基于液压放大的柔性隔膜压电泵理论与试验研究

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1、基于液压放大的柔性隔膜压电泵理论与实验研究TheoreticalandExperimentalResearchofDiaphragmPumpbasedonHydraulic作者姓名：胡建军专业名称：机械设计及理论指导教师：杨志刚教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年5月31日本文由国家自然科学基金青年基金项目“壁面浸润性优化用于压电泵气泡控制的机理、方法与效果研究”(项目编号:51406065)资助摘要基于液压放大的柔性隔膜压电泵理论与实验研究压电泵是以压电振子作为换能器的流体传输装置，压电泵功耗

2、小、能量密度高、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、频率范围广，可通过电压和频率对压电泵的输出性能进行精确控制；成本低廉，可以做消耗品；过流面为泵体材料、选择合适材料，可避免腐蚀等。压电泵广泛应用于医疗器械、机械工程、家电数码、生物化学、燃料电池以及科研领域。本文结合国家自然科学基金《压电型气体隔膜泵设计理论与关键技术研究》的研究需要，设计并制作了基于液压放大的柔性隔膜压电泵（以下简称“柔性隔膜压电泵”），可比普通压电泵具有更高的自吸高度，更好的排气泡能力。对这种柔性隔膜压电泵的结构参数进行优化，最后通

3、过实验方法对不同结构柔性隔膜压电泵进行试验分析。由于P5型压电陶瓷具有高压电常数和高耦合系数，本文采用20mm的P5作为压电振子，考虑到矩形波易于产生，能量密度高的特点，本文柔性隔膜压电泵采用矩形波驱动，边缘固定方式为边缘粘结。建立压电振子的模型，采用静态法对压电振子的变形进行分析计算，并通过等效分析得出压电振子变形的等效集中力，通过实验及仿真分析，对其计算进行验证。柔性隔膜是柔性隔膜压电泵的重要组成部分，其材料选用具有高韧性和高寿命且符合医用条件的ＰＥＴ材料。建立柔性隔膜的模型，计算柔性薄膜在均布

4、载荷下的变形，结合压电振子的等效集中力得出柔性隔膜压电泵的极限输出压力和极限输出流量，并对柔性隔膜进行刚度计算，通过仿真分析加以验证。压电泵常用的阀有悬臂梁阀、轮式阀及伞状阀，悬臂梁阀结构简单，易于加工，但升程小，且阀的执行部分与阀座之间易产生间隙，导致阀的截止性不好。轮式阀有更大的工作行程，且密封性好，设计计算较为复杂。伞形阀截止性好，阀片开启能力与“伞”面厚度、直径及两侧压差有关，其加工制作难度大，综合考虑选用轮式阀，并对轮式阀进行热处理，提高阀与泵体之间的密封性。柔性隔膜压电泵的振动模型建立及分

5、析可以更好的优化其结构参数，通过振I动分析，柔性隔膜压电泵的共振频率与液压放大系统、柔性隔膜及压电振子都相关，可以通过调整其参数修改柔性隔膜压电泵的共振频率。柔性隔膜压电泵的自吸是由泵腔的压缩比决定的，可以通过减小腔高提高柔性隔膜压电泵的自吸高度。对于柔性隔膜压电泵的能量损失，包括沿程阻力损失与局部阻力损失。储液腔及柔性薄膜均对柔性隔膜压电泵的输出有很大影响。制作柔性隔膜压电泵并对其输出性能测试是论文的一个重要部分，通过实验分别对柔性隔膜压电泵的自吸高度、输出压力、输出流量及排气泡能力分别测试，并通过

6、单一变量来对柔性隔膜压电泵的结构进行优化。关键词：压电振子，柔性隔膜，液压放大，轮式阀，自吸高度，排气泡IIAbstractTheoreticalandExperimentalResearchofDiaphragmPumpbasedonHydraulicPiezoelectricpumpasakindofconveyingdeviceisusedinindustry,medicalmachineryandbiotechnologyfieldswidely.Butinsomespecialapplica

7、tions，itsabilitycan’tmeettherequirements.Sowehavetomakesomechangestoachieveahigherperformance.Thepaperisbasedontheprogramofgaspiezoelectricpump.Ononehand,itreferstotheresultsfrompiezoelectricpumpwehavemadebefore.Ontheotherhand，welearnfromhydraulicamplif

8、ierrelatedliterature.Finally，Anewkindofpumpismade，ithashigherself-absorptioncapacity.anditcanremoveairbubbleseasily.Weoptimizethestructureparametersbydoingsomeexperimentssothatwecangetthebestpump.WechoseP5aspiezoelectricvibratorb