不同容積比的雙腔串聯壓電泵測試分析

， ， ， (.吉林化工學院 機電工程學院， 吉林 吉林　30;. 中石油東北煉化工程有限公司 吉林機械制造分公司， 吉林 吉林　30)

引言

在多腔體壓電泵[1-4]中，雙腔體壓電泵[1,2]是最早被設計與研究的，雙腔體串聯壓電泵[2,5]和早期研究的單腔體壓電泵比較，由于在輸出流量和輸出壓力方面均有較大幅度的提高，而引起研究者更多關注。

國內最早出現關于雙腔串聯壓電泵的報道是2004年吉林大學闞君武教授等研究者發表的《兩腔體串聯壓電驅動微型泵的輸出特性》文章，其所設計的雙腔串聯三閥壓電泵，在70 V 交流信號驅動下，工作頻率為50 Hz時，最大輸出流量為11.75 mL/min ，最大輸出壓力為21.9 kPa。其后又在2006年發表了《兩腔壓電泵結構與特性》的文章，對串聯泵的輸出進行了理論分析與試驗測試，得到結果為串聯泵雙腔交叉工作時輸出壓力是單個腔體工作時輸出壓力的2 倍，而其輸出流量約為單個腔體流量的1.4 倍。筆者對雙腔串聯泵也研究多年，在早期研究者研究的基礎上，對雙腔串聯泵結構設計進行了改進和優化，設計了帶有導流槽和沒有導流槽兩種結構形式[6]，在相同試驗條件下分別以水和空氣為試驗介質對兩種結構泵進行輸出性能試驗。

分析以往研究的成果，關于雙腔串聯壓電泵研究更多集中在結構設計和輸出原理方面，而關于進一步提高其輸出性能的優化設計方面很少，其試驗研究也更多集中在兩個振子異相工作(即交叉工作，兩振子工作相位差為180°)泵送液體方面。本研究將從提高雙腔串聯泵的輸出性能進行結構優化入手，改變進出口腔的容積比，并對兩驅動振子同相工作時輸送氣體和液體進行試驗測試與分析。

1　雙腔串聯泵優化設計

泵通常按工作原理分容積式泵、動力式泵和其他類型泵，壓電泵屬于往復式容積泵，這種泵的工作面或邊界面產生的壓力以周期性的方式直接作用在流體上，但它又不像許多較大泵的工作方式那樣，活塞是移動的邊界面，而是把作用在移動表面上的力由可變形的周邊固定的板代替，板由壓電驅動器來驅動，這個板像薄膜一樣，因此也被稱作薄膜泵。因此壓電泵同樣也具有容積泵的優點：

(1) 平均流量恒定即泵的流量只取決于工作腔容積的變化值及其頻率，理論上與排出壓力無關；

(2) 泵的輸出壓力取決于管路特性如果輸送的流體是不可壓縮的，在理論上可以認為泵的排出壓力將不受任何限制，即可根據泵裝置的管路特性，建立泵的任何所需的排出壓力；

(3) 對輸送的液體有較強的適應性原則上可以輸送任何介質，不受其物理性能或化學性能的限制。當然在實際應用中，有時也會遇到不能適應的情況，但其原因多半是因為與液體接觸的材料和制造工藝以及密封技術暫時不能解決的緣故。同時由于壓電泵結構較小，受被動閥結構尺寸限制，含有較大顆粒的液體不能輸送；

(4) 具有良好的自吸性能啟動前通常不需灌泵。

本設計的串聯泵是帶有導流槽的三閥泵，其結構如圖1所示。

從圖1的雙腔串聯泵結構可以看出，當泵工作時，流體從進口腔進入出口腔的過程中，要經過導流槽5，因為導流槽和進口腔之間通過孔連接，且導流槽和出口腔之間通過中間閥隔開，因此導流槽可以看成進口腔的一部分。根據傳統容積泵的工作理論，為提高雙腔串聯泵的輸出壓力，關鍵在于兩腔工作過程的良好匹配(即進口腔吸入和出口腔增壓排出過程的良好匹配)，減少液體從高壓腔(出口腔)向低壓腔(進口腔)的泄漏，因此增大低壓腔(進口腔)容積能起到良好的效果。為此設計進口腔容積(包括進口腔和導流槽容積之和)和出口腔容積比γ(γ=進口腔容積/出口腔容積)分別為1.9、1.5、1.3三種結構的串聯泵，并進行試驗。在試驗中，為消除不同壓電振子驅動能力對泵輸出結果的影響，試驗中中間體的結構不同，而固定壓電振子的下蓋和擁有進出口的上蓋均用同一構件。

1.緊固螺栓　2.上蓋　3.密封圈　4.壓電振子　5.導流槽　6.中間閥 7.出口腔　8.進口閥　9.進口腔　10.下蓋　11.中間體　12.出口閥

2　雙腔串聯壓電泵同相和異相工作原理分析

作為兩振子驅動的雙腔串聯泵，其兩個振子的基本驅動方式有兩種，一種是兩振子同一時刻的工作相位相同，這稱為同相驅動；另一種是兩振子同一時刻的工作相位相反(相位角相差180°)，這稱為異相驅動。為分析二者在工作上的區別，以泵一個工作周期振子與閥的工作狀況進行分析，其工作原理如圖2所示。

圖2a是在同相驅動時振子振動時和閥的開啟情況。設在初始時刻兩振子在平衡位置。在0～1/4周期過程中，兩振子同時向下振動，這時進口腔和出口腔腔體容積變大，進口閥閥和中間閥在壓差作用下逐漸開啟，流體開始從進口流入；在1/4～1/2周期過程中，兩振子回到平衡位置，這時進口腔和出口腔腔體容積變小，進口閥和中間閥關閉，出口閥開啟，流體從出口流出；在1/2～3/4周期過程中，振子繼續向上振動，進口腔和出口腔腔體容積繼續變小，流體從出口繼續流出；在3/4到1周期過程中，兩振子又回到平衡位置，這時進口腔和出口腔容積又開始變大，進口閥和中間閥逐漸開啟，出口閥關閉，流體又從進口流入。

關于異相工作時兩振子和閥的工作狀況(圖2b)，在文獻[7]中已經進行了詳細論述，此處不再贅述。比較同相和異相工作時流體的流動狀況，發現在同相驅動時，流體從進口流入和出口流出是在不同時刻進行的，而異步驅動時，流體從進口流入和出口流出是在同一時刻進行的。

圖2　不同驅動方式下雙腔串聯壓電泵的工作狀況

3　泵的輸出功率和效率計算

壓電泵的輸出性能參數主要有輸出流量、輸出壓力、功率和效率等。它們表示了壓電泵在一定電壓驅動下，以水為介質在最高效率時的性能參數。壓電泵是利用壓電陶瓷的逆壓電效應來工作，因此驅動電源的電能轉化為泵驅動能力的機械能，如果在理想狀態下，二者是相等的。因此壓電泵的功率是泵每秒鐘對排出液體所做的凈功來表示，即：

Ne=ρ.g.H.Q

(1)

式中，ρ—— 液體密度，kg/m3

H—— 泵的輸出揚程，m

Q—— 泵的流量，m3/s

g—— 重力加速度，m/s2

壓電泵的效率是指泵對流體功Ne和電源對泵的電能N二者之間的比值，即：

η=Ne/N×100%

(2)

泵效率的高低標志著泵性能的好壞及對電能的利用程度，是—項重要的技術經濟指標。壓電泵由于結構及工作特點必然產生流量和壓力的脈動，從而降低了泵的吸入性能。

4　試驗測試與分析

4.1　試驗裝置

壓電泵輸送液體時的輸出流量比較容易得到，但輸送氣體流量不易獲得。早期受試驗條件限制，最初通過排水法獲得氣體輸出流量，但因氣體的壓縮性比較大，泵的輸出壓力又較小，實際獲得的氣體流量值誤差較大，有時甚至達到50%左右的誤差。本試驗中測試氣體流量采用GL-103B皂液式氣體流量計，其工作原理是氣體流動時推動皂液泡經過傳感測試區，控制系統自動記錄經過測試區的時間，顯示出每分鐘的體積流量。測量范圍是5 mL/min～5 L/min。采用這種儀器測量時，誤差較小，可以多次測量獲得平均值。試驗裝置如圖3所示。

圖3　測試氣體的試驗裝置

4.2　不同腔體容積比下的輸出性能試驗

本研究設計了三種腔體容積比的雙腔串聯泵，對容積比分別為1.9、1.5、1.3的雙腔串聯壓電泵進行輸出能力測試，測試曲線如圖4和圖5所示。

圖4　不同腔體容積比下的輸送氣體壓力曲線

圖5　不同腔體容積比下的輸送液體壓力曲線

在試驗中，泵的工作頻率從40～400 Hz，驅動電壓為110 V正弦交流電，試驗介質為水和空氣。圖4和圖5均為泵在異相工作時的輸出壓力曲線。從試驗曲線中看出，在大部分工作頻率段內，不論是泵送氣體還是泵送液體，隨著腔體容積比的增大，泵的輸出壓力減小，這與我們熟悉的傳統容積泵的輸出理論截然相反，分析其原因壓電泵是依靠振子和閥構成的系統通過系統共振的方式來工作的，其輸出性能關鍵取決于閥和振子之間的工作相位差及泵的壓縮比[8-10](單個沖程內壓電振子振動使腔體容積產生變化量ΔV與泵腔體初始容積V0的比值)，在輸出壓力方面，串聯泵隨著壓縮比的增大，輸出壓力隨之增大。

圖6和圖7是泵的輸出流量曲線，從圖中可以看出，隨著腔體容積比的增大，泵的輸出流量基本上成遞增趨勢，因為根據公式(1)可以得到，當驅動電源功率一定的情況下，隨著輸出壓力減小，輸出流量將增大，二者成反比關系。從曲線中還可以看出，雙腔串聯泵不管是同相驅動還是異步驅動，均可以泵送氣體，而且在同腔體容積比下，輸出氣體量也比較接近；但是泵送液體時，僅有在異步驅動情況下才有流量輸出，分析其原因可以從圖2對泵的工作方式分析獲得。在同相驅動下工作時，泵的吸入和吐出過程并不是在同一時刻進行，當泵送氣體時，因為氣體的擴散性能較強，氣體能夠充分的從進口腔經過中間閥進入到出口腔內，在1/2和3/4周期過程中實現氣體的泵出；而在泵送液體時，液體還沒有進入到出口腔時，中間閥就已經關閉，所以根本就沒有液體泵出。

圖6　不同腔體容積比下的輸送氣體流量曲線

圖7　不同腔體容積比下的輸送液體流量曲線

5　結論

(1) 通過增大進口腔和出口腔容積比的方式可以提高雙腔串聯壓電泵的輸出流量，但卻減小了其輸出壓力；

(2) 在同相驅動和異步驅動方式下，雙腔串聯壓電泵均可以輸送氣體，且兩種情況下在各工作頻率輸送氣體流量接近，但只有在異步驅動下才能輸送液體，同相驅動沒有液體輸出；

(3) 在110 V正弦交流電驅動下，當腔體容積比γ=1.9時，最大輸出液體和氣體流量分別為589 mL和1826 mL；當腔體容積比γ=1.3時，最大輸出液體和氣體壓力分別為78 kPa和6.2 kPa。

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