非回轉(zhuǎn)非容積型無閥壓電泵的動(dòng)力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著生物、醫(yī)學(xué)、保健、化學(xué)、化工、安全監(jiān)測(cè)、航空航天等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)流控器件的集成度和流體輸送的精密度提出了更高的要求，傳統(tǒng)的電磁泵由于結(jié)構(gòu)原理的原因已不能滿足科學(xué)研究和工程實(shí)踐的特殊需要。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、耗能低、無噪聲、無電磁干擾的無閥壓電泵就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。由于其廣闊的應(yīng)用前景，自1993年瑞典的E Steme提出并發(fā)明第一個(gè)無閥壓電泵以來，各種新原理、新結(jié)構(gòu)的無閥壓電泵不斷涌現(xiàn)出來，現(xiàn)已成為世界各國(guó)研究的

2、熱點(diǎn)問題。但目前的無閥壓電泵由于其固有的回流現(xiàn)象嚴(yán)重、流動(dòng)波動(dòng)大、流量小、效率低等問題，距離實(shí)際需求尚有一定的距離?；谏鲜鲅芯楷F(xiàn)狀，在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，本文開展了具有原始創(chuàng)新和完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)新型無閥壓電泵的探索性研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 1.受到魚尾擺動(dòng)的啟發(fā)，首次提出了在泵的分類學(xué)上既不屬于容積型又不屬于回轉(zhuǎn)型的柔性尾鰭結(jié)構(gòu)壓電層合振子無閥壓電泵；研制了樣機(jī)，進(jìn)行了泵流量測(cè)試、振子的仿真與測(cè)振、流場(chǎng)模擬等研究

3、工作；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過在振子的端部構(gòu)造柔性尾鰭，并做適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化后，單位面積壓電陶瓷片產(chǎn)生的泵流量較無柔性尾鰭時(shí)提高了43倍；和傳統(tǒng)的容積差型無閥壓電泵相比，具有流量大、流動(dòng)脈動(dòng)小、無回流現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。
　　 2.研究了壓電振子在水中的絕緣、壓電振子的工作空間、柔性尾鰭的結(jié)構(gòu)、壓電層合板梁的構(gòu)成形式、基體和陶瓷片的厚度比和振子一固壁距離等因素對(duì)泵性能的影響；建立了外電場(chǎng)激勵(lì)下壓電雙晶片的振動(dòng)方程，分析了模態(tài)力的影響因素；基于最

4、小作用原理，利用瑞利-利茲法給出了突變截面壓電層合梁模態(tài)振型的近似解；通過合理的選擇容許函數(shù)序列，模態(tài)頻率近似解逼近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示出較好的一致性，二階諧振頻率的相對(duì)誤差為2.1％。
　　 3.針對(duì)壓電層合振子(單晶片和雙晶片)浸沒在泵腔內(nèi)容易出現(xiàn)的陶瓷片電極層破壞、流體電離和流體溫升等問題，提出并設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)干濕分離的仿尾鰭變截面擺動(dòng)振子壓電疊堆泵；對(duì)振子工作在泵腔內(nèi)和近似無限水域(水槽)分別進(jìn)行了泵水能力測(cè)試；80V電壓激勵(lì)

5、下，振子工作在水槽中，一、二階彎振的模態(tài)頻率分別為680 Hz和1370 Hz，30 mm水柱被壓下，泵的最大流量可達(dá)560 mL/min；振子工作在泵腔中，一、二階彎振的模態(tài)頻率分別為617 Hz、1356 Hz，泵的最大流量為400 mL/min；對(duì)影響泵性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)--柔性尾長(zhǎng)和振臂長(zhǎng)度，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；結(jié)果表明，諧振頻率隨柔性尾長(zhǎng)的變化規(guī)律符合線性振動(dòng)理論；但端部振幅隨柔性尾長(zhǎng)和振臂長(zhǎng)度的變化卻呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)；通