稱(chēng)閥中當(dāng)進(jìn)出口閥臂寬不同時(shí)泵流量大于臂寬相同時(shí)的泵流量，且進(jìn)口閥臂寬大于出口閥臂寬時(shí)的泵流量最大。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于前期單臂螺旋線形閥壓電泵試驗(yàn)研究，筆者首先分析了單臂閥閥體運(yùn)動(dòng)可能存在因?yàn)殚_(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)側(cè)向力的作用引起的閥體傾斜而降低流量的缺陷，構(gòu)造懸臂固支旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)雙臂閥體結(jié)構(gòu)，并針對(duì)該閥體設(shè)計(jì)對(duì)稱(chēng)螺旋線形閥壓電泵；然后，進(jìn)行了懸臂固支旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)雙臂閥體的力學(xué)分析并據(jù)此進(jìn)行泵流量關(guān)系式的解析；最后，制作了6種臂寬a的對(duì)稱(chēng)螺旋線形閥和壓電泵樣機(jī)，利用實(shí)際樣機(jī)進(jìn)行單臂閥與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)雙臂閥的閥參數(shù)對(duì)泵參數(shù)影響的試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：輸入電壓為220 V、頻率為10 Hz時(shí)，臂寬a為0.3 mm時(shí)的對(duì)稱(chēng)閥壓電泵輸出流量為最高；旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)雙臂閥泵流量比其2倍左右臂寬的單臂閥泵流量高1.25倍～2.84倍；對(duì)稱(chēng)閥泵進(jìn)出口閥臂寬不同時(shí)的流量大于臂寬相同時(shí)的泵流量，且臂寬ai>ao的泵流量大于ai

針對(duì)閥結(jié)構(gòu)及參數(shù)的變化對(duì)泵輸出的影響做了理論和試驗(yàn)研究，還需要繼續(xù)探討泵體的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)等對(duì)輸出性能的影響，以獲得更佳的效果。

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國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375227)；廣州大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目(ZJH3-2001)；泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研重點(diǎn)資助項(xiàng)目(TZYKYZD-17-2)

2016-10-07；

2016-11-05

TH35；TH38

王穎，女，1970年11月生，副教授、高級(jí)工程師。曾發(fā)表《閥參數(shù)對(duì)螺旋線形閥壓電泵輸出性能的影響》(《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2016年第52卷第20期)等論文。

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