您好,欢迎来到中国泵阀第一网! [登录] [免费注册]
中国泵阀第一网

您当前的位置:中国泵阀第一网 > 泵阀学院 > 行业论文 > 钹型开槽式阀压电泵的设计

泵阀学院

钹型开槽式阀压电泵的设计
2018-11-30 08:27 中国泵阀第一网 作者:佚名 点击:1606
【中国泵阀第一网 行业论文】作为有阀压电泵的核心部件-单向截止阀,频繁地往复开关运动容易使其产生疲劳损伤;特别当截比阀和流体作用后,所受流体惯性力较大,加之阀体结构和尺寸等因素的影响,容易造成应力集中,进而加重阀体的疲劳受损情况,最终导致阀体失效,压电泵也随之不能正常工作。并且,有关有阀压电泵的研究多以提高泵流量为目的,而分析阀体应力、提高压电泵可靠性的研究却极少。


黄俊,朱宜超,施卫东,潘波

(1.江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,江苏镇江212013;2.山东星源矿山设备集团有限公司,山东济宁272300)

摘要:由于有阀压电泵内部阀体所受应力过大易导致阀体失效,木文提出了钹型开槽式截止阀来减小有阀压电泵内部阀体所受应力。基于钹型开槽式截止阀设计了有阀压电泵,分析了钹型开槽式阀压电泵的工作原理。对钹型开槽膜片进行了受力分析,研究了该压电泵的输出性能及祸合作用下的膜片应力。加工制作了钹型开槽式阀压电泵样机,建立了钹型开槽式阀压电泵的有限元模型,数值计算了流固祸合作用下的阀体应力值。计算结果表明:在压电泵正常输出的驱动频率范围内,当驱动频率为418 Hz时,膜片所受应力的计算值也达到最大,为81.7MPa。最后,进行了压电泵性能试验。试验结果显示:该压电泵的输出流量最大值和振子振幅最大值均出现在低频段;当驱动电压为160 V,驱动频率为5Hz时,输出流量达到最大,为6. 6 g/min;驱动频率为4Hz时,压电振子振幅达到最大,为165. 8μm。文中的研究验证了钹型开槽式阀体压电泵的有效性,并得出当钹型开槽式阀压电泵工作在低频段时,阀门所受应力远小于高频段时阀门的应力值。

关键词:钹型开槽;有阀压电泵;应力;流固祸合

1 引言

压电作动型容积泵是利用压电元件的往复运动来改变泵腔容积从而实现对流体定向输送的一种新型流体驱动装置。其驱动部件习氏电振子可以省去传动单元直接作用于流体介质,具有结构简单、高效率、高集成和低成本等特点。同时,由于压电泵有着可精确控制输出流体的优点,因而在生物检测、胰岛素注入、航空航天和机器人控制等领域都有着广泛的应用前景。

按照内部有无截比阀进行分类,压电容积泵可以分为有阀压电泵和无阀压电泵,而有阀压电泵又可分为主动阀压电泵和被动阀压电泵。其中被动阀压电泵由于结构简单、易于微型化,吸引了众多研究学者的青睐。2006年,韩国机械材料研究院的Ham等针对有阀压电泵的阀体做了优化处理,设计出一种弯曲链杆结构的板阀,增大了阀门的响应速度;2010年HWANU等设计了用于燃料电池的往复型压电泵,该压电泵结构紧凑、能耗低,在低频驱动信号下也能稳定地输出;2010年,张建辉等提出了内外不等锥度的软质锥壳形单阀体压电泵,以减小阀体开合产生的撞击效应并增大了输出流量;2014年,Liu等提出了基于PZT驱动的有阀压电泵,并据此设计了一种胰岛素给药系统。该压电泵含有2个泵腔和3个被动阀,通过电压和驱动频率的调节,实现了药物的精确供给;2014年,杨志刚等提出了一种两腔三阀结构的压电微泵,并以此作为驱动源,结合Y形微混合器实现了金纳米粒子的可控合成;2015年,MA等提出了一种适用于药物传输的可分离式压电泵,驱动部件与药物传输单元的分离式设计,有效避免了药物输送中的二次污染,并着重研究了该压电泵在低频驱动下的工作特性;2016年,Zhang等为了消除压电泵的回流现象,提出了一种单压电振子、多个被动阀的压电泵。当该泵内的被动阀数量固定时,通过改变进出口阀的配置,抑制输出压力的波动,从而有效减少压电泵的回流。

然而,作为有阀压电泵的核心部件-单向截止阀,频繁地往复开关运动容易使其产生疲劳损伤;特别当截比阀和流体作用后,所受流体惯性力较大,加之阀体结构和尺寸等因素的影响,容易造成应力集中,进而加重阀体的疲劳受损情况,最终导致阀体失效,压电泵也随之不能正常工作。并且,有关有阀压电泵的研究多以提高泵流量为目的,而分析阀体应力、提高压电泵可靠性的研究却极少。为此,张丛春、丁桂甫等人借鉴人体心脏瓣膜的结构,设计了瓣膜型被动起比阀,以提高阀体形变、降低所受应力。据此仿生结构,本文则提出了拔型开槽式截止阀,以期在同等加载条件下可进一步降低阀体所受应力。同时,将该阀用于压电泵内,从而提高压电泵的作动可靠性,使得压电泵可更好地被应用于生物医学、航空航天等领域。并基于该阀体设计出钹型开槽式阀压电泵;理论分析该压电泵的流量特性;试验研究钱型开槽式阀压电泵的泵特性及振子振动特性;建立钹型开槽式阀压电泵的有限元模型,数值计算流固藕合作用下的阀体应力值,验证设计方案的有效性。

2 结构设计

如图1所示,钹型开槽式阀主要由支撑层的钹型隔栅及拔型开槽膜片组成。当流体沿隔栅-膜片方向流过阀体时,阀体处于开启状态;当流体沿膜片一隔栅方向流过阀体时,阀体处于关闭状态。膜片的位移将随着流体压力作用的大小而发生变化,从而被动地调节了流速大小。整个钹型开槽式阀压电泵主要由压盖、压电振子、泵腔、钹型开槽式阀及进出口流管组成,如图2所示。

截止阀 水泵 阀门 电泵

图1 钹型开槽式阀体结构示意图

截止阀 水泵 阀门 电泵

图2 钹型开槽式阀体压电泵结构图

对压电振子施加交变电压,使其产生法向的往复振动,从而引起泵腔的容积变化。当压电振子向外运动时,泵腔容积增大、内部压强减小,在内外压差作用下,进口段流体会经由隔栅泪莫片流入泵腔。

由于此时出口段的阀体处于关闭状态,则该阶段为压电泵的吸程。同理,当压电振子向内运动时,泵腔容积减小、内部压强增大,在内外压差作用下,流体经出口段阀门流出泵腔。此时进口段的阀体处于关闭状态,则该阶段为压电泵的排程。

3 理论分析

3.1 膜片受力分析

钹型开槽膜片的运动状态决定了阀体的开合及可靠性,因此对其进行受力分析。图3所示为钹型开槽膜片的力学分析示意图,任选钹型开槽膜片上一夹角为dβ的扇形区。

截止阀 水泵 阀门 电泵

图3 钹型开槽膜片力学分析示意图

其中ξ为钹型开槽膜片径向位移,W为钹型开槽膜片弯曲位移洽为钱型开槽膜片轴向位移,δ为钹型开槽膜片拉伸变形,ho为钹型开槽膜片高度,tm为膜片厚度,E为弹性模量,θ为锥面角,r1、r2、ro分别为钹型开槽膜片顶部半径、底部半径和整体半径,b1,b2 ,bo为dβ的扇形区对应距离为r1、r2、ro处的弧长。Fe为区域2上任一点的虚功,q为作用在钹型开槽膜片上的均布载荷,a为从钹型开槽膜片的顶点到膜片上任一点的径向平而投影距离,b为任意距离x处的弧长:

截止阀 水泵 阀门 电泵

则,钹型开槽膜片的弯曲位移为:

截止阀 水泵 阀门 电泵

截止阀 水泵 阀门 电泵

其中r2,r1可视作定值,0°≤θ≤90°。即在相同外部条件下,当钹型开槽膜片高度θ越低时,钹型开槽膜片的轴向位移δ先减小后增大,而径向位移ξ逐渐增大,△拉伸变形逐渐增大。由此可以发现,取极限情况,当θ=0°,即为平板开槽膜片时,δ达到最大,预示着在同等外部条件下,平板开槽膜片轴向位移大于钹型开槽膜片。而当θ趋向于90°时,膜片将只有径向位移。由此可知,θ角的存在,一定程度上抵消了膜片的轴向位移,膜片变形位移的减小也使得膜片在运行过程中的应力减小。上述推导为同等载荷条件下,钹型开槽膜片所受应力小于平板开槽膜片提供理论依据。

3.2 泵流量分析

由于钹型开槽式阀压电泵的流量不仅取决于压电振子的振幅,跟钹型开槽膜片的变形也密不可分。因此,本研究将通过钹型开槽膜片的开合度来计算压电泵的输出流量。为了计算简便,将钹型隔栅和钹型开槽膜片进行简化,简化后的结构横截而示意图如图4所示。

截止阀 水泵 阀门 电泵

图4 钹型隔栅和钹型开槽膜片截而简化示意图

我要发布稿件>> (平台联合众多媒体为您助力)

(来源:中国泵阀第一网)

本文标签: 截止阀 水泵 阀门 电泵 
投稿箱:
如果您有泵阀行业、配件行业、泵阀技术、采购选型、产品检测维修等文稿需要发布,或资讯合作,欢迎与本站编辑部 点击这里给我发消息 联系, 邮箱:Service@pv001.com。
版权与免责声明:
1、凡注明来源为“中国泵阀第一网”的文稿,其版权属于中国泵阀第一网所有。任何网站、媒体及个人以任何方式转载时请务必注明出处中国泵阀第一网 http://www.pv001.com,违者本网将追究其相关法律责任!
2、本网引用或转载其他来源稿件,目的在于传递更多信息,并不代表赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担该作品侵权行为的直接或简接责任。任何其他网站、媒体或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品来源,并自负版权等法律责任。
3、如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。
最新资讯
·2018第二届武汉国际泵阀、管道及 全文|上海市《污水综合
·12月10日 国内主要城市冷镦钢价格 中铁十八局集团涿州水
·中韩石化高端管材通过重要性能认 污泥处理处置技术现状
·冬天气温低,疏水阀应该如何防冻 安徽省屯溪高压阀门有
·密封垫片你安装对了吗? 龙湾区铸造行业协会举行会员大会
最新供应信息
泵阀材料
最新求购信息
CopyRight @ 2010- pv001.com, All Rights Reserved. 温州百邦信息技术有限公司 版权所有;严禁任何单位个人镜像、复制本站内容,违者必究;
客服热线:86-577-67982931 加盟热线:86-577-67983931 备案/许可证编号为:浙ICP备16016129号
综合服务:点击这里给我发消息 广告咨询:点击这里给我发消息 会员咨询:点击这里给我发消息 展会合作:点击这里给我发消息 友情链接:点击这里给我发消息