基于矩形压电振子间接驱动式隔膜泵的研究

【摘要】随着微机电系统技术的发展，压电泵凭借其结构简单、易于微型化等特点得到了广泛的研究和应用。压电隔膜泵是众多压电泵中最典型的一种，人们通过先进的设计理念和制造工艺对它进行优化，使压电隔膜泵的稳定性和输出性能不断完善和提高。在工业生产领域中压电隔膜泵的实际应用日趋广泛，但是特殊应用场合对压电隔膜泵的外形尺寸和输出性能同时提出了更高的要求。本文结合国家自然科学基金项目《压电型气体隔膜泵设计理论与关键技术研究》的研究，借鉴前期利用共振原理提高压电隔膜泵输出性能的研究成果，并采用较厚的矩形压电陶瓷制作压电振子，提高了压电振子的输出位移。由矩形压电振子通过传振块间接驱动泵腔隔膜，简化了振动系统的结构。本文根据矩形压电陶瓷的横向振动模态制作两端固定的矩形压电振子，基于Ansys的压电耦合场对压电振子的振动模态进行了仿真分析。两端固定的矩形压电振子与周边固定的圆形压电振子相比约束减小，增大了其中心输出位移，进而提高压电隔膜泵泵腔的容积变化量。矩形基板两端未粘接压电陶瓷部分刚度相对较小而变形大，基板几何中心粘接陶瓷部分由于刚度较大而变形较小，这样的结构保护了陶瓷。通过实验研究驱动电压和工作频率与矩形压电振子中心振幅的关系，分析矩形压电振子的位移输出特性。泵腔结构对压电隔膜泵的输出压力和流量有直接的影响，本文通过降低泵腔横截面积和优化隔膜结构来提高隔膜泵的输出性能。应用板壳理论分析计算压电隔膜泵无负载情况下隔膜的挠度，并利用matlab计算泵腔的容积变化量对隔膜进行优化设计。压电隔膜泵的输出性能与隔膜刚度的关系实验，验证了相同驱动条件下较小刚度隔膜的振幅较大，在输出流量和压力方面有明显优势。为了简化压电隔膜泵的结构，本文选用悬臂梁截止阀。建立悬臂梁阀的振动模型，对阀的开度进行分析。悬臂梁阀片的运动近似于单自由度系统在简谐激励下的振动，存在特定的工作频率使阀的开度达到极大值。压电隔膜泵的输出性能与悬臂梁阀的开度密切相关。通过悬臂梁阀的开度实验研究它的工作状态，找到悬臂梁阀的最佳工作频率，提高压电隔膜泵的输出性能。建立压电隔膜泵系统的振动模型，分析计算系统的谐振频率。通过调整振动系统的质量和刚度力求研制一款谐振频率较低的压电隔膜泵样机。对共振状态下的隔膜泵进行泵气性能测试，实验结果呈现出一个重要的现象，在悬臂梁阀的最佳工作频率附近虽然隔膜的振幅在持续下降，但隔膜泵的流量和输出压力却同时出现升高。这说明悬臂梁阀的最佳工作频率对隔膜泵的性能影响是不容忽视的，可以进一步调整隔膜泵的谐振频率或者改变阀的最佳工作频率，使两者接近相等，提高隔膜泵的输出性能。
【作者】王建涛；
【导师】杨志刚；
【作者基本信息】吉林大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】矩形压电振子；谐振频率；压电隔膜泵；悬臂梁阀；

【参考文献】
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