無閥壓電泵因結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)構(gòu)磨損、泵送精度高以及無電磁干擾等特點(diǎn),在燃料進(jìn)給、生物醫(yī)學(xué)、MEMS等技術(shù)領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用前景。然而,無閥壓電泵在工作吸水時(shí)存在嚴(yán)重的回流現(xiàn)象,極大削弱了泵送流量水平,使其應(yīng)用維度受限。因此,本文提出設(shè)計(jì)一種通過削弱回流液體能量來抑制無閥壓電泵回流現(xiàn)象,從而實(shí)現(xiàn)較高流量輸出的新式無閥壓電泵。通過對(duì)無閥壓電泵研究背景及現(xiàn)狀的分析,發(fā)現(xiàn)對(duì)開發(fā)高流量無閥泵的研究重點(diǎn)多落于提升結(jié)構(gòu)對(duì)流體的流阻能力上,少有著手解決回流問題。本文從壓電泵相關(guān)基本理論著手,研究了壓電泵用驅(qū)動(dòng)元件的振動(dòng)模態(tài)與諧振特性,推導(dǎo)了由壓電振子引起的壓電泵泵腔容積變化量的理論公式;提出通過削弱回流液體能量的方式,來實(shí)現(xiàn)對(duì)無閥壓電泵回流現(xiàn)象的抑制,并基于流體力學(xué)和能量守恒定律驗(yàn)證了該方案的可行性。提出了實(shí)現(xiàn)對(duì)回流液體能量削弱的非對(duì)稱導(dǎo)流體與雙出口結(jié)構(gòu),并對(duì)其正向泵送流體和反向抑制回流的作用原理進(jìn)行了闡述。遵循所提出的抑制回流方案,設(shè)計(jì)了基于非對(duì)稱導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的雙出口無閥壓電泵的整體結(jié)構(gòu)。分析研究了影響該泵輸出性能的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)管距和尾距,并結(jié)合流體公式推導(dǎo)了該參數(shù)與回流液體能量之間的關(guān)系。通過仿真對(duì)新結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件和流場環(huán)境作了模擬與分析,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性,并結(jié)合理論推測(cè)了結(jié)構(gòu)重要參數(shù)的選取范圍。研制了多組參數(shù)范圍內(nèi)的試驗(yàn)樣機(jī),并搭建了測(cè)試平臺(tái)對(duì)樣機(jī)的輸出流量進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明,不同參數(shù)的試驗(yàn)樣機(jī)在輸出流量上,呈現(xiàn)出隨著回流液體能量變化而變化的趨勢(shì);在管距和尾距分別為8.2 mm和2.0 mm,也就是結(jié)構(gòu)對(duì)回流液體能量削弱最大時(shí),樣機(jī)泵的輸出流量能達(dá)到最大的167.8 mL/min,符合此參數(shù)下能量削弱最大的仿真預(yù)期。對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)類型無閥壓電泵的輸出流量水平,發(fā)現(xiàn)本文所提出的基于非對(duì)稱導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的雙出口無閥壓電泵無論在輸出總量上,還是單位驅(qū)動(dòng)面積的輸出上都具有優(yōu)勢(shì),證明了本研究所提出的通過削弱回流液體能量來抑制無閥壓電泵回流的方法是有效的,由此設(shè)計(jì)的帶導(dǎo)流體的雙出口無閥壓電泵具有較高的流量輸出水平。文中所作出的理論和仿真等相關(guān)研究工作可為此類無閥壓電泵參數(shù)的設(shè)計(jì)提供參考。
【學(xué)位單位】：長春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH38
【部分圖文】：

項(xiàng)目“基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)故障預(yù)報(bào)與最優(yōu)維護(hù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：61374138）的資助下完成。1.2 論文研究背景及意義由于現(xiàn)代科技的需要，應(yīng)用于流體傳輸設(shè)備的發(fā)展趨向于微型化，尤其在生物醫(yī)療、植物培育、燃料供給、小型設(shè)備水冷和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等方面對(duì)流體輸送裝置提出了更高的要求。得益于機(jī)械、材料等學(xué)科的進(jìn)步，學(xué)者們相繼提出了有別于傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的記憶合金驅(qū)動(dòng)泵、熱驅(qū)動(dòng)泵、靜電作動(dòng)泵、壓電驅(qū)動(dòng)泵等各類微型泵。其中，以高能量密度的壓電智能材料作為動(dòng)力源的壓電泵，因具有可控性高、響應(yīng)速度快、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而備受學(xué)者們關(guān)注。同時(shí)，壓電泵以壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)為基礎(chǔ)，所設(shè)計(jì)的壓電致動(dòng)模塊既是動(dòng)力源又可作為泵體本身，結(jié)構(gòu)整體集成微型化潛力很高，結(jié)合壓電材料本身優(yōu)秀的散熱和較高的機(jī)電耦合系數(shù)，使壓電泵一經(jīng)出現(xiàn)便成為了微泵領(lǐng)域的代表性驅(qū)動(dòng)器之一，并被成功應(yīng)用于航空航天、芯片冷卻、燃料供給、生物醫(yī)療等設(shè)備中。

使得流體被輸送出去的壓電泵被稱作壓電容積泵（如圖1.2a）[4]；利用壓電振子高頻運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的超生波，直接將流體泵出的壓電泵被稱為壓電超生泵（如圖 1.2b）[5]。圖 1.2 兩類不同的壓電泵結(jié)構(gòu)圖在多層次的拓展和應(yīng)用下，壓電容積泵一經(jīng)誕生就成為領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)，它由

第 1 章 緒 論驅(qū)動(dòng)件、閥體、腔體等組成。根據(jù)驅(qū)動(dòng)件的不同，可分為壓電振子型壓電堆型壓電泵，而在采用壓電振子驅(qū)動(dòng)的壓電泵中又有壓電單晶片壓電泵和壓電泵；根據(jù)腔體型式的差異，壓電容積泵里又有單腔壓電泵和多腔壓電壓電泵中又有串聯(lián)多腔壓電泵和并聯(lián)多腔壓電泵等類別。此外，根據(jù)閥體，壓電容積泵也可分為有閥壓電泵和無閥壓電泵，在有閥壓電泵中又存在泵和被動(dòng)閥壓電泵兩大閥體結(jié)構(gòu)的壓電泵型式；而在無閥壓電泵中，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可分為外置流管結(jié)構(gòu)的無閥壓電泵和內(nèi)置幾何體結(jié)構(gòu)的無
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本文編號(hào)：2847014