圆环型压电蠕动泵的结构设计与仿真.pdf

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1、第28卷第11期农业工程学报402012年6月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering、，oI．28No．1lJun．2012圆环型压电蠕动泵的结构设计与仿真梁莉，马旭，张铁民(华南农业大学工程学院，广州510642)摘要：为了进一步探索压电技术在蠕动泵巾的应用，使蠕动泵进一步向着体积小、质量轻、结构简单方向发展，并应用于更广泛的领域中，该文在现有机械蠕动泵结构基础上，结合压电驱动技术提出一种圆环周向行波驱动流体的圆环型压电蠕动泵结构。该蠕动泵的压电振了为一圆环型

2、结构，在其外圆环壁面上贴有压电陶瓷薄片，以环面周向行波产生的蠕动，加之外圆环与内圆环的配合，代替机械蠕动泵中电机驱动偏心泵实现蠕动。依据弹性力学和振动理论推导出圆环振子的振动方程，利用有限元分析软件建立圆环振子模型，并对其周向振动模态及驱动机理进行了有限元分析，由此确定圆环型压电蠕动泵驱动振子的振动模态，设计出圆环型压电蠕动泵的整体结构，对其结构及工作机理进行了仿真分析。结果表明该压电蠕动泵同时具有机械蠕动泵和压电泵的优点。关键词：设计，仿真，压电，蠕动泵，有限元doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2012．11

3、．007中图分类号：TH32文献标志码：A文章编号：1002—6819(2012)一ll一0040-05梁莉，马旭，张铁民．圆环型压电蠕动泵的结构设计与仿真[J]．农业工程学报，2012，28(11)：40--44．LiangLi，MaXu,ZhangTiemin．Structuredesignandsimulationofcircularringpiezoelectricperistalticpump[J]．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(Transa

4、ctionsoftheCSAE)，2012，28(11)：40--44．(mChin雠withEnglishabstract)0引言随着电子产品日益轻薄短小、元件密度愈来愈高、工作速度愈来愈快，微流控系统得到了快速发展，其中微泵在药物微量输送、食品和化工定量灌装、农业育种试验、定量喷洒药液或水雾、电子行业精准定量点胶、集成电子元件冷却、微量化学分析等领域得到广泛应用。压电泵是一种全新驱动理论的新型微泵，它将传统电磁泵的驱动源部分、传动部分及泵体三者制成一体，不需附加驱动电机，具有体积小、质量轻、不受电磁干扰等优点，已成为国内外研究的热

5、点。1983年荷兰Twente大学将硅微加工与薄膜技术相结合研制出压电泵¨J，韩国、德国、瑞士、美国等相继研究开发了微型泵和微型阀【2_191。美国喷气驱动实验室利用与传统行波马达相似的原理为美国国家航空和宇宙航行局研制出～种圆盘端面行波压电蠕动泵。中国清华大学在微流量系统和微流量方面做了大量的研究工作【201，吉林大学研制出矩形压电振子式主动阀压电泵[21-24】，哈尔滨工业大学研制了压电叠堆泵【25】，南京航空航天大学【26】和华南农业大学等高校都对压电泵进行了相关的实验和理论研究【211，并取得了很大进展。目前广泛使用的蠕动泵通

6、常为机械蠕动泵，主要由收稿日期：2011．10-19修订日期：2012-1)4-05项目基金；广东省科技计划项目(20108020314003，略科规划字[2010198号)作者简介：梁莉(1963一)．女(汉)，黑龙江人，高级实验师．在读博士，t．华南农业大学工程学院．研究方向为智能农业机械．广州华南农业大学工程学院自动化系，510642。Email：11-scau@163．com※通信作者：马旭(1959一)．男(汉)．黑龙江人，教授，博上，研究方向为农业机械化。广州华南农业大学工程学院农业工程系，510642。Email：max

7、ul959(勘∞au．edu．cn泵头、电机、泵管组成，泵头包括转子和泵壳，泵管置于转子与泵壳之间，电机作为驱动器必不可少，因而增加了蠕动泵的质量和体积。如前所述，有关压电泵的研究主要集中于圆盘型驱动振子面外振动的压电泵，而对于驱动振子为圆盘型面内周向行波振动的压电蠕动泵研究则较少[28-291。为此，本文将机械蠕动泵结构与压电泵技术相结合，提出一种圆环型周向行波圆环型压电蠕动泵，旨在进一步探索压电技术在蠕动泵中的应用，减小蠕动泵体积和质量，简化蠕动泵结构，进一步扩大蠕动泵的应用领域。1圆环型压电蠕动泵结构及工作机理1．1圆环型压电蠕

8、动泵结构本文设计的圆环型压电蠕动泵结构如图1所示。一141．金属弹性体内圆环2压电陶瓷片A区3．压电陶资片B区4．滚柱圊定装置5．滚柱6．金属弹性体外圆环7．硅管图l圆环型压电蠕动泵结构图Fig．1Structureof