【摘要】：壓電隔膜泵輸送液體精度高且響應(yīng)速度快,其自身結(jié)構(gòu)緊湊易實(shí)現(xiàn)微型化,具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的壓電隔膜泵利用與泵體周邊密封安裝的壓電振子直接驅(qū)動(dòng)流體工作,而周邊夾持的安裝方式會(huì)限制壓電振子的變形,使壓電隔膜泵很難獲得較大的泵腔容積變化量。共振原理的應(yīng)用為提高壓電隔膜泵泵腔容積變化量提供了解決方案。共振型壓電隔膜泵將壓電致動(dòng)器與泵腔隔膜分離,利用共振原理將壓電致動(dòng)器的振動(dòng)位移放大后驅(qū)動(dòng)泵腔隔膜。國(guó)外研究的共振型壓電隔膜泵主要采用壓電疊堆為致動(dòng)器,發(fā)揮壓電疊堆輸出力大的優(yōu)勢(shì)。但壓電疊堆的制造工藝相對(duì)復(fù)雜,成本高體積大,損壞后一次性更換成本較高。國(guó)內(nèi)對(duì)共振型壓電隔膜泵的研究起步較晚,但近些年有關(guān)研究逐漸增多,主要采用形式多樣的晶片式壓電振子作為共振型壓電隔膜泵的驅(qū)動(dòng)單元。本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《壓電型氣體隔膜泵設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》(項(xiàng)目編號(hào):51175213)開展研究,提出一種基于柔性支撐的壓電共振泵(下文簡(jiǎn)稱“共振泵”),采用周邊柔性支撐的方形壓電振子作為共振泵的驅(qū)動(dòng)單元,并利用共振原理將方形壓電振子的振動(dòng)位移放大后驅(qū)動(dòng)泵腔隔膜。研究提高共振泵輸送液體的流量和壓力以及長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性的有效方法,論文主要內(nèi)容如下:1、共振泵用方形壓電振子的研究綜合分析常用壓電振子的優(yōu)勢(shì)和不足,提出一種柔性支撐的方形壓電振子。方形壓電振子基板的周邊采用鏤空設(shè)計(jì)并采用獨(dú)特的四角固定的安裝方式,進(jìn)而形成一種柔性支撐的結(jié)構(gòu),提高方形壓電振子剛度調(diào)整的靈活性并降低其振動(dòng)約束。建立方形壓電振子在幾何中心等效集中力作用下的剛度計(jì)算模型,結(jié)合有限元仿真分析研究方形壓電振子中心的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)輸出特性,優(yōu)化方形壓電振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過輸出位移、輸出力和諧振頻率等測(cè)試試驗(yàn),驗(yàn)證方形壓電振子的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)輸出性能。2、共振泵用輪式閥的研究共振泵工作在特定的共振頻率附近,選擇一種在特定工作頻率下性能突出的被動(dòng)截止閥至關(guān)重要。分析常用被動(dòng)截止閥的工作特性,確定本文研究的共振泵采用輪式閥結(jié)構(gòu)。分析輪式閥的動(dòng)態(tài)工作過程,建立碰撞振動(dòng)情況下輪式閥的運(yùn)動(dòng)模型。根據(jù)平板縫隙流理論推導(dǎo)計(jì)算輪式閥的理論流量,并利用Matlab對(duì)流量公式進(jìn)行求解,得到以輪式閥的剛度和工作頻率為變量的輪式閥流量曲線。選用不同剛度的輪式閥制作壓電隔膜泵樣機(jī),測(cè)試各樣機(jī)的輸出性能,并結(jié)合輪式閥理論流量的分析結(jié)果研究輪式閥剛度對(duì)特定工作頻率下輪式閥工作性能的影響。3、共振泵振動(dòng)系統(tǒng)的建模與分析壓電振子的振動(dòng)位移較小,直接作用到泵腔隔膜后很難獲得理想的泵腔容積變化量。本文將方形壓電振子與泵腔隔膜通過彈片式傳振塊連接,為共振泵構(gòu)造了一個(gè)兩自由度的壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。建立共振泵振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,通過調(diào)整彈片式傳振塊的質(zhì)量和剛度來優(yōu)化振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)。最后制作共振泵振動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試樣機(jī),通過試驗(yàn)研究共振泵振動(dòng)系統(tǒng)的幅頻特性。4、共振泵性能的試驗(yàn)研究根據(jù)理論分析結(jié)果制作共振泵樣機(jī),并通過輸出流量和輸出壓力測(cè)試試驗(yàn)對(duì)共振泵性能進(jìn)行研究分析,近一步優(yōu)化共振泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。合理的泵腔和流道結(jié)構(gòu)都會(huì)影響共振泵的輸出性能,通過試驗(yàn)測(cè)試的方法找到共振泵的最佳腔高,同時(shí)采用導(dǎo)流槽和緩沖腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化共振泵的泵腔結(jié)構(gòu)和流道系統(tǒng),提高共振泵的輸出性能。5、壁面浸潤(rùn)性優(yōu)化共振泵工作穩(wěn)定性的研究長(zhǎng)期穩(wěn)定在共振狀態(tài)下工作是保證共振泵高性能工作的前提。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于共振泵的振幅較大,泵腔中的液體在泵腔隔膜劇烈的振動(dòng)沖擊下很容易產(chǎn)生氣泡,這些氣泡會(huì)嚴(yán)重干擾共振系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。為了降低共振泵流道系統(tǒng)中氣泡的危害,研究提升共振泵工作穩(wěn)定性的方法,本文通過試驗(yàn)研究液體中氣泡與不同浸潤(rùn)性壁面之間的作用關(guān)系,將壁面浸潤(rùn)性原理應(yīng)用到共振泵的流道系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn),測(cè)試不同的浸潤(rùn)性壁面對(duì)共振泵輸出性能的影響,尋求抑制氣泡產(chǎn)生和快速高效排出流道系統(tǒng)中氣泡的解決方法,提高共振泵長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH38
【圖文】：

相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，制成具有不同功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的壓電隔膜泵。1.2.1 國(guó)外壓電隔膜泵的研究現(xiàn)狀關(guān)于壓電隔膜泵最早的研究文獻(xiàn)發(fā)表于 1975 年，美國(guó)學(xué)者 L. Thomas Jr 等人將兩個(gè)圓形壓電振子上下對(duì)稱布置構(gòu)成一個(gè)密閉泵腔，兩個(gè)圓形壓電振子在交流電驅(qū)動(dòng)下相向運(yùn)動(dòng)，與單個(gè)壓電振子相比可以實(shí)現(xiàn)更大的泵腔容積Y 化量。并采用電磁式主動(dòng)閥制作壓電隔膜泵的進(jìn)出口單向閥[38]。工作過程如圖 1.3 所示，壓電隔膜泵的入口閥和出口閥近似為一個(gè)兩位三通的電磁換向閥，與壓電振子配合往復(fù)動(dòng)作。在 Vpp=150V 的正弦波電壓驅(qū)動(dòng)下，工作頻率為 60Hz 時(shí)每個(gè)工作周期可以實(shí)現(xiàn) 1μl 的精密液體輸送，輸出壓力最大可達(dá) 16kPa。治療糖尿病的胰島素泵要便于隨身攜帶且能定時(shí)定量輸送藥物給患者，研究人員應(yīng)用上述結(jié)構(gòu)的壓電隔膜泵制作了如圖 1.4 所示的小型胰島素泵。將胰島素泵首先對(duì)動(dòng)物進(jìn)行了活體試驗(yàn)，獲得成功之后將其應(yīng)用于人體，試驗(yàn)證明其控制血糖效果明顯。

相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，制成具有不同功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的壓電隔膜泵。1.2.1 國(guó)外壓電隔膜泵的研究現(xiàn)狀關(guān)于壓電隔膜泵最早的研究文獻(xiàn)發(fā)表于 1975 年，美國(guó)學(xué)者 L. Thomas Jr 等人將兩個(gè)圓形壓電振子上下對(duì)稱布置構(gòu)成一個(gè)密閉泵腔，兩個(gè)圓形壓電振子在交流電驅(qū)動(dòng)下相向運(yùn)動(dòng)，與單個(gè)壓電振子相比可以實(shí)現(xiàn)更大的泵腔容積Y 化量。并采用電磁式主動(dòng)閥制作壓電隔膜泵的進(jìn)出口單向閥[38]。工作過程如圖 1.3 所示，壓電隔膜泵的入口閥和出口閥近似為一個(gè)兩位三通的電磁換向閥，與壓電振子配合往復(fù)動(dòng)作。在 Vpp=150V 的正弦波電壓驅(qū)動(dòng)下，工作頻率為 60Hz 時(shí)每個(gè)工作周期可以實(shí)現(xiàn) 1μl 的精密液體輸送，輸出壓力最大可達(dá) 16kPa。治療糖尿病的胰島素泵要便于隨身攜帶且能定時(shí)定量輸送藥物給患者，研究人員應(yīng)用上述結(jié)構(gòu)的壓電隔膜泵制作了如圖 1.4 所示的小型胰島素泵。將胰島素泵首先對(duì)動(dòng)物進(jìn)行了活體試驗(yàn)，獲得成功之后將其應(yīng)用于人體，試驗(yàn)證明其控制血糖效果明顯。

第 1 章 緒論液體時(shí)，最大流量可達(dá) 200ml/min。同年，美國(guó)學(xué)者 Spencer 等人采用矩形壓振子制作進(jìn)出口主動(dòng)閥，將圓形壓電振子與泵體周邊密封制成單腔壓電隔膜泵]，結(jié)構(gòu)如圖 1.6 所示。使用該泵輸送胰島素藥液并由外部驅(qū)動(dòng)電路控制圓形壓振子和進(jìn)出口閥的工作頻率，通過試驗(yàn)測(cè)得該泵單個(gè)周期的液體排量為.94μl，最高輸出壓力為 13kPa。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 張芷菁;王葳;陳信元;;胰島素注射用壓電微泵的性能研究[J];中國(guó)醫(yī)療器械雜志;2015年01期

本文編號(hào)：2794991