壓電諧振泵的仿真分析與試驗研究

李勝杰 朱亞妮 巫群洪 郭和平 邵宇鑫

（1.浙江師范大學 精密機械與智能結構研究所，金華 321004； 2.紹興職業技術學院 機電工程與交通學院，紹興 312300；3.寧波軌道交通集團有限公司運營分公司，寧波 315100）

壓電諧振泵作為一種新型的流體驅動裝置，主要利用壓電材料的逆壓電效應使壓電振子變形，進而改變泵腔的體積來實現流體的傳輸。由于壓電泵具有結構簡單、體積小、無噪聲、輸出流量可控性好以及使用壽命長等優點，在醫療、化學分析、航空航天和微流體輸送系統等領域具有廣闊的應用前景[1]。

近年來，利用壓電泵實現流量控制的需求已成為國內外學者的研究熱點之一。1998年，吉林大學程光明教授在國內首次提出了被動閥式壓電泵，采用壓電振子作為壓電泵的驅動源，最大輸出流量可達到 71 mL·min-1[2]。2016年，青島農業大學孫富春提出設計一種驅動電源，采用開關電源技術，產生激勵頻率和電壓連續可調的正弦波，驅動滴灌壓電泵[3]。2013年，吉林大學謝海峰等人基于諧振原理開發了壓電雙晶片振蕩器諧振泵[4]。但是，上述壓電泵需要較高的驅動電壓和較小的輸出流量，存在輸出壓力低、壓電片易碎等問題。此外，壓電堆結構復雜，價格昂貴，嚴重阻礙了壓電泵的發展，不利于壓電泵的普及[5-6]。

以壓電諧振泵為研究對象，對其進行仿真分析和試驗研究，總結了改變進氣閥直徑和驅動激勵電壓頻率對壓電諧振泵腔內流場的影響，得出了入口閥直徑和驅動勵磁電壓頻率在適當范圍內將改善泵流量和壓力的規律，并通過出口試驗驗證了仿真結果。

1 工作原理與動力學模型

壓電諧振泵原理如圖1所示。它是由橡膠圈、壓電振子、質量塊、連桿和橡膠膜片組成的振動系統。該泵由泵上殼體、進口閥、進口、出口閥、出口和泵梁組成。

壓電振子在正弦交流電壓作用下產生沖擊振動，為振動系統提供激勵。當激勵信號頻率達到振動系統共振頻率的整數倍時，壓電振子的變形位移變大并產生一個力，通過連桿作用在橡膠膜片上。隔膜上下移動，改變泵梁、進口閥、出口閥和橡膠隔膜形成的密封腔容積，使得進口閥和出口閥配合形成單相流。

2 模擬仿真

為了模擬壓電諧振泵內液體流場的特性，建立了三維模型，并對結構進行了有限元建模，劃分了網格，使用了表1中的數據。假設流體介質不可壓縮，密度ρ為998.2 kg·m-3，動態粘度系數μ為0.001 kg·m-1·s-1，建立壓電泵的三維模型，并對有限元模型進行網格劃分。

表1 泵結構仿真參數

根據壓電振子在75 V正弦驅動電壓作用下的運動特性，建立了柵極的運動參數。壓電泵的流體介質為水，采用k-ε流體計算模型。

根據圖3和圖4的吸入和排出階段的流體流線圖：當t=0.0004 s和t=0.0083 s時，壓電泵的流體流線中，泵腔內的流體流線出現在入口和出口處；當t=0.0146 s 時，在壓電泵的流體流線中，出現了從入口到泵腔的流體流線和從泵腔的出口，且出口處的流體流線多于入口處的流體流線；介于t=0.0100 s和t=0.0146 s之間時，泵室內的流體流線從入口到出口有大量流線，反向渦不明顯。同時，在泵送流體的過程中，泵腔內流體流線數隨時間先增加后減少，這與壓電振子上施加的正弦電壓有關。

為了進一步探討驅動電壓和頻率對壓電諧振泵動態響應特性的影響，利用Maple軟件對上述仿真結果進行計算，出口流量隨孔閥直徑變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：任何單一孔閥直徑都有對應的一個最佳頻率，使出口流量最大；隨著孔閥直徑的增大，最大流量隨之增大，且相應的最佳驅動頻率隨之增大；當外部輸入驅動電壓頻率小于最佳驅動頻率時，孔板閥直徑的增大將導致壓電諧振泵出口流量先減小后增大；當驅動頻率大于56 Hz時，出口流量波動更明顯。當孔板閥直徑為0.2 mm、0.6 mm、0.8 mm、 1.0 mm時，相應的驅動頻率和最大出口流量分別為 38 Hz、39 Hz、43 Hz、49 Hz和0.77435 mL·s-1、 0.95497 mL·s-1、1.21147 mL·s-1、1.34485 mL·s-1。

3 測試與分析

為了驗證壓電諧振泵原理的可行性和仿真結果的有效性，設計并制造了如圖6所示的測試樣機和測試系統。測試儀器包括PI壓電專用功率放大器、壓力表、燒杯、工作臺、33522 A任意波形信號發生器、時間繼電器、精密電子秤以及諧振泵樣機等。

測試原理為信號發生器輸出驅動信號，通過PI壓電專用功率放大器放大接收到的驅動信號，并將其作用于雙晶片矩形壓電振子，然后利用精密電子秤測量諧振泵輸出流量。

試驗所用器件的結構參數：諧振泵所采用截止閥的厚度為0.2 mm，閥堵直徑為2.0 mm，閥孔直徑為1.5 mm， 泵腔高度為0.8 mm，傳振桿長度為16.0 mm，傳振桿直徑為3.0 mm，壓電振子外加30 V的交變電壓。

從圖7可看到：當外部輸入驅動電壓頻率小于96 Hz時，壓電諧振泵輸出流量隨著驅動頻率的增加而增加；當外部輸入驅動電壓頻率大于96 Hz時，壓電諧振泵輸出流量隨驅動頻率的增加而減小。究其原因，可能是驅動電壓和頻率的增大使得壓電振子上下振動，從而驅動泵腔內流體從入口到泵腔內部再到出口產生紊流狀態的漩渦，并伴隨大量回流現象，破壞了泵腔內的液體流動。然而，在96 Hz的驅動頻率處，對應于1.2 mm、1.5 mm和1.8 mm的閥孔直徑的輸出流量分別為57.6 mL·min-1、68.24 mL·min-1和 56 mL·min-1。與圖6的仿真模擬曲線不同，圖8中的試驗曲線沒有最大輸出流量的偏移。這是因為實際工作中選擇的孔閥板直徑差小，組別少，存在隨機測量誤差。

4 結語

文章提出了一種基于壓電諧振泵的流量控制方法，通過理論仿真和實驗驗證了孔板閥直徑和驅動激勵頻率對輸出流量和壓力的影響。結果表明，通過減小回流現象和增大流體流量，最大振幅激勵頻率曲線出現明顯的共振峰，提高了共振泵的輸出流量和壓力。

（1）通過對壓電諧振泵泵腔內液體速度和流線在一個周期內的仿真研究，證明了泵腔在一個激勵周期內的變化引起液體的定向流動，勵磁電壓頻率和節流閥直徑的變化會影響泵的輸出流量?？梢?，為了獲得高性能的輸出性能，可以適當調整勵磁電壓頻率和孔板閥直徑。

（2）通過模擬仿真研究，增大或減小進口孔閥直徑都會產生旋渦。調整勵磁電壓和頻率將改變入口和出口壓力，可阻礙流體流動。當孔閥直徑為0.2 mm、 0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm時，相應的驅動頻率和出口最大流量分別為38 Hz、39 Hz、43 Hz、49 Hz和 0.77435 mL·s-1、0.95497 mL·s-1、1.21147 mL·s-1、 1.34485 mL·s-1。

（3）通過相同條件下的泵流量試驗，驗證了仿真分析結論的正確性，同時分析了模擬流程與測試流程的偏差。