張蕊華,　張建輝,　朱銀法,　李培遠

(1.麗水學(xué)院工程與設(shè)計學(xué)院　麗水，323000) (2.南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室　南京，210016)

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3D打印的錐管坡面腔底無閥壓電泵*

張蕊華1,張建輝2,朱銀法1,李培遠1

(1.麗水學(xué)院工程與設(shè)計學(xué)院麗水，323000) (2.南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室南京，210016)

摘要為提高無閥壓電泵的流量特性和解決泵加工工藝性差的問題，研制出了錐形流管坡面腔底無閥泵。首先，提出并設(shè)計了錐形流管坡面腔底無閥泵，分析了該泵的工作原理；然后，利用ansys軟件對泵腔內(nèi)流場做了模擬分析，分析結(jié)果表明該泵具有傳輸流體的能力；最后，利用3D打印技術(shù)制作了錐形流管坡面腔底無閥泵，并對泵的頻率-流量特性進行了試驗，驅(qū)動頻率為8 Hz時，錐形流管坡面腔底無閥泵的流量達到最大值26.8 ml/min，比相同尺寸坡面腔底無閥壓電泵在相同驅(qū)動電壓條件下輸出的最大流量增加了18.6%。試驗結(jié)果表明，錐形流管坡面腔底無閥泵的流量特性優(yōu)于坡面腔底無閥壓電泵，且采用3D打印技術(shù)制作壓電泵，提高了泵加工的工藝性，縮短了加工周期，降低了加工成本。

關(guān)鍵詞無閥壓電泵; 錐管; 坡面腔底; 流量; 3D打印

引言

無閥壓電泵是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，其動力源依靠壓電振子在交變電壓作用下產(chǎn)生的交變彎曲振動，促使泵腔容積變化，使泵吸入、吐出流體，從而達到傳輸流體的目的[1]。因其結(jié)構(gòu)簡單、易微小型化、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，受到了眾多研究者的關(guān)注。

目前，無閥壓電泵的結(jié)構(gòu)主要有:錐形流管無閥壓電泵[1-5]、熱粘性無閥壓電泵[6]、超聲無閥壓電泵[7-8]、兩腔和多腔體無閥壓電泵[9-11]、非對稱坡面腔底[12]及“Y”形流管等無閥壓電泵[13]等。其中，非對稱坡面腔底無閥壓電泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，將傳統(tǒng)的光滑腔底設(shè)計成非對稱坡面形狀，使泵具有傳輸流體能力的同時，還具有混合攪拌的功能，當(dāng)泵同時輸送多種液體時，在泵腔內(nèi)能進行充分的混合攪拌。該泵適合于醫(yī)療、化工等領(lǐng)域的液劑配比，應(yīng)用前景廣闊。但是該泵也有流量小、傳輸能力小的不足，不能滿足大流量的應(yīng)用場合。

為了進一步提高泵的流量特性，筆者對傳統(tǒng)非對稱坡面腔底無閥壓電泵的結(jié)構(gòu)進行了改進，將坡面腔底和錐形流管(簡稱錐管)組合在一起(即在泵腔兩端增設(shè)了一對同向放置的錐形流管)形成一個新型錐形流管坡面腔底無閥泵。

3D打印技術(shù)是快速成型領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，它不需要傳統(tǒng)加工手段使用的刀具、夾具以及多道加工工序，利用三維設(shè)計數(shù)據(jù)在一臺設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，解決了許多過去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工問題，大大縮短了加工周期，而且越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其制造的速度作用越顯著。該技術(shù)一出現(xiàn)就取得了快速的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)、航天技術(shù)、建筑業(yè)、制造業(yè)、考古文物等各個領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用[14-15]。

筆者研究的新型泵的結(jié)構(gòu)工藝性差，腔底楔塊為坡面，且與腔底和錐管為一體，用傳統(tǒng)加工技術(shù)制造很難實現(xiàn)，其加工周期很長、成本很高。而采用3D打印技術(shù)制作體積小的單件、少量的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的新型泵樣機結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢，很容易實現(xiàn)，制作時間短(用時約100 min)、成本低，易于微小型化。

筆者分析了該新型泵的工作原理，對其進行了流場分析，研制了錐管坡面腔底無閥壓電泵，并對泵的流量特性進行了試驗。

1泵結(jié)構(gòu)與工作原理

錐管坡面腔底無閥壓電泵的結(jié)構(gòu)主要包括壓電振子、泵體、泵腔、一組非對稱坡面楔塊、一對同向布置的方形截面錐管和導(dǎo)管等，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。泵腔內(nèi)非對稱坡面楔塊和方形截面錐管共同起到了迫使流體單向流動的作用，如圖2所示。

圖1　錐管坡面腔底無閥壓電泵Fig.1　　　　Valveless piezoelectric pump with taper pipe slopes element

圖2　泵體圖Fig.2　Schemes of pump cavity

圖3　壓電振子半周期振動的工作示意圖Fig.3　　　　Working schematic of piezoelectric vibrator in a half cycle of vibration

壓電振子在交變電壓作用下產(chǎn)生振動，在半個周期內(nèi)，壓電振子從平衡位置向上運動時泵腔內(nèi)容積增大，壓力降低，導(dǎo)管A，B同時吸入流體。流體流經(jīng)錐管A，B后進入泵腔。當(dāng)壓電振子從最高點向下運動回到平衡位置時泵腔容積減小，壓力增大，迫使流體通過錐管A，B同時從導(dǎo)管A，B排出(見圖3)。壓電振子的振動引起泵腔容積周期性變化，迫使泵腔內(nèi)流體吸入和排出的流動，因流體從左向右流經(jīng)錐管和坡面楔塊時的流阻與從右向左流經(jīng)錐管和坡面楔塊時的流阻不同，從而宏觀上呈現(xiàn)出流體從A端向B端流動，實現(xiàn)了泵的流體傳輸功能。

2泵單向流動原理

在泵的每個吸排程周期內(nèi),錐管和每個楔塊都要經(jīng)過一次從左向右流動和從右向左流動的過程。以泵腔右端為例，如圖4所示。

圖4　泵腔內(nèi)流體流向示意圖Fig.4　　　　A schematic view of the fluid flow in the pump chamber

當(dāng)泵從A端吸入流體時，流體首先流過錐管A(擴張管)進入泵腔，此時，由于楔塊坡面角度90°，流體被阻擋后，遂從楔塊兩端與泵腔內(nèi)壁之間的間隙C流入泵腔內(nèi)部。若忽略壁面的摩擦，且間隙C的尺寸足夠大(非狹小縫隙)，流體流過錐管A(擴張管)和m個間隙C時總壓強損失ΔPL的表達式為

(1)

其中：ΔPAK為流體流經(jīng)擴張錐管時的壓強損失；ΔPni(c)為流體流經(jīng)第i個間隙C時的壓強損失，i=1,2,…，m。

流體局部壓強損失ΔP的表達式為

(2)

其中：ρ為流體密度；ν為平均速度；ξ為流阻系數(shù)。

將式(2)帶入式(1)有

(3)

其中：ξAK為流體流經(jīng)擴張管時的流阻系數(shù)；ξni(c)為流體流經(jīng)第i個間隙時流阻系數(shù)。

令流體從右向左流入泵腔時的總流阻系數(shù)為ξL，其表達式為

(4)

當(dāng)泵從A端排出流體時，由于楔塊坡面角度α1小于90°，一部分流體能夠從角度α1的楔塊坡面流過，另一部分流過間隙C，最后通過錐管A(收縮管)排出泵體。流體流經(jīng)角度α1的楔塊坡面、m個間隙C和收縮錐管A時總的壓強損失ΔPR表示式為

(5)

其中：ΔPAS為流體流經(jīng)收縮錐管A時的壓強損失；ΔPei(c)為流體上行流經(jīng)第i個角度α1的楔塊坡面時的壓強損失，i=1,2,…，m。

同理，將式(2)帶入式(5)整理可得

(6)

其中：ξAS為流體流經(jīng)收縮錐管A時的流阻系數(shù)；ξei(α1)為流體流經(jīng)第i個角度α1的楔塊坡面時的流阻系數(shù)。

令流體從右向左流出泵腔時的總流阻系數(shù)為ξR，其表達式為

(7)

壓電泵的流量是流體從同一端吸入和排出流量的差值。根據(jù)文獻[6]，錐管坡面腔底無閥壓電泵在半個振動周期內(nèi)的流量可以近似的表達式為

(8)

其中：f為壓電振子的振動頻率；ΔV為振子運動半周期泵腔容積的變化量。

由式(4)和式(7)聯(lián)立可知

(9)

將式(9)帶入式(8)可得Q≠0，即流體從A端吸入和排出的流量不相等，說明泵中的流體產(chǎn)生了單一方向的流動，使泵具有了輸送流體的功能。

為了使泵在吸入和排出流體時的流阻不同，實現(xiàn)流體的單一方向的流動，利用流體流經(jīng)收縮管和擴張管的流阻不同的原理，將泵的入口管道設(shè)計成錐形，并且將一對錐管在泵的兩側(cè)同向放置，同時將楔塊的兩側(cè)面設(shè)計成不同角度，使流體從左向右和從右向左流過楔塊時的流阻不同，即錐管和坡面腔底的結(jié)構(gòu)形狀使泵具有了傳輸流體的功能。

3流場模擬仿真

圖5是錐管坡面腔底無閥壓電泵速度矢量圖。

圖5　壓電泵速度流線圖Fig.5　Velocity streamline pattern of piezoelectric pump

壓電泵的1個工作周期包括2個部分：排程和吸程，振子從最高點經(jīng)過中間位置運動到最低點的過程為排程，從最低點經(jīng)過中間位置運動到最高位點的過程為吸程。圖5中運用Ansys12中Fluent12.0模塊來對泵腔流場進行模擬，工作介質(zhì)為水(密度為0.9982 g/ml，動力黏度為6.018×10-2kg/(m·min)) ，工作溫度為20 ℃，進出口壓力值都為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，驅(qū)動頻率為20 Hz，振子最大振幅為0.08 mm，泵腔直徑為40 mm，楔塊坡面角度為α1=30°，矩形截面錐管尺寸：L=14.7 mm，e=4 mm，h=2 mm，錐度1∶3.6。

由圖5可知，在壓電振子的一個運動周期內(nèi)，無論是吸程還是排程，泵腔左半部分流體的渦旋都要比右半部分流體形成的渦旋強烈，流速更加湍急。根據(jù)伯努利方程：流體等高流動時，流速大、壓力小的原理可知，泵腔右邊的壓力高于左邊的，因此流體就會從右邊流向左邊，宏觀上形成了泵內(nèi)流體的單向流動，從而使泵具有了傳輸流體的功能。

由于通流截面積的突然改變，流體在錐管和泵腔的交界處，以及在楔塊周圍都產(chǎn)生了復(fù)雜的渦旋流場，使進入泵腔的流體能夠進行充分的混合攪拌，該特性可使泵在同時傳輸兩種或多種流體的過程中，能夠?qū)ζ溥M行充分的混合攪拌，該泵集傳輸和攪拌功能于一體，拓展了泵的應(yīng)用范圍。

4試驗驗證

試驗中使用的壓電泵樣機零件全部由MBot Cube桌面3D打印機打印，使用PLA環(huán)保材料(見圖6),其壓電振子參數(shù)如表1所示。

圖6　泵體3D打印Fig.6　Pump body 3D printing

基片直徑瓷片直徑基片厚度總厚度50.0±0.125.0±0.30.20±0.030.40±0.05

錐管坡面腔底無閥壓電泵樣機及其流量測試系統(tǒng)見圖7。試驗泵的幾何參數(shù)和介質(zhì)參數(shù)與模擬分析時一致。為減小壓電泵的振動噪聲，用正弦波作為壓電泵的驅(qū)動信號，電壓峰峰值為600 V。

圖7　錐管坡面腔底無閥壓電泵流量測試系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.7　　　　Photographs of valveless piezoelectric pump with taper pipe slopes element flow rate experiment

為了驗證研制泵傳輸流體的能力，測試了泵頻率-流量特性并得到了試驗曲線，如圖8所示。從圖8中可以得到，在相同條件下坡面腔底泵在驅(qū)動頻率為7 Hz時流量達到最大值22.6 ml/min，錐管坡面腔底泵在驅(qū)動頻率為8 Hz時流量達到最大值26.8 ml/min，比前者增加了18.6%。另外，坡面腔底泵在驅(qū)動頻率達到10 Hz之后不再有流體輸出，而錐管坡面腔底泵在頻率達到18 Hz之前，一直都有流體輸出?？梢姡F管坡面腔底泵的頻率-流量特性明顯優(yōu)于坡面腔底泵。

圖8　壓電泵的頻率-流量特性曲線圖Fig.8　Curve of driving frequency vs flow rate

5結(jié)束語

筆者對傳統(tǒng)坡面腔底無閥壓電泵進行了改進，提出了并研制了一種新型錐管坡面腔底無閥壓電泵樣機。采用有限元法對錐管坡面腔底無閥壓電泵進行了流場模擬分析，得到了一個周期內(nèi)的錐管坡面腔底無閥壓電泵泵腔內(nèi)部流場流速圖，分析結(jié)果表明該泵具有單向傳輸流體的能力。對該泵的頻率-流量特性進行了試驗測試。當(dāng)驅(qū)動頻率為8 Hz時，泵的流量達到最大值26.8 ml/min，比相同條件下坡面腔底無閥壓電泵輸出的最大流量增加了18.6%。試驗結(jié)果表明，該泵不僅可以傳輸流體，而且其傳輸流體的能力要優(yōu)于坡面腔底無閥壓電泵。

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E-mail：zhangrh_hit@sina.com

doi:10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.02.028

收稿日期：2015-06-16；修回日期：2015-09-18

中圖分類號TH38; TN384

第一作者簡介：張蕊華，女，1970年4月生，博士、副教授。主要研究方向為壓電驅(qū)動技術(shù)和金屬橡膠技術(shù)。曾發(fā)表《金屬橡膠高壓精密流量閥流場分析》(《振動、測試與診斷》2013年第33卷第1期)等論文。

*國家自然科學(xué)基金資助項目(51375227) ；江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(LY14E050002)