螺旋線形閥壓電泵單臂閥和雙臂閥的性能比較

王 穎，張建輝，劉瑞峰，嚴(yán)秋鋒

(1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300) (2.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006) (3.新南威爾士大學(xué)工程學(xué)院，新南威爾士 悉尼 2032) (4.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

壓電泵以壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)源，具有能耗小、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、控制方便、無電磁場等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)藥工程、微機(jī)械等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用和發(fā)展，多年來其形式和應(yīng)用場合不斷得到突破，性能也在不斷提高[1～8]。

為了提高壓電泵的性能，研究人員在閥及泵結(jié)構(gòu)的改進(jìn)上做了大量工作。闞君武等[9]研制了一種便攜式微型藥品輸送壓電泵；程光明等[10]開發(fā)了壓電驅(qū)動(dòng)式雙噴嘴擋板電液伺服閥；劉國君等[11]研制了一種多腔體串聯(lián)結(jié)構(gòu)的用于胰島素推注的壓電微泵；張建輝等[12]研發(fā)了用于細(xì)胞或高分子輸送的“Y”形流管無閥壓電泵；孫曉峰等[13]設(shè)計(jì)了泵送大黏度液體的雙腔并聯(lián)壓電泵；王穎等[14-15]設(shè)計(jì)了擬懸臂梁結(jié)構(gòu)的單臂螺旋線形閥壓電泵，并研究了閥參數(shù)對(duì)螺旋線形閥壓電泵輸出性能的影響；王穎等[16]開發(fā)了對(duì)稱螺旋線形閥壓電泵。

壓電泵在生物醫(yī)藥工程、微機(jī)械等領(lǐng)域的特殊用途，使得人們很有必要詳細(xì)區(qū)分單臂螺旋線形閥(簡稱單臂閥)壓電泵和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱螺旋線形閥(簡稱雙臂閥)壓電泵輸出特性的差異。本文將對(duì)單臂閥壓電泵和雙臂閥壓電泵的泵流量公式進(jìn)行分析，對(duì)比研究兩種閥在泵送不同黏度或密度的流體，及閥參數(shù)不同時(shí)的具體輸出性能及其適用性。

1 泵及閥結(jié)構(gòu)

1.1 泵結(jié)構(gòu)

筆者開發(fā)了單臂螺旋線形彈性固支閥和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱螺旋線形固支閥，并針對(duì)兩種閥體設(shè)計(jì)了如圖1所示的結(jié)構(gòu)和參數(shù)均相同的壓電泵[14～16]。壓電泵由壓電振子、進(jìn)出水管、泵蓋、泵體、底座及螺旋線形閥等零件組成。

圖1 螺旋線形閥壓電泵結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 兩種螺旋線形閥結(jié)構(gòu)

圖2為單臂閥和雙臂閥結(jié)構(gòu)的立體示意圖。

圖2 螺旋線形閥結(jié)構(gòu)立體示意圖

單臂閥由閥體、定位器和螺旋線形曲臂組成，為擬懸臂梁結(jié)構(gòu)，其螺旋臂長是簡單懸臂梁閥的數(shù)倍，工作時(shí)開啟度大，且因其為螺旋線形彈性固支結(jié)構(gòu)，閥體不僅可以上下回位，左右也具有對(duì)中功能，閥的跟從性和截止性較高。

螺旋線形閥懸臂各部位所處半徑不同，懸臂各部位的變形剛度也不同，其中與定位器越靠近的部位剛度越大，這一特點(diǎn)使得螺旋線形閥的閥體具有了“慢開啟、快關(guān)閉”特性。

雙臂閥包含閥體、一對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲臂和兩個(gè)定位器。雙臂閥消除了單臂閥運(yùn)行時(shí)由于流體側(cè)向力造成的閥體傾斜而產(chǎn)生的負(fù)面影響，能更有效地發(fā)揮螺旋線形閥壓電泵閥體“慢開啟、快關(guān)閉”的優(yōu)勢。

圖3所示為兩種螺旋線形閥結(jié)構(gòu)的平面示意圖。圖中，a和b分別為曲臂的截面寬(簡稱臂寬或曲臂寬)和截面高(簡稱臂厚或曲臂厚)；R1為曲臂小端半徑；R2為曲臂大端半徑；θ為曲臂的螺旋極角。

圖3 螺旋線形閥結(jié)構(gòu)平面示意圖

1.3 兩種閥性能差別

根據(jù)前期研究結(jié)果，可總結(jié)出兩種閥性能特點(diǎn)如下[15-16]：

1)材料及尺寸參數(shù)相同的情況下，單臂閥的彈性系數(shù)k1是雙臂閥彈性系數(shù)k2的2倍，即

k1=2k2

(1)

在參數(shù)相同的理想狀態(tài)下，承受同樣流體作用力時(shí)單臂閥的開啟量可以達(dá)到雙臂閥的2倍，即泵流量可以達(dá)到雙臂閥泵流量的2倍。

2)如圖4所示，單臂閥臂寬a與泵流量之間沒有呈現(xiàn)明顯單邊的趨勢性。如圖5所示，在輸入電壓為120V、頻率為10Hz時(shí)，泵進(jìn)出水管壓差Δh在臂寬a=1.5mm時(shí)最大。

圖4 單臂閥臂寬a與泵流量之間的關(guān)系

圖5 單臂閥臂寬a與泵進(jìn)出水管壓差之間的關(guān)系

如圖6所示，雙臂閥臂寬a由0.3mm變化至0.8mm時(shí)，泵流量與臂寬a呈負(fù)相關(guān)，雙臂閥臂寬越大，泵流量越小。

圖6 雙臂閥臂寬a與泵流量關(guān)系

3)如圖7所示，單臂閥在閥厚度b最小選取值為0.1mm時(shí)，泵流量隨厚度的增大單調(diào)下降。

圖7 單臂閥厚度與泵流量之間的關(guān)系

4)雙臂閥泵流量是閥臂寬為其2倍左右的單臂閥泵流量的1.25～2.84倍。

5)雙臂閥泵在進(jìn)、出口閥臂寬不同時(shí)由于擴(kuò)大了“慢開啟、快關(guān)閉”的優(yōu)勢，其泵流量大于進(jìn)、出口閥臂寬相同時(shí)的泵流量，且泵流量在進(jìn)口閥臂寬ai大于出口閥臂寬ao時(shí)優(yōu)勢更明顯。

2 兩種閥性能對(duì)比

以壓電泵中進(jìn)口閥的開啟過程為例[16]對(duì)單臂閥和雙臂閥的性能進(jìn)行對(duì)比。圖8所示為單臂閥壓電泵中進(jìn)口閥開啟過程主視圖和俯視圖，其中Fk為開啟時(shí)閥體所受流體作用力，F(xiàn)Nk和FSk是由于閥體的傾斜產(chǎn)生的法向分力和側(cè)向分力，ek為側(cè)向分力FSk引起的閥體徑向偏移量。圖9所示為雙臂閥壓電泵中進(jìn)口閥開啟過程主視圖，因?yàn)閮蓪?duì)稱曲臂的作用，閥體運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的兩側(cè)向力作用相互抵消，閥體可保持與閥口孔平行的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，閥體的合成徑向偏移量Δext接近于0，遠(yuǎn)小于單臂閥閥體的徑向偏移量ek。

圖8 單臂閥壓電泵中進(jìn)口閥開啟過程主視圖和俯視圖

圖9 雙臂閥壓電泵中進(jìn)口閥開啟過程主視圖

因此，泵流量公式可表示為[14-16]

(2)

式中：g為重力加速度；n為螺旋線形曲臂的最大圈數(shù)；k為由于閥體徑向偏移量ext引起的泵流量閥體偏移系數(shù)，雙臂閥時(shí)的k=1，單臂閥時(shí)的k<1；ρ1為流體密度；r為閥口半徑；d31為壓電常數(shù)；d和δ分別為壓電振子的直徑和厚度；G為閥材料的切變模量；k′為曲臂截面系數(shù)，大小與a/b有關(guān)，其值見表1[15]；f和U分別為壓電振子的驅(qū)動(dòng)頻率和驅(qū)動(dòng)電壓。

表1 系數(shù)k′的值

由表1可知，當(dāng)a/b的值由5.00變化為10.00，增大了1倍時(shí)，k′值由0.291 3變?yōu)?.312 3，變化比例為93.27%，接近于1，為簡便起見，此處忽略系數(shù)k′變化的影響。

另外，流體的運(yùn)動(dòng)黏度υ等于流體動(dòng)力黏度μ除以流體密度ρ1，即

(3)

將式(3)代入式(2)，泵流量公式可表示為

(4)

分析式(4)可知，在驅(qū)動(dòng)電源和壓電振子一定的條件下，泵流量與流體運(yùn)動(dòng)黏度υ呈負(fù)相關(guān)，與閥材料的切變模量G、曲臂截面系數(shù)k′、曲臂寬a、閥曲臂厚b的三次方等也呈負(fù)相關(guān)。工作時(shí)如果這些參數(shù)改變，泵流量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

假設(shè)單臂閥和雙臂閥的各參數(shù)相同，在其他條件均不變的前提下，只將流體或者閥參數(shù)其中之一增大1倍，根據(jù)式(2)、(4)可得到如表2所示的泵流量變化比例n1。

表2 參數(shù)增大1倍時(shí)泵流量變化比例n1

由表2可知：

1)當(dāng)流體密度ρ1增大時(shí)，泵流量會(huì)增大。但流體密度ρ1增大時(shí)其運(yùn)動(dòng)黏度υ會(huì)降低，容易出現(xiàn)泄漏而降低流量，所以為了減少因?yàn)殚y體偏移閥口關(guān)閉不嚴(yán)引起的回流和泄漏，增大泵流量，可以選用雙臂閥泵。

2)當(dāng)流體的運(yùn)動(dòng)黏度υ增大時(shí)，泵流量會(huì)減小。流體的運(yùn)動(dòng)黏度υ增大，其流動(dòng)性降低，閥體的開啟變得困難，要保持或增大泵流量，就需要閥體“更慢開啟，更快關(guān)閉”，此時(shí)采用雙臂閥有利于發(fā)揮其“更慢開啟，更快關(guān)閉”的優(yōu)勢增大泵流量，同時(shí)考慮采用進(jìn)出口閥臂寬a選用不同值，且進(jìn)口閥臂寬ai大于出口閥臂寬ao的方案。

如圖6所示，因?yàn)殡p臂閥臂寬a大于0.3mm時(shí)，泵流量與臂寬a的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)，所以選用的雙臂閥臂寬盡可能取0.3mm。

3)閥材料的切變模量G增大時(shí)，泵流量減小。閥材料的切變模量G越大，其彈性就越差，從而影響閥的開啟高度，流量減小。當(dāng)無法選用彈性好、切變模量G小的材料時(shí)，可考慮選用雙臂閥泵以提高泵的輸出性能。

4)閥臂寬a增大時(shí)，泵流量也會(huì)減小。如圖4～圖6所示，因?yàn)殡p臂閥泵流量隨著臂寬a的增大而減小，而單臂閥泵流量與閥臂寬a之間的關(guān)系不是明顯呈單邊的趨勢性，但是在閥臂寬a=1.5mm時(shí)泵輸出的壓差最大，所以這時(shí)可以考慮選用單臂閥。

5)曲臂厚b增大時(shí)，泵流量成3次方地銳減。如圖7所示，因?yàn)楸昧髁侩S厚度b值的變化單調(diào)減小，所以這時(shí)候可以考慮采用雙臂閥，盡可能地增大泵流量。

3 結(jié)束語

本文在前期研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推導(dǎo)和分析了螺旋線形閥壓電泵的泵流量公式，對(duì)比研究了在流體密度、黏度及閥材料切變模量、閥的曲臂寬和曲臂厚等參數(shù)變化時(shí)，單臂閥和雙臂閥的性能區(qū)別。即應(yīng)用中當(dāng)流體密度ρ1和運(yùn)動(dòng)黏度υ、閥材料的切變模量G、閥曲臂厚b較大時(shí)，可選用雙臂閥壓電泵，當(dāng)閥曲臂寬a較大時(shí)可以考慮選用單臂閥壓電泵。