螺旋线形阀压电泵的理论与试验研究

王颖  张建辉 刘瑞峰 

(1.泰州职业技术学院机电技术学院 泰州 225300；  2.广州大学机械与电气工程学院 广州 510006； 

3.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 南京 210016；

 4.重庆师范大学物理与电子工程学院 重庆 401331) 

摘要：有阀压电泵在精细化工、MEMS、生物医学工程等领域具有重大应用前景。为了克服有阀压电泵结构复杂、跟从与截止性差、成本高等缺点，设计一种异形拟悬臂梁结构的螺旋线形弹性固支阀，其螺旋臂长是简单悬臂梁阀的数倍，工作时开启度大，且因其螺旋线形弹性结构，阀体不仅可以上下回位，左右也具有对中功能，并把这种阀安装在有阀压电泵的泵腔内形成螺旋线形阀压电泵。在深入分析有阀压电泵优缺点的基础上分析螺旋线形阀压电泵的工作原理，依照泵内部能量传递的路径建立压电驱动(电压、频率)为输入与泵流动(流量、压差)为输出之间的关系式，加工试验样机，并进行性能测试试验，螺旋线形阀压电泵具有泵功能，证明了其有效性和理论分析的正确性。试验结果表明：随着驱动电压的增大，泵的输出流量和压差呈上升趋势，这个结果与 MATLAB 数值仿真计算结果趋势一致。在电压为 220 V、频率为 30 Hz 时，得到仿真流量 41.26 ml/min，实际试验流量为 10.2 ml/min，误差75.3%；在电压为 220 V、频率为 20 Hz 时，得到仿真流量 27.51 ml/min，实际试验流量为 22.8ml/min，误差 17.2%。

关键词：压电泵；有阀压电泵；悬臂梁阀

0   前言

压电泵是压电陶瓷自驱动的新型流体输送器。由于在精细化工、MEMS、生物医学工程等领域具有重大的应用前景，所以备受人们的关注，但是它存在着流量小、压力低、跟从与截止性差等缺点，限制了更加广泛的应用。

2000年前后，日本山形大学的铃木胜义等使用传统的球阀、锥阀等阀体应用在压电泵中，试验结果表明流量和压差均比同体积或同输入电量的传统泵要差很多。

2000年，清华大学的尹执中等研究了简单悬臂梁阀在热驱动微型压电泵中的应用。2002 年，吉林大学的阚君武等研究了简单悬臂梁阀和锥形管结合形成复合阀在压电泵中的应用。

2005年，阚君武等对简单悬臂梁阀的特性进行了研究，发现阀片的基频主要受流体附加质量和附加阻尼的影响。2005 年，吉林大学的程光明等提出了基于简单悬臂梁阀的迭片式结构的压电泵。同年，吉林大学的曾平等开发了橡胶薄膜阀压电泵。2006年韩国的HAM 等设计了板式铰链阀压电泵应用在电子冷却循环设备中。2006 年，曾平等又设计了适用于机电系统微量液体输送的整体开启阀微型压电泵。2009 年，南京航空航天大学的张建辉等开发了“E”型阀压电泵。但是，简单悬臂梁阀开启度小，容易屈服变形，寿命短，整体开启阀阀体与阀座的固定工艺复杂，且容易出现阀体与进出口之间的配合性差，导致跟从和截止性不好。

2007年，吉林化工学院的何丽红团队设计了伞形阀压电泵。2014 年，南京航空航天大学的张建辉等开发了软质锥壳形阀压电泵。可是伞形阀、软质锥壳形阀所需空间大，加工工艺复杂，成本高。

为了克服上述问题，本文将设计一种异形拟悬臂梁结构的螺旋线形弹性固支单向阀，并把这种单向阀安装在有阀压电泵的泵腔内形成螺旋线形阀压电泵，分析螺旋线形阀压电泵的工作原理，然后依照泵内部能量传递的路径建立压电驱动(电压、频率)为输入与泵流动(流量、压差)为输出之间的关系式，最后加工试验样机，并进行性能测试试验，试验验证螺旋线形阀压电泵的有效性和理论分析的正确性。

1 泵阀结构设计

本文设计的压电泵用螺旋线形弹性固支阀(以下简称螺旋线形阀)如图 1 所示，由阀体、定位器和螺旋线形曲臂(以下简称曲臂)组成，阀的制作材料为弹簧钢片。图 2 所示为螺旋线形阀压电泵的结构示意图。该泵主要包括压电振子、泵盖、泵体、螺旋线形阀、底座和进/出水管。在泵体的进口和出口处用螺钉通过定位器分别安装有一对相互倒置的螺旋线形阀，阀体与泵体的进口孔和出口孔相对应，安装在泵体进口处的螺旋线形阀为吸入阀，安装在泵体出口处的螺旋线形阀为排出阀。

图1 螺旋线形弹性固支阀结构示意图

螺旋线形阀拟悬臂梁结构，其螺旋臂长是简单悬臂梁阀的数倍，工作时开启度大，且因其螺旋线形弹性固支结构，阀体不仅可以上下回位，左右也具有对中功能，有效改善了阀体与进出口之间的配合性，提高了阀的跟从和截止性。 

图 2   螺旋线形阀压电泵结构示意图