半球缺阻流體無閥壓電泵的研究.pdf

1、無閥壓電泵是以壓電陶瓷為動(dòng)力源件的小型與微型流體泵，具有耗能低、流量可控性好、無噪聲及電磁干擾、響應(yīng)速度快、易于集成制造、可控制微小流量輸出等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)源部分、傳動(dòng)部分及泵體的高度集成，提高效率的同時(shí)降低了運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的磨損，在航空航天器、機(jī)器人、汽車、醫(yī)療器械、生物基因工程、化學(xué)（燃料供給）、電子器件水冷及微機(jī)械等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。由于，現(xiàn)有無閥壓電泵中無移動(dòng)部件閥多為管道閥類和腔底閥類，管道或腔底的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝繁復(fù)，同

2、時(shí)與出、入口管道位置固定的“閥”相比，泵流量可調(diào)、可控性較差。針對(duì)上述研究情況，在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，本課題開展了新型無閥壓電泵的探索性研究，主要工作如下：
　　1.利用流體繞流球面和圓面時(shí)所受阻力不同的原理，提出并設(shè)計(jì)了一種以半球缺作為無移動(dòng)部件閥的無閥壓電泵。通過自行確立的體積、動(dòng)量比較法進(jìn)行了泵腔內(nèi)半球缺的受力分析，推導(dǎo)出了泵流量公式，揭示了泵能夠產(chǎn)生單向流動(dòng)的機(jī)理；制作了原理樣機(jī)并進(jìn)行了性能測(cè)試，陶瓷片直徑為30mm

3、，泵腔內(nèi)均布6個(gè)半球缺。在工作介質(zhì)為純凈水條件下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓及頻率為110V、6 Hz時(shí)，泵流量達(dá)到0.50 mL/s；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓及頻率為160V、6 Hz時(shí)，壓差達(dá)到26.2mm水柱。
　　2.基于傳統(tǒng)的繞流非球形體的阻力系數(shù)計(jì)算方法不能同時(shí)解決正、反向繞流半球缺的流阻問題，提出了“等效流阻直徑”方法。在分離與計(jì)算出半球缺的球面及圓面所對(duì)應(yīng)的等效圓球直徑基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了測(cè)試流阻試驗(yàn)裝置，獲得了正、反向繞流單個(gè)半球缺的阻力系數(shù)公式并

4、進(jìn)行了泵流量的試驗(yàn)驗(yàn)證，泵理論流量與試驗(yàn)流量的變化趨勢(shì)一致，其最小偏差為24.75％，最大偏差為31.15%。
　　3.推導(dǎo)了繞流兩個(gè)縱向、橫向排列半球缺的遮流系數(shù)、干擾系數(shù)及流阻系數(shù)的計(jì)算公式，建立了任意多個(gè)縱向、橫向排列半球缺的流阻系數(shù)理論體系。泵流量測(cè)試表明，在一定的間距范圍內(nèi)，泵流量隨著縱、橫向半球缺個(gè)數(shù)的增加而增加。
　　4.推導(dǎo)出了迎流角為零及非零狀態(tài)下表征半球缺群流阻作用規(guī)律流阻系數(shù)計(jì)算公式。測(cè)試了半球缺群行數(shù)

5、、列數(shù)、行列間距及迎流角對(duì)泵送性能的影響，在驅(qū)動(dòng)電壓及頻率為120V、6Hz時(shí)，零迎流角下，半球缺群1×1、4×3、3×4、4×4分別獲得41.35 mL/min、46.2mL/min、45.5mL/min及47.75mL/min的泵流量；同樣驅(qū)動(dòng)條件下，揚(yáng)程角為110°時(shí)，隨著迎流角θy由0°增加至45°，揚(yáng)程值增加至78.1mm；繼續(xù)增加θy至60°過程中，揚(yáng)程值較45°時(shí)減小、較0°時(shí)增加；當(dāng)θy增至90°時(shí)，泵揚(yáng)程趨于理論零值。

6、研究表明：半球缺群的流阻作用規(guī)律可以用來分析及預(yù)測(cè)泵流量；增加行數(shù)、列數(shù)或適當(dāng)增加列間距、縮小行間距均能提升泵送性能，且增加行數(shù)比增加列數(shù)能獲得更好的輸出效果；迎流角θy≤45°時(shí)，泵流量隨著迎流角的增加呈正相關(guān)性增加，并在θy≈45°時(shí)首次達(dá)到最佳泵送狀態(tài)。
　　半球缺具有很好的正、反向流動(dòng)阻力不等特性，作為無移動(dòng)部件閥置于泵腔中，即省去了泵腔外部的復(fù)雜管路結(jié)構(gòu)，也使泵腔內(nèi)部工藝簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)擴(kuò)大了流量范圍，泵的可調(diào)可控性