懸置式慣性壓電共振隔膜泵的研究.pdf

1、本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目《壓電流體慣性驅(qū)動器的基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究》（項目編號：51205369）的研究，以共振原理為基礎(chǔ)，通過調(diào)節(jié)輸入電信號的頻率、電壓來實現(xiàn)對隔膜泵的精確控制，近年來主要應(yīng)用在藥物輸送、燃料供給、化學(xué)分析與檢測等領(lǐng)域。雖然在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域隔膜泵的實際應(yīng)用越來越廣，但是在一些特殊應(yīng)用場合對隔膜泵的外形尺寸與輸出性能方面提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。隔膜泵主要分為電磁隔膜泵和壓電泵兩類，他們有著各自的優(yōu)缺點，在市場上的應(yīng)用也受到

2、了限制。
　　目前，在壓電共振隔膜泵的研究中，對驅(qū)動元件壓電振子采用中間固支結(jié)構(gòu)應(yīng)用的還比較少，因此本文提出了利用壓電振子中間固支結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)諧振技術(shù)相結(jié)合，研制了一種利用壓電振子兩自由端懸置式慣性而激勵系統(tǒng)共振的新型壓電共振隔膜泵。
　　本文的研究內(nèi)容如下：
　　1.分析了國內(nèi)外壓電共振泵的研究現(xiàn)狀，對壓電材料的基本知識進行了分析，壓電振子作為壓電共振泵的主要驅(qū)動元件，分析了它的基本結(jié)構(gòu)與振動模式，并列出了三種主要支撐

3、方式。本文采用正弦波信號來激勵中間固支的矩形壓電振子，通過試驗測得，在不同電壓下，矩形壓電振子自由端的變形狀態(tài)，矩形壓電振子自由端振幅隨頻率的變化情況，選取了合適的驅(qū)動信號與頻率范圍，使得壓電振子能夠穩(wěn)定的工作。
　　2.分析了矩形壓電振子的接線方式，依據(jù)壓電振子三種主要支撐方式，并對三種主要支撐方式的矩形壓電振子的動態(tài)特性進行了仿真分析，利用COMSOL有限元仿真的方法分析了三種主要支撐方式矩形壓電振子的前四階固有頻率和模態(tài)振型

4、，利用MATLAB分析軟件研究了中間固支壓電振子的靜態(tài)特性，并分析其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對端部動態(tài)撓度和端部沖擊力幅值的影響。然后，搭建了振幅測試試驗平臺，由試驗得到矩形壓電振子三種主要支撐方式下振幅隨距離變化情況，還利用精密阻抗分析儀測得中間固支式壓電振子的共振頻率，并選取了合適的壓電振子結(jié)構(gòu)尺寸。
　　3.分析了懸置式慣性壓電共振隔膜泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作過程，對激振單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成進行了分析，以激振單元的共振原理入手，建立起了激振單元

5、的動力學(xué)模型，得到了影響激振單元位移的因素，計算并優(yōu)化了主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的剛度。然后，利用阻抗分析儀測得了共振泵的共振頻率,通過反復(fù)測試并對附加質(zhì)量塊進行了優(yōu)化，得到了隨著附加質(zhì)量塊質(zhì)量增加，共振泵共振頻率隨之降低。另外，利用激光測微儀分別測得了隔膜與壓電振子的位移,得到了激振單元位移放大倍數(shù)。進一步說明，與一般傳統(tǒng)壓電泵相比，在輸出性能方面有明顯優(yōu)勢。
　　4.主要是針對懸置式慣性壓電共振隔膜泵泵送單元和共振泵輸出性能兩部分進行了

6、研究工作。第一部分中，對泵送單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作機制進行了闡述，分析了隔膜的撓度，對隔膜進行了優(yōu)化,并把泵腔的容積變化率、氣泡、閥的滯后性對共振泵輸出性能的影響進行了分析說明。第二部分是搭建了輸出流量和輸出壓力試驗測試平臺，選取了合適的截止閥，分析了閥堵直徑對共振泵輸出性能的影響,在閥堵直徑確定的情況下，通過選取不同的閥孔直徑、不同的腔體高度、不同長度的傳振桿，測試共振泵的輸出性能。結(jié)果表明：在最佳諧振頻率處，與其他共振泵相比，雖然輸出