高性能压电泵的优化设计

农机使 用与维 修

2018年第7期

高性能压电泵的优化设计

张小忱，靳尧，姚景华,郑晓培(长春工程学院机电工程学院，长春130012)

摘要:设计了一款高性能的双作用压电泵，该压电泵采用了双晶片压电振子，其中压电振子受力均衡，不易损 坏，提高了系统的稳定性;相同条件下双晶片压电振子变形大，增加了压电泵的输出流量和压力，对压电泵的结 构进行了优化设计,使相关因素对效率的影响大大降低，提高了压电泵的性能。关键词：压电栗；高性能;优化设计中图分类号:TB472

文献标识码:A

压电陶瓷因为结构简单、输出高、响应迅速、没有电磁 干扰等特点，在多个领域内被广泛应用[1_5]。本文介绍了 一种具有变形量大和驱动力大特点的新型压电栗。

1压电泵结构

该压电泵用液体承载、传递能量，完成电能和机械能

的转化。结构见图1，主要由压电振子、截止阀、螺栓、压 电泵体和密封圈组成。该装置通电时，压电振子弯曲变 形,从而引起压电泵腔体容积发生变化（增大/减少），腔 体内的液体被吸人/排出。

图1

压电泵结构

2压电泵的原理

压电泵采用的压电振子为双晶片压电振子，单个压电

振子可以与泵体形成两个栗腔，上下各一个。压电振子发 生弯曲时，两侧的泵腔分别容积变大吸水和容积减小排 水。如图2所示,在交流电压下，压电泵不断重复此过程, 驱动液体完成连续定向运动,不断输出流量和压力。为了 提高输出性能,采用了 5个振子通过串联形成压电栗。

3压电泵结构的优化设计

压电泵的输出能力受多个影响因素共同作用。为了

doi： 10.14031 /j. cnki. njwx.2018.07.002

图2压电泵的工作原理

提高泵的输出，该压电泵优化了压电振子、截止阀、阀孔位 置和阀孔直径、孔距等因素。

压电振子是压电泵的能量转化元件，所以它的能力直 接决定了压电栗的输出性能。常用压电晶片如图3所示。 相同电压下，双晶片压电振子的变形大，输出能力更好，因 此该装置设计为双晶片压电振子。这种振子受力均衡，不 易损坏，提高了系统性能的稳定性;而且相同条件下双晶

片压电振子比单晶片压电振子的变形大，增加了压电泵的 输出流量和压力。

图3

压电振子的结构

压电泵工作过程中，截止阀控制液体的流动。阀的工 作方式、阀的类型、材质和结构都会影响压电栗的输出。 通过比较采用伞形橡胶截止阀。结构和安装方式如图4

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所示，将伞形阀的阀柄安装在泵体上，以固定阀的位置。 通过阀片的开闭来控制通过阀孔的水流。当阀片里侧的 压力强于外侧时，阀片会打开使流体通过阀孔并进人到下 一个腔体中；同理，若阀片里侧压力弱于外侧压力时，就会 压迫阀片使其紧贴在阀孔上，禁止液休流通：

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图4

伞形橡胶截止阀

压电泵腔体里的压力分布会随着阀孔位置的改变而 发生变动。压电泵开始工作，液体经阀孔轴向流进腔体, 然后径向平行于腔体流动，再经阀孔排出，因此可按径向 和轴向两个方向分析压电泵内的液体压力。如图5所示 为径向时腔体的压力分布，呈抛物线形状，越靠近振子中 心压力越大。而图6表示为轴向时腔体的压力情况，呈对 数形状，阀孔处压力较小，边缘处压力达到峰值。因为压 电振子采用周边固定支撑所以发生变形时中心处挠度最 大，对腔体体积的影响亦最大。可断定压电栗腔体内径向 压力的影响强于轴向压力。因此设计阀孔位置尽可能接 近振子的中心处，降低压力对振子的反作用力，减小振子 形变时的阻碍。

图5

径向出流腔体压力分布

阀孔的尺寸越大,位置越靠近阀片边缘，压电泵的流 量越大。但太过靠近阀片边缘，截止阀闭合时会无法完全 遮住孔径，发生图7中B位置所示的截止失效。根据以往 经验和试验检测，确定阀孔距离阀片外侧的最佳值是 1 mm。同样会出现截止失效的另一种情况如图7中A位 置所示，阀孔尺寸太大，截止阀过度变形致使产生倒流。 为了确定最佳的阀孔尺寸和足够的阀孔面积确保不影响

图6

轴向出流腔体压力分布

压电泵的输出能力，本文根据试验结果采用了 6个 1.7 mm直径的阀孔。

图7伞形橡胶截止阀失效图

压电泵的泵腔体积对泵的输出能力有很大的影响。 压电泵的输出流量与栗腔高度成正比，而输出压力与泵腔 高度成反比。所以泵腔高度的合理范围为0.3 ~0. 8

4结束语

本设计的压电泵采用双晶片压电振子串联而成，通过

伞形橡胶截止阀控制输出。同时优化影响因素，确定阀孔 的位置尽量靠近压电振子的中心，阀孔与阀片边缘距离 1 mm,阔孔直径1. 7 mm,泵腔高度0. 3 ~0. 8 mm,提高压 电泵的输出性能，增大工作效率。参考文献：

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