主动阀压电泵阀体分析

针对无阀压电泵的截止性能和工作输出压力的不足,提出了一种新型矩形压电双晶片式主动阀压电泵.分析了主动阀压电泵的工作原理,设计、制作了两端夹持式矩形压电双晶片主动阀,建立了阀体的有限元模型,对阀体进行了有限元仿真与试验研究,分析了阀体的静态、动态特性,得到了主动阀阀体位移与不同影响因素之间的关系曲线,同时分析了主动阀阀体前四阶模态及对应的固有频率.搭建了试验测试系统并对主动阀阀体进行了相关试验测试,将试验测试结果与仿真分析结果进行了对比分析,试验验证了有限元仿真结果的可靠性.分析了影响压电泵流量的几个因素,对两端夹持式主动阀的结构参数进行了试验分析.该仿真分析及试验结果为主动阀压电泵阀体结构设计提供了理论指导.     

圆形双振子式主动阀压电泵设计与性能实验

设计了一种圆形压电振子式主动阀压电泵.通过推导主动阀理论流量公式,分析了影响主动阀流量的主要因素,即阀口内半径和阀座宽度.通过对圆形压电振子式主动阀压电泵性能的实验得出了工作频率、泵腔压电振子驱动电压、输出端背压、主动阀驱动信号与泵腔压电振子驱动信号的相位差是主动阀压电泵的性能影响因素.设计的主动阀压电泵同时具备双向泵送流体的能力.实验结果表明:该泵在30 Hz、120 V的正弦信号驱动下,流量达到了123 mL/min.     

双腔串联压电胰岛素泵性能分析与试验

针对目前胰岛素泵多采用步进电机作为驱动源进而成本高、结构复杂的应用现状,提出利用压电泵进行胰岛素推注的研究方案.分析了压电胰岛素泵的工作原理及两种工作方式,即直接输液与间接输液.对比了无阀压电泵、主动阀压电泵及被动阀压电泵性能特点,同时为提高泵输出压力,选择双腔串联压电泵作为胰岛素注射的驱动源,设计了双腔串联压电泵的结构,分析了双腔串联压电泵的工作原理,对常见的3种截止阀进行开启压力及流量性能测试,制作不同截止阀的双腔串联压电泵样机,搭建了试验测试系统,测试不同驱动频率下压电泵直接输送与间接输送方式输出流量、输出压力变化对比曲线.试验结果表明：与直接输液相比间接输液方法压电泵输出流量及压力均较大,在驱动电压为100 V、频率为210 Hz时,间接输出最大流量达到810 mL/min;伞形橡胶阀截止性能好,压电泵输出流量较大.     

一种新型共振式气体压电泵

针对膜片式压电泵气体驱动能力不足,被输送气体流动受阻时压电振子易发热受损,以及叠堆式共振压电泵造价高昂等问题,提出了一种以圆环状压电双晶片为动力源,通过位移放大机构驱动的新型共振式气体压电泵.对新型共振式气体压电泵的工作原理及其位移放大原理进行了分析,建立了该泵的振动力学模型.分析结果表明,该泵位移放大效果与压电双晶片提供的驱动位移有关,系统放大倍数与弹簧片和压电振子的刚度、系统的黏性阻尼因子及激励频率有关.设计并制作了新型共振式气体压电泵的试验样机,使用阻抗分析及激光测量方法测试了其位移放大效果,并验证了气体输出性能.试验表明,在70 V的正弦交流电压驱动下,该泵通过共振方式可将输出端位移放大至压电振子位移的4.2倍以上,气体输出流量可达1 685 mL/min.在气体流动受阻的情况下,该泵连续工作2 000 h无明显温升.     

高性能压电泵的优化设计

设计了一款高性能的双作用压电泵,该压电泵采用了双晶片压电振子,其中压电振子受力均衡,不易损坏,提高了系统的稳定性;相同条件下双晶片压电振子变形大,增加了压电泵的输出流量和压力,对压电泵的结构进行了优化设计,使相关因素对效率的影响大大降低,提高了压电泵的性能。     

主动阀压电泵的设计

综述了国内外压电泵的研究与进展,通过比较被动阀压电泵与主动阀压电泵的工作原理,提出了主动阀压电泵潜在的应用价值。依据工作原理,设计、制作了由压电振子分别作为泵驱动源和进、出口阀的主动阀压电泵,并对泵的驱动信号进行了研究。性能测试结果:在140 Hz下,主动阀压电泵的最大输出流量为40 ml/min,最大输出压力为12.25 kPa。结果表明:主动阀压电泵的性能、单向截止性及执行效率明显优于被动阀压电泵。     

尾鳍对无阀压电泵性能的影响分析与试验研究

为了研究仿尾鳍式无阀压电泵的工作性能,探讨尾鳍对无阀压电泵泵送流量的影响,运用ANSYS软件对压电振子进行了湿模态分析,得到压电振子的前三阶工作频率以及压电振子的振型,然后通过Fluent软件,分别对有尾鳍和无尾鳍压电泵泵送性能进行仿真分析和试验对比.通过仿真分析得出,当激励电压峰峰值为100 V,频率为800 Hz时,有尾鳍时压电泵的泵送流量为65.34 m L/min,无尾鳍时压电泵的泵送流量为5.32 m L/min.试验结果表明:当仿尾鳍式压电振子的工作电压峰峰值为100 V,工作频率为760 Hz时,泵送流量为75.65 m L/min,工作频率为800 Hz时,泵送流量为60.25 m L/min;而无尾鳍压电泵在相同电压和频率下的泵送流量分别为4.60,4.10 m L/min,发现仿尾鳍式无阀压电泵泵送流量的主要来源为尾鳍对流体的驱动,分析了误差产生的原因,通过试验测试泵送流量与仿真结果进行对比,进一步验证仿真分析的正确性.     

并联压电泵腔体初始容积设计

为探究腔体初始容积对压电泵性能的影响,设计了双腔体并联压电泵.通过理论分析,确定了双腔并联压电泵能够工作时泵腔初始容积的取值范围,根据理论公式设计制作了6种不同腔体初始容积的双腔并联有阀压电泵样机,对泵腔初始容积的变化与泵工作性能关系进行研究.在110 V工作电压下,工作频率小于400 Hz范围内,用压电双晶片进行驱动,分别以液体水和空气为介质,对不同压缩比（压电振子振动产生的泵腔容积变化量与泵腔初始容积的比值）下的并联泵进行了试验测试.结果表明,当泵送液体水时,压缩比为1/18时泵的整体输出流量最好,最大输出流量可达1 330 mL/min,压缩比越大,泵的输出压力和自吸能力越好,最大输出压力和自吸高度分别为58.5 kPa和69 cm;当泵送气体空气时,压缩比越大,泵的输出能力越好,最大输出流量和压力分别为850 mL/min和6.5 kPa,当压缩比小于1/32时,泵已经失去了输出气体能力.     

单腔单振子压电泵流量自测量方法研究

为满足压电泵系统流体精确控制及小型化的需要,提出利用压电自感知及神经网络技术的单腔单振子压电泵流量自测量方法。压电泵结构上采用双压电晶片振子同时作为执行元件与传感元件使用。首先分析了流量影响因素,并分析了传感压电片输出信号与振子变形关系。得出:压电泵流量与振子振动状态存在函数关系,振子的振动状态可由传感压电信号实时反映,因此在信号中隐含着压电泵流量信息。据此制作了传感压电信号参数测量电路样机,将参数测量结果作为神经网络输入,建立了用于压电泵流量预测的BP神经网络模型。实验结果表明:利用该方法得到的预测值与实验测量值之间相关系数在0.999 3以上,最大相对误差率小于3.46%,预测结果与测量值接近。该流量自测量方法具有较好的准确性。     

基于ANSYS／Fatigue的泵用压电振子疲劳分析

为预测压电泵驱动部件压电振子的疲劳寿命,建立了双晶片压电振子的有限元模型,并应用ANSYS软件对模型进行静力学分析,得到双晶片压电振子的等效应力图和危险区域最大应力节点．利用ANSYS／Fatigue模块对这些危险点进行疲劳分析,并和其他区域应力集中的点进行比较,得到双晶片压电振子的疲劳耗用系数．利用Miner法则判断压电振子是否满足设计要求,并预测其疲劳寿命．研究了不同基底材料以及结构参数对双晶片压电振子疲劳寿命的影响,并和单晶片压电振子进行了对应比较．结果表明,基底最优材料为Cu,半径变化不影响其疲劳寿命,而厚度变化对疲劳寿命的影响要比电压变化的影响要大,双晶片压电振子的疲劳寿命总要比单晶片的稍长些,这为选择和优化压电振子结构提供了理论依据．     

单振子气体压电泵研究

对单振子压电驱动微型气泵进行了结构设计,并对其主要构件单向阀进行了动力学建模与仿真分析,在此基础上制作了微型气泵样机,并进行了测试实验。设计的单振子压电气泵以中间开孔的压电双晶片为动力源,利用粘结在压电片孔上的单向阀来截止流体。泵的进、出口在压电片的两侧,以压电振子的振动动能直接驱动单向阀产生与泵腔容积变化相应的打开/关闭动作,与传统的进、出口在同侧、仅依靠单向阀两侧的压差驱动单向阀工作的压电气泵相比流阻小,且具有很好的单向截止性,并提高了气体输出流量和单向截止阀响应频率。实验证明当驱动电压为40 V、频率为1 000 Hz时,输出流量可达到720 mL/min。     

基于正交设计法的“V”形管优化设计

基于无阀压电泵中扩散/渐缩管流动特性,提出一种新型“V”形管.为了获得“V”形管最佳的流阻性能,对“V”形管的结构参数进行优化设计.基于正交设计法,采用有限元仿真的试验方法,设计了一个四因素三水平的正交方案,并对仿真试验所获得的数据进行极差分析,得到了各几何参数对“V”形管流阻系数影响的主次顺序,同时获得较合理的新方案.通过进行再设计和分析,并与正交方案进行对比,最终验证了新方案是最优方案,为“V”形管无阀压电泵的优化设计提供了一定的参考.     

泵用圆形压电双晶片弯曲变形分析

为了准确获得压电泵泵腔容积的变化量,需要对压电振子的变形特性进行理论分析．将压电双晶片的受力模型分成2部分,即中间压电陶瓷和金属基板的3层复合部分,以及外部的金属基板部分．应用弹性薄板的小挠度弯曲变形理论,推导出固定边界条件下双晶片振动时的容积变化方程．结果表明:压电双晶片振动时容积变化的大小,是与双晶片的几何参数、材料的性能参数以及驱动电压有关的量．为了验证理论推导的正确性,对铜基板直径为35 mm、压电陶瓷直径为29 mm的压电双晶片,在不同直流电压驱动下中心点振幅进行非接触式激光测试,并将测试结果与理论计算值进行比较,结果表明:理论计算值要略大于实际测试值,两者之间存在20％左右的误差,但存在着一致性．应用泵腔容积变化量的理论计算方法,计算得到利用该压电振子制作的单腔压电泵在110 V,200 Hz正弦电压信号的作用下,泵腔每次振动产生的容积变化量约为12881 mm3,理论上最大输出流量为3 091 mL／min．     

基于有限元模拟的泵用压电振子正交优化设

作为压电泵的驱动源,压电振子的振动性能影响泵的性能.为此,对影响压电振子振动性能的压电振子结构参数以及材料参数进行优化设计.基于有限元模拟分析方法,采用正交试验和对分析结果进行极差分析,得到了各影响因素分别对压电振子中心点处振幅以及谐振频率两个重要指标影响的主次顺序,并得到了较好的方案.通过再设计试验分析,最终获得了提高压电振子振动性能的最优方案.     

特殊无活动部件阀压电泵机理分析与数值模拟

介绍了一种特殊无活动部件阀,采用数值模拟的方法计算得到其不同进口流速下的扩张效率,结果表明：特殊无活动部件阀的效率明显高于扩散阀,采用动网格模型对压电泵内流场进行网格划分,并根据压电泵膜的运动方式进行了用户自定义函数（UDF）编程,将程序调入FLUENT软件,进行固一液耦合模拟计算,给出了压电泵膜在不同振动模态下该特殊无活动部件阀压电泵内的流场特征,证明了泵膜在一阶振动模态附近压电泵有较好的流动性．认为这种动网格模型应用于压电泵的数值模拟计算是正确可行的．