嚴(yán)天祥, 龍志文, 李成其, 陳虎城, 秦建華

(1. 桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院高校先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541006;2. 桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

0 引言

壓電泵是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的新型流體驅(qū)動(dòng)器[1-3],其具有體積小,結(jié)構(gòu)簡單,低噪音和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[4-6],在藥物輸送[7]、電子散熱[8]、化學(xué)分析[9]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。壓電泵根據(jù)閥體結(jié)構(gòu)可分為有閥壓電泵和無閥壓電泵[7-9]。有閥壓電泵是利用閥體運(yùn)動(dòng)來控制流體的流動(dòng)方向,易造成閥體的疲勞磨損。無閥壓電泵是利用無移動(dòng)部件閥體的流阻不等性來實(shí)現(xiàn)流體的驅(qū)動(dòng),避免了閥體的疲勞磨損[10-20]。

文獻(xiàn)[10]基于流體正、反向阻力差原理首次研發(fā)了錐形管無閥壓電泵,此后眾多學(xué)者對無閥壓電泵進(jìn)行了研究,開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)無閥壓電泵[11-16],主要包括管道外置無閥壓電泵[10-13]和管道內(nèi)置無閥壓電泵[14-18]。與管道外置無閥壓電泵相比,管道內(nèi)置無閥壓電泵能夠充分利用泵腔內(nèi)部空間,易實(shí)現(xiàn)泵體積的小型化。半球缺阻流體無閥壓電泵是一種流體輸送性能良好的管道內(nèi)置型無閥壓電泵[17],但其泵腔內(nèi)半球缺阻流體為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu),不利于泵的微型化加工。為提高其工藝性,文獻(xiàn)[18]提出了半圓柱阻流體無閥壓電泵(半圓柱泵),該泵為結(jié)構(gòu)簡單的平面結(jié)構(gòu),易于微型化加工,但輸出流量一般,受限于限大流量場合應(yīng)用。

為提升半圓柱泵的流量,結(jié)合錐形腔的流阻不等特性,本文提出了一種工藝性良好的半圓柱阻流體錐形腔無閥壓電泵(半圓柱錐形腔泵),介紹了該泵的結(jié)構(gòu)及工作原理,建立了其流量的理論公式。數(shù)值模擬了該泵的泵腔流速分布,對比分析了其與半圓柱泵的阻力特性。試驗(yàn)比較了兩種泵的流量和壓力差特性。研究結(jié)果證明了半圓柱錐形腔泵的流體輸送能力較半圓柱泵有所提高。

1 泵的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為半圓柱錐形腔泵的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電振子為動(dòng)力源,其固定在橡膠墊圈和泵蓋之間。泵腔為錐形腔,其內(nèi)部放有同向等距排列的4個(gè)相同半圓柱體,錐形腔和半圓柱體用于產(chǎn)生正、反向阻力差。本研究定義流體阻力小的方向(管道A至管道B)為正向流動(dòng),反之則為反向流動(dòng)。

圖1 半圓柱錐形腔泵的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為半圓柱錐形腔泵的工作原理圖。由圖2(a)可知,壓電振子向上振動(dòng)使泵腔壓強(qiáng)降低,流體從兩側(cè)管道流入泵腔。由圖2(b)可看出,壓電振子向下振動(dòng)使泵腔壓強(qiáng)增大,流體從兩側(cè)管道流出泵腔。由于半圓柱面的流體阻力小于矩形面的流體阻力,且擴(kuò)張腔的流體阻力小于收縮腔的流體阻力,故在流入階段管道A流入流體較多,而在流出階段管道B流出流體較多,于是半圓柱錐形腔泵實(shí)現(xiàn)了從管道A向管道B的單向輸送。

圖2 半圓柱錐形腔泵的工作原理圖

2 理論分析

由文獻(xiàn)[19]可知,壓電振子從平衡位置振動(dòng)到最高位置的泵腔容積最大變化量為

πw0R2/2

(1)

式中:w0為壓電振子的振動(dòng)位移;r為壓電振子上某一點(diǎn)到其中心的距離;R為壓電振子的半徑。

正、反向流時(shí),流體的壓力損失[20]分別為

(2)

(3)

式中:Δpz為正向流的流體壓力損失;Kz為正向流的流體阻力因數(shù);vz為正向流的流體平均速度;ρ為粘性流體的密度;Δpf為反向流的流體壓力損失;Kf為反向流的流體阻力因數(shù);vf為反向流的流體平均速度。

(4)

(5)

正、反向流的流量分別為

Qz=Svz

(6)

Qf=Svf

(7)

式中S為管道橫截面面積。

當(dāng)壓電振子振動(dòng)到最高位置時(shí),有:

(8)

根據(jù)式(1)、(8)可得

(9)

壓電振子從最高位置振動(dòng)到平衡位置時(shí),流體從兩側(cè)管道流出,其流量為

(10)

在一個(gè)工作周期T內(nèi),泵有2次從泵腔排出流體,則其單位時(shí)間的流量為

Q=2fQT/2=πw0R2f(K-1)/(K+1)

(11)

由式(11)可知,當(dāng)Kf>Kz,即流體的反向阻力大于其正向阻力時(shí),可得K>1,Q>0,半圓柱錐形泵腔就能單向輸送流體;同時(shí),阻力因數(shù)比越大,泵的流量越高。

3 數(shù)值模擬

3.1 流速分布

圖3為半圓柱錐形腔泵的泵腔結(jié)構(gòu)。圖中,錐形腔的直徑d3=?30 mm,高度H=4 mm,錐角θ=5°;半圓柱的直徑d2=?3.5 mm,高度h=3.8 mm,半圓柱間的距離l1=6.8 mm,錐形腔中距l(xiāng)2=6 mm,兩端管道直徑d1=?3 mm。

圖3 半圓柱錐形腔泵的泵腔結(jié)構(gòu)

使用Creo軟件建立半圓柱錐形腔泵的泵腔流體域模型,使用ANSYS軟件對其進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分(見圖4(a))和數(shù)值模擬,選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,流體介質(zhì)為水,其密度和運(yùn)動(dòng)粘度分別為998.2 kg/m3和1.01×10-3Pa·s,進(jìn)出口設(shè)為壓力邊界條件,設(shè)入、出口壓力分別為1.6 kPa和0。圖4(b)為壓力差1.6 kPa下半圓柱錐形腔泵正向流量與網(wǎng)格數(shù)量的關(guān)系。由圖4(b)可知,從網(wǎng)格數(shù)量1.95×104開始,半圓柱錐形腔泵的正向流量波動(dòng)小。由于網(wǎng)格數(shù)量越高,模擬值與實(shí)際值的差值越小,因此將半圓柱錐形腔泵的網(wǎng)格數(shù)量設(shè)為12.36×104。

圖4 半圓柱錐形腔泵的網(wǎng)格模型及其無關(guān)性分析

圖5為壓力差1.6 kPa下正、反向流時(shí)半圓柱錐形腔泵的泵腔中間等高面的速度分布圖。由圖可知,正向流時(shí)最大速度(1.3 m/s)高于反向流最大速度(1.2 m/s),由于模擬時(shí)正、反向流的進(jìn)出口壓力差相等,由式(2)、(3)可得,半圓柱錐形腔泵的正向阻力因數(shù)小于反向阻力因數(shù),表明該泵可以實(shí)現(xiàn)流體的單向輸送。

圖5 半圓柱錐形腔泵的速度分布圖

3.2 阻力特性

圖6 半圓柱泵的網(wǎng)格模型及其無關(guān)性分析

圖7為不同壓力差下半圓柱泵和半圓柱錐形腔泵的正、反向流量和阻力因數(shù)比。由圖7(a)可知,相同壓力差下,兩種泵的正向流量大于反向流量,表明兩者均具有流阻不等特性;與半圓柱泵相比,半圓柱錐形腔泵的正向流量基本一致,而反向流量大幅下降。由圖7(b)可知,隨著壓力差增大,兩種泵的阻力因數(shù)比基本保持不變,半圓柱泵和半圓柱錐形腔泵的阻力因數(shù)比平均值分別為1.18和1.24,表明半圓柱錐形腔泵的輸送能力優(yōu)于半圓柱泵。

圖7 不同壓力差下泵正、反向流量和阻力因素比

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)裝置

為比較半圓柱錐形腔泵和半圓柱泵的輸出性能,對其進(jìn)行流量和壓力差試驗(yàn)。圖8為兩種泵的泵體和樣機(jī)。圖8(a)中,泵體由Anycubic Photon Mono 4K光固化3D打印機(jī)加工,其幾何尺寸與仿真參數(shù)一致,打印材料為樹脂,打印精度為0.05 mm。圖8(b)中,壓電振子由銅基板和壓電陶瓷片組成,其中銅基板的直徑為?35.0 mm。

圖8 半圓柱錐形腔泵和半圓柱泵的泵體和樣機(jī)

圖9(a)為流量試驗(yàn)裝置,包括信號發(fā)生器、功率放大器、夾具、壓電泵、燒杯和電子秤(精度0.01 g)等。工作流體為水,在驅(qū)動(dòng)電壓220 V下改變驅(qū)動(dòng)頻率測量壓電泵每分鐘的流量。將流量試驗(yàn)裝置的出口管更換為豎直朝上的透明亞克力管,可得壓力差試驗(yàn)裝置如圖9(b)所示。設(shè)驅(qū)動(dòng)電壓為220 V,測量不同驅(qū)動(dòng)頻率下亞克力管的液面高度差H,并根據(jù)壓強(qiáng)p=ρgH(其中,ρ為液體密度,g=9.8 m/s2)計(jì)算壓力差。

圖9 流量和壓力差試驗(yàn)裝置

4.2 試驗(yàn)對比

圖10為半圓柱錐形腔泵和半圓柱泵的流量、壓力差與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系。由圖10(a)可知,9 Hz時(shí), 半圓柱泵的最高流量為12.28 g/min。12 Hz時(shí),半圓柱錐形腔泵的最高流量為30.96 g/min。由圖10(b)可知,18 Hz時(shí),半圓柱泵的最高壓力差為170 Pa。14 Hz時(shí),半圓柱錐形腔泵的最高壓差為394 Pa。

圖10 流量、壓力差與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系

5 結(jié)論

1) 基于半圓柱泵的結(jié)構(gòu)形式和錐形腔泵的流阻不等特性,提出了一種易于微型化加工的半圓柱錐形腔泵。流量的理論分析表明,阻力因數(shù)比越大,泵的流量越高。

2) 半圓柱錐形腔泵的正向阻力因數(shù)小于反向阻力因數(shù),驗(yàn)證了該泵的可行性。半圓柱泵和半圓柱錐形腔泵的阻力因數(shù)比平均值分別為1.18和1.24,表明半圓柱錐形腔泵的流體輸送能力優(yōu)于半圓柱泵。

3) 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為220 V時(shí),半圓柱錐形腔泵的最高流量和壓力差分別為30.96 g/min和394 Pa,與半圓柱泵相比,其最高流量和壓力差均有提高。