磁力弹簧式共振型压电气泵研究

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气体隔膜泵是一种小型的流体泵,近年在医药生物、精细化工、航空航天、微机电系统等领域得到了广泛的应用。目前市场上的气体隔膜泵主要有利用电机凸轮机构驱动的电磁隔膜泵和利用压电振子驱动的压电隔膜泵两大类,电磁隔膜泵在实际应用过程中会存在结构复杂、成本高、噪声大等问题;而压电隔膜泵则存在容积变化率低、压电振子过热、易碎裂、易退极化等问题。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》(项目编号:50735002)的研究,首次提出将磁力弹簧用于构造共振泵,研究了相关理论与技术问题。将磁力弹簧用于共振气泵研究的优点是它可以增加泵体的容积变化率,还可以使系统结构简化、降低噪音并且增加系统的可靠性和稳定性,最重要的是可通过调整磁力弹簧的轴向间隙来改变机械系统的刚度,进而十分方便的调整整个机械系统的共振频率。压电振子是磁力弹簧共振泵的核心部件,为整个共振系统提供激励。本文采用的压电振子是环形压电陶瓷与环形基板利用环氧树脂粘接而成,将压电振子作为磁力弹簧共振泵激振体的一部分,对其进行仿真,通过激振体的模态分析和谐响应分析,确定了压电振子的最终结构参数。利用磁荷观点对磁力弹簧的轴向力进行理论推导,并且通过划分单元格,采用离散求和的方法和并结合matlab编程计算了磁力弹簧的轴向力和轴向间距的关系,然后利用曲线拟合的方法求出其关系式,得出磁力弹簧的轴向刚度和轴向间距的关系。并且通过设计试验对所用磁力弹簧的轴向力进行了测量,同样利用对拟合曲线求导的方法得出轴向刚度和轴向力的关系。对磁力弹簧式共振气泵的工作原理进行了介绍,对共振体的工作原理进行定性的分析,分析了磁力弹簧对整个激振体的作用;并设计了主要部件,建立了激振体部分的动力学模型,得到影响激振体位移的因素;对主要部件的刚度进行了计算;利用精密阻抗分析仪和激光测微仪分别对激振体的共振频率和激振体的位移进行测量,得到激振体的共振频率与磁力弹簧轴向间距的关系,并与压电振子中心点的位移量进行了比较,得出共振泵激振体的位移放大倍数。对磁力弹簧式共振泵泵体的基本结构和工作过程进行详细的介绍,利用板壳理论对泵体隔膜进行了优化,最终确定了隔膜的结构参数;详细分析腔体的容积变化率、流体流态以及阀的滞后性对泵性能的影响;设计性能测试装置,并以测试结果为依据又选则了阀的阀堵直径、悬臂宽度,腔体高度以及阀座的预紧高度,最终确定共振泵泵体最佳结构参数。分析了导致压电振子在竖直方向扭转的原因,由于加工误差的存在,实际上共振泵中磁力弹簧的轴向刚度与理论计算值不太一致,磁力弹簧的两磁铁在轴向上并不是完全同心的,这样就会在原来只有一个轴向力的基础上额外的产生一个径向力,径向力和轴向力会对与悬浮磁铁相连接的压电振子产生力矩,随着轴向间隙的减小,径向力越来越大,两环形磁铁偏心越来越严重。因此磁力弹簧的实际轴向刚度要比理论计算值要小,而径向刚度则会增加。磁力弹簧共振泵成功的关键在于磁力弹簧轴向刚度的控制、增加压电振子的激励以及提高压电振子激励的利用效率。磁力弹簧轴向刚度的控制可以借鉴磁悬浮列车以及磁力轴承所取得的研究成果;增加压电振子的激励的关键在于寻求具有优质性能参数的压电陶瓷来制作压电振子;而提高压电振子激励的利用效率则必须通过完善共振泵结构设计来实现。
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