惯性式压电振动送料器

采用压电双晶片振子,设计了一种惯性式压电振动送料器,分析了惯性式压电振动送料器的工作原理,建立了压电振子动力学模型,利用Matlab软件分析了振子长度和质量对冲击力与变形量的影响。对料盘中的物料进行了受力分析。制作了送料器样机,并对样机进行试验测试,得到了电压、振幅、频率与送料速度之间的关系曲线,结果表明该送料器在共振条件下具有良好的工作性能,随着电压的增加,振幅与送料速度呈线性增加。相比悬臂梁式压电振动送料器,该送料器具有更大的驱动能力和更小的空间结构。     

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．     

不同激励信号驱动下压电泵的输出性能

为了研究不同的激励信号驱动下无阀压电泵的输出性能,以锥形流管无阀压电泵为研究对象,根据激励信号的数学表达式理论分析了常见的正弦波、方波和三角波等信号激励下的压电振子振动特性,并以去离子水为传输介质,试验研究不同信号激励下的压电泵的液体传输特性和压电振子的振动特性.试验结果表明:锥形流管无阀压电泵在3种不同激励信号下,随着驱动频率的增大,其流量均呈现先增大后减小的变化趋势;当驱动电压为单峰100 V,频率9 Hz时,方波信号驱动产生的泵流量最大,为1.86 g/min;三角波信号驱动产生的泵流量最小,为1.29 g/min.并且,方波激励下的压电振子振幅最大,为64.82μm;三角波激励下的振子振幅最小,为52.29μm.同时,由泵流量与压电振子振幅曲线可知,振幅并非影响压电泵输出流量的唯一因素.综合对比可发现,方波信号驱动下的压电泵输出性能最强,但振动噪声较大,影响使用.     

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。     

泵用压电振子与泵腔体积变化的测试研究

为了准确获得压电泵泵腔体积的变化量,针对影响泵腔体积变化的关键因素——压电振子的变形特性进行分析,并采取非接触的测量方式对基板直径为65 mm,陶瓷直径为60 mm的圆形压电振子进行变形测试.在测试中对该压电振子的中心点在不同电压信号驱动下振幅随频率、驱动电压的变化规律以及压电振子径向各点在正弦电压信号驱动下振幅随半径的变化规律进行了研究.根据压电振子径向各点振幅的变化规律利用Matlab软件进行二次函数曲线拟合计算,得到压电振子的径向切面变形拟合曲线,根据拟合曲线,建立了压电泵泵腔体积变化量的理论计算方法.结果表明：压电振子中心点振幅随频率的增大而逐渐减小,随驱动电压的增大而增大;径向各点振幅随各点半径的增大而减小;拟合计算结果与实测数据基本吻合,最大相对误差仅为6.96%;利用压电泵泵腔体积变化量的理论计算方法,计算得到利用该圆形压电单晶片振子制作的压电泵在100 V,30 Hz正弦电压信号的作用下,泵腔每次振动产生的体积变化量约为34.009 mm3,理论上最大输出流量为61.216 mL/min.     

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.     

压电无阀微混合器的数值模拟

设计了一种压电无阀微混合器,对微混合器的结构和工作原理进行了说明和分析,并对其进行了数值模拟.利用ANSYS软件对微混合器的驱动部件圆形复合压电振子进行了瞬态动力学分析,研究了压电振子中心平面上各点在正弦交变电压驱动下的振动位移随各点半径、驱动电压的变化规律,发现各点位移呈正弦变化规律,各点振幅随半径的增大而减小,随驱动电压的增大而增大.根据压电振子各点位移变化规律拟合得到了压电振子运动位移方程,并根据位移方程编写了UDF程序,经编译后将UDF程序调入到Fluent软件中,以此作为设定压电振子的运动边界条件,采用动网格模型对微混合器进行了动态数值模拟,得到了压电无阀微混合器的流量及微混合器不同时刻的微混合器腔内的混合情况.结果表明：设计的压电无阀微混合器不仅能实现流体泵送,也可以在较短的时间内实现流体间的均匀混合.     

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.     

涡旋阀压电泵内部空化流动的数值分析

设计了一涡旋阀压电泵,采用动网格模型对其进行数值分析.首先对涡旋阀压电内部流场进行了动态模拟,得到了不同时期压电泵内的速度和静压分布图,有效地将压电振子的动态特征和流体的运动特征进行了间接流固耦合分析,验证了动网格模型在研究压电泵运动边界方面的可行性.研究了驱动频率,压电振子振幅,泵腔高度对涡旋阀压电泵输出性能的影响,发现驱动频率越小,压电振子振幅越大,出口体积流量越大,泵腔高度约为250μm,出口流量达到最大值.此外,还分别对涡旋阀和涡旋阀压电泵进行了空化模拟,得到了空化时涡旋阀内和不同时刻泵腔中的气液分布,为有效预测压电泵腔内空化,抑制空化现象提供了一定依据.     

超级杂交稻压电振动式匀种装置设计与试验

针对目前振动式水稻育秧盘低播量精量排种器存在匀种均匀性差、难以提供单列稳定种子流的问题,设计了一种压电振动式匀种装置。通过对压电振子振动原理、振动板动力学和水稻种子转向等分析,确定了各部件的结构参数。进行振动板结构参数优化设计,以储种盒深度、转向槽角度以及振动方向角为试验因素,结合Box-Behnken试验方案进行优化,试验结果表明转向槽角度、储种盒深度、振动方向角和转向槽角度交互作用对试验结果影响显著,当储种盒深度为8mm、转向槽角度为49°、振动方向角为29°时,种子均匀性变异系数为17.91%。通过台架试验测定振动板加速度,确定输入电压与振幅之间的关系。最优结构参数下振动板匀种试验结果表明,匀种均匀性变异系数、播种合格率和漏播率分别为18.20%、94.65%和0.67%。不同匀种速度下播种性能试验结果表明,当工作电压为130~180V时,其播种合格率均不小于94.17%,漏播率均不大于0.83%。不同水稻品种适应性试验结果表明,在工作电压130、150、170V下,其播种合格率均不小于94.17%,漏播率均不大于1.0%,满足超级杂交水稻精量化育秧播种要求。     

无阀微压电泵关键部件工作过程仿真

设计了一种以Cymbal振子为驱动器的新型无阀微压电泵.研究了Cymbal振子的工作过程.在Cymbal振子有限单元模型的基础上,对其工作过程进行仿真分析.通过模态分析得到了Cymbal振子的前5阶固有频率和振型,选出其中最符合工作要求的频率和振型;通过瞬态分析.结合压电耦合分析,得到了振子在方波电压作用下的瞬态动力学特性.     

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。     

无阀压电泵流阻测试装置研究

无阀压电泵的泵送性能主要取决于管道系统中的正、反向流阻差值,因而对流阻的测试尤为重要。为此设计了能够实现自动或半自动上水功能的无阀压电泵流阻测试装置,该装置测试液体的流速范围较宽,易于分析、研究流阻作用规律;以半球缺阀为例推导了阻力系数公式;利用新、旧2种测试装置对半球缺阻流体无阀压电泵的流阻进行了测试并计算了泵理论流量,与试验流量的偏差分别为34.38%、117.33%。研究表明:无阀压电泵流阻测试装置极大地提高了流阻测试精度;能够进行流阻测试、分析、泵理论流量计算及试验流量的预测。     

穴盘育苗精密播种装置压电振动台特性分析与试验

利用压电元件的逆压电效应设计了一种用于精密播种蔬菜、花卉、林木等微小种子的压电振动台,在外加电场的作用下使压电振动驱动系统产生机械微位移,经位移放大机构放大后驱动种子盘振动,使种子盘上的种子产生有利于吸种盘吸种的"沸腾"运动。建立了压电振动台数学模型,研究分析了压电振动台的动、静态特性并进行了试验。试验结果表明:当外加电压为90～110 V时,压电驱动系统具有较强的驱动能力,振幅达1.31 mm,机械系统振动响应频率在13～55 Hz之间,且频宽可调(共振频率为25 Hz);压电振动台具有良好的动态特性和较好的播种性能,满足精密播种的农艺要求。     

两种双腔串联压电泵结构设计与性能比较

为研究结构形式对双腔串联压电泵输出性能的影响,根据其工作原理,设计了有导流槽和无导流槽两种结构形式的双腔串联有阀压电泵,并加工制造了试验样机,分别以水和空气为介质进行输出性能比较试验．试验结果表明,在110V正弦交流电驱动下,有导流槽结构的双腔串联压电泵流量输出性能更好,输出的最大液体和气体流量分别为1100和650mL／min,但容易在导流槽内残留气泡;两者压力输出性能整体上比较接近,最大输出压力可达100kPa;无导流槽的双腔串联压电泵整体自吸性能更好,最大自吸高度为45cm水柱．     

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.     

三腔串联压电泵的结构设计与试验测试

为研究增加腔体数目对压电泵输出性能产生影响,结合多腔体串联压电泵的工作特点,采用带有被动截止阀的工作方式,设计了一种结构新颖的三腔串联压电泵.理论分析了在压电振子不同工作方式下三腔串联压电泵的工作特点,获得最佳工作方式,并通过样机的试验测试进行验证.以水为工作介质,对三腔串联压电泵输出能力进行了试验测试,将输出结果同双腔串联压电泵进行比较.结果表明：三腔串联压电泵流量输出同两腔串联压电泵比较有所降低,前者约为后者的0.7倍,但压力输出有所提高,前者为后者的1.5倍;增加腔体数目会进一步提高串联压电泵的输出压力,但却减少了输出流量;所设计的三腔串联压电泵,在110 V正弦交流电驱动下,最大输出流量可达860 mL/min,最大输出压力可达80 kPa.     

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.     

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．