[00142244]脈動離心隔膜壓電泵

提出了基于離心力驅動的脈動隔膜壓電泵。對其工作原理進行分析,它利用不銹鋼管內的液體在離心力的作用下產生定向流動的特性來驅動泵腔中的隔膜產生形變,從而改變泵腔體積,借助單向閥實現液體的定向輸送。建立了壓電泵驅動部分的動力學模型,理論上得出泵驅動部分的振動頻率、離心力和振幅極限的計算表達式,并進行數值計算。對驅動部分進行有限元分析,模態分析得到彎曲振型和諧響應分析得到導納曲線。制作了原理樣機,測量了壓電泵的阻抗特性、脈沖特性、流量和壓力等性能,驗證了理論分析的正確性。設計并搭建了脈動離心隔膜壓電泵的驅動電路,其功能是實現壓電泵中不銹鋼管的快速起振和快速停止。分析了電路的工作原理以及電路各部分的作用,將快速起停電路利用到脈動離心隔膜壓電泵中,通過快速起振使不銹鋼管振幅快速增加,在較短的時間內達到最大振幅,快速完成吸液;利用快速停止使不銹鋼管振幅急速減小,快速完成排液,從而縮短單次抽液時間,增加流量,提高性能。 提出了壓電精密移液器,它是在脈動離心隔膜壓電菜的基礎上改裝而來,將壓電泵的單向閥去掉,換成移液槍頭,進行了精密移液和定量輸送流體的實驗測試。測試了移液器在不同電壓、不同規格移液槍頭和不同流體下的移液特性,并給出最大移液量和最小移液量。前期提出的脈動離心隔膜泵利用液體進行驅動耦合,而液體流動時存在內摩擦,不利于泵效率的提高。于是提出使用固體耦合的脈動離心泵,采用振動轉換裝置來協調壓電元件的高頻特性和單向閥的低頻特性。由一級振動體的累積振動以及抑制振動激發出二級振動體的諧振,帶動泵腔內的變形體產生往復形變,導致泵腔體積和壓力的變化。對該泵的驅動機制進行了有限元分析,使用頻率跟蹤電路來保證第一級振動體的諧振狀態和快速止振狀態。 我們發現除了單向閥的低頻特性會制約泵的性能提高以外,流體本身的滯后性和慣性也會限制壓電泵工作頻率的提升。提出了位于出入水口處的可壓縮腔緩沖結構,可有效地減輕剛性泵體的負載,增加單個周期內的輸出流量。建立了壓電振子和泵腔的耦合動力學模型,分析了諧振頻率、模態振型、應力分布和泵腔體積的變化。提出了兩端固支被動截止閥,分析了該單向閥的結構設計及工作原理并對該單向閥的開啟壓力、通流能力、反向截止特性等特性進行實驗評估。介紹了可壓縮腔緩沖結構的工作原理,并探討出壓電泵各單元的等效電路。對壓電泵樣機的位移、流量、背壓及功耗特性進行測試,并分析電壓及頻率對泵的輸出性能的影響關系。從實驗測試結果,解釋驗證不同泵腔薄膜材料、不同單向閥的厚度對壓電泵性能的影響。通過電路仿真軟件仿真分析了可壓縮腔結構對壓電泵工作性能的影響,并與實驗測試結果相對比,綜合驗證所設計的可壓縮腔結構的有效性。