压电泵用截止阀设计与性能测试

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压电泵根据是否带有截止阀分为有阀压电泵和无阀压电泵1 ，其中有阀压电泵又可分为主动阀压电泵和被动阀压电泵，主动阀压电泵因需要额外的阀控制单元使压电泵系统变得复杂而限制了发展；无阀压电泵是通过进出口的几何形状来实现流体的单向流动，但因没有被动截止阀的存在，输出流量和输出压力均受到了很大的限制。从查阅国内外有关压电泵发展的文献来看，被动阀压电泵因能提供较大的输出性能而得到了快速的发展。

由于压电泵是利用压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生变形，再由变形产生泵腔的容积变化实现流体输出，因此压电泵的输出性能受泵的压缩比 、 (单个冲程压电振子振动使腔体容积产生变化量 △ 与泵腔体初始容积 的比值)影响较大，过小压缩比会使压电泵截止阀打不开而不能工作。由于压电振子振动产生变形量非常小，这导致泵腔的初始容积也很校压电泵被动截止阀由于受泵腔初始容积的限制，几何尺寸也不宜过大，通常都以薄片式截止阀作为压电泵用阀。

本研究对通过压电泵用阀的设计要求和工作条件进行分析与阐述，设计出适用于压电泵的被动截止阀，并通过试验测试和实际应用，检验所设计截止阀的优劣程度。

1 压电泵被动截止阀的设计理论1.1 压电泵被动截止阀的设计要求在压电泵截止阀设计过程中，为提高阀的工作性能，应主要考虑如下因素：(1)响应特性要求 阀安装在压电泵的进出口位置，在压电振子振动作用下，腔体容积发生变化，当泵腔容积增大时，进口位置的截止阀打开，出口位置的截止阀关闭，流体进入泵腔；泵腔容积减小时，进口阀关闭，出口阀打开，流体泵出，如此往复完成流体输送功收稿El期：2013-03-20基金项目：国家 自然科学基金资助项 目(51175213)；吉林省教育厅十二五”科学技术研究项 目(2012286)；吉林市科技发展计划资助项 目(201112208)作者简介：孙晓锋(1974-)，男，吉林公主岭人，副教授，博士，主要从事压电驱动与控制技术研究工作。

82 液压与气动 2013年第9期能。从被动截止阀的工作过程可以看出，阀的工作是伴随着压电振子振动，产生的腔体容积变化，使阀两侧出现压力差，实现阀的工作。因此阀的响应速率是永远落后于振子的振动速率的，也就是说阀和振子之间永远存在着相位差。有些形式的压电泵不能在较高频率(大于500 Hz)段工作，其主要原因是由于高频下阀的滞后性导致阀失去截止性能造成的。因此压电泵用阀需要具有较高的响应频率和响应速度是对阀设计的- 项很重要要求。

(2)阀片开启能力要求 阀片开启能力与阀片两侧压差、阀片弹性刚度、阀片变形量及结构尺寸等有关。阀片变形量直接影响阀片开启能力，在相同压力差作用下，阀片变形量越小，流经阀的流量越少，泵的输出能力越弱。因此在相同条件下保证阀具有很大的变形量会提高压电泵的输出能力。

(3)阀片临界开启压力要求 阀片工作时，本身具有-定的工作阻力，只有阀片两侧压差达到-定值时，阀片才能克服阻力开启工作。这个压力也称作阀开始工作的临界压力。阀片临界开启压力越小，阀越容易打开，工作时与压电振子振动之间的相位差越孝同步”性越好、泵的工作性能越好。阀片临界开启压力与阀片材料弹性模量、 片厚度、初始预紧力、阀的安装尺寸等结构参数有关。

另外，为了保证阀的缄止性，阀执行部分要表面光洁，如果需要较大的输出压力，阀还要有较大的承载能力。

1.2 压电泵被动截止阀的工作条件对于压电泵来说，阀的工作性能决定压电泵的的工作性能，而阀又是靠泵腔容积变化产生的压差来实现工作的，因此阀能够开启工作，泵腔变化产生的最大压差-定要大于阀能够开启工作的临界压力，以下就对工作介质为气体或液体的条件下阀能够工作满足的条件进行讨论。

定义单个冲程压电振子振动使腔体容积产生变化量 AV与泵腔体初始容积 的比值为压缩比，则有压缩比 、 ： (1)因为腔体容积变化量很小，腔体的初始容积又很大，所以压缩比通常很校在腔体容积变化过程中，腔体内外产生的最大压差为 l△p I，阀能够开启的l临界压力为l卸 l，因此泵能够工作必须满足的条件是：l△p I>I△p l (2)泵腔内的工作介质-般都具有可压缩性，因此介质就相当于-个缓冲器，衰减了腔体容积变化产生的压差l△p l而有可能使压电泵工作失效。

假设压电泵泵送的是理想气体，腔体变化过程为绝热变化过程，绝热系数为 (对于空气 1.4)，大气压力P。，腔体容积变化产生的最大压力差为 △p，由文献[9]得到泵送介质为气体时，压电泵工作压缩比满足条件为：8gas>( ) (3)当泵在较低频率工作时，可看作是等温过程，此时绝热系数 趋近等于 1，临界压力比大气压力要小得多，这时方程(3)为：1△p riI l

2 三种不同结构形式被动截止阀设计2.1 悬臂梁阀悬臂梁阀 的结构非常简单，是压电泵用阀中经常采用的-种结构形式，不论阀何种形状，在安装上都是-端固定，-端与泵的进出口接触。工作时候，阀和泵进出口接触的部分在压差作用下发生偏移，实现控制流动方向的作用。图 1所设计的悬臂梁阀加工材料为铍青铜，厚度-般在7～15 wm左右。由文献[8]可知悬臂梁阀的静态过流量为：Q：C 87rApr 3l3. / (6) E6p式中，Q为通过阀的流体量；r为阀片处出入口半径；C为流量系数；ap为缝隙两侧的压差；P为流体密度。z为阀的臂长；E为阀片的杨氏模量；t为阀片的厚度；b为阀片的宽度。

由金属加工的悬臂梁阀优点在于结构简单，易于加工，响应速度快，在温度变化时不易失效；缺点是阀- 端固定，阀的执行部分与阀座之间易存在间隙，导致截止性能不是很好。阀的悬臂长度直接决定着阀的开2013年第9期 液压与气动 83图 1 悬臂梁 阀结构 图启度，悬臂长度越长则阀的开启度越大，出流效果越好，但是对驱动的响应将随着悬臂的长度增加而降低。

2.2 轮式平板阀轮式平板阀的中间圆形片就是阀片的执行部分，固定环将阀固定，固定环和圆形片的连接环臂起到弹簧的作用。图2所设计的轮式平板阀制作材料为厚度5～7 m左右铍青铜。这种阀的优点是开启时阀体的执行部分整体平动，能减少流量损失，提高阀的单向截止性能。缺点是加工工序复杂，阀片与阀座的固定工艺复杂，容易造成阀片平整度的降低，导致阀的截止性能下降甚至失效。

阀片 固定环W 弹簧(Il图 2 轮式平板阀结构 图轮式平板阀的静态过流量可以看成流体通过圆柱面缝隙，阀的执行部分中间圆板的振动产生的最大振幅在板的中心，由文献[9]得：O：C.2 h //Apr2( 1-v)2- (7)式中：r 为出流孔的半径；r：为阀执行部分的半径； 为阀片材料的泊松比； 为中间圆板振动时产生的最大振幅。

2.3 伞形橡胶阀图3为伞形橡胶阀的结构示意图。伞形橡胶阀通过伞柄安装在压电泵上，由于橡胶材料具有良好的弹性，所以伞形橡胶阀开启阻力小，变形应力小，响应速度快，通过初始预紧力很容易实现阀的常闭状态，因此单向截止性能很好。伞形橡胶阀的工作方式可以看成中间固定的圆形板振动，由文献[9]可得阀孔的出流量为：Q s。√ -C-2 Ⅳ√ (8)式中：r 为通流口半径；Ⅳ为阀处通流孔数量； 为圆形阀边缘处最大挠度；S。为通流面积。

阀图 3 伞 形橡 胶阀结构 图3 阀的性能测试阀的临界开启压力、通流能力是衡量阀工作质量的重要指标。临界开启压力越小，阀越容易开启，泵也越容易工作。如果采用开启压力过大的阀片，而泵所产生的最大压差又无法达到开启压力的临界值，就会造成泵的工作失效。通流能力是阀片在不同压力下开启能力的体现。如果在相同压力下，阀片开启所产生的通流面积越大，则输送的流体越多。

3.1 阀的开启压力和通流能力测试将设计加工的悬臂梁阀、轮式平板阀和伞形橡胶阀的临界开启压力以及在不同压差下的通流能力进行测试。在试验过程中，三种阀通流孔的通流面积是相同的，试验的介质为水，测试原理如图4所示～不同阀片安装在阀片组件中，阀片组件有进出口，进口与固定在标尺上的水杯通过连接管相连，调整阀片组件支架高度使阀片高度位置与标尺零点保持水平，不断调整水杯固定夹位置，使水杯中水面与阀片位置保持-定高度差 Ah，当 Ah足够大时，阀片在压力作用下打开流体流人量筒，高度差不同时，阀片开启位移不同，因此流量也不同，以此得到阀片开启能力与当前压力之间的关系曲线。在测试过程中，需要以压电泵不断向水杯中注水，以使水杯中水量保持恒定，亦即高度差恒定。测试试验曲线如图5所示。从图中看出，所设计的三种阀在 0.2 kPa时都已开启工作，这么小的开启压力对于压电泵来讲是比较容易达到，因此可以达到压电泵的应用要求。从图中还可以看出，在相同压液压与气动 2013年第9期差下，橡胶伞形橡胶阀与轮式平板阀通流能力比较接近，其通流量要远远好于悬臂梁阀。

标露 三图4 阀性能测试系统原理图l000900800700-皇600 争500400100O0 20 40 6O 80Ah/cm图5 不同压差下三种阀通流能力测试3.2 阀安装在压电泵上工作能力测试将三种阀安装在具有相同腔体结构的双腔并联压电泵上，进行输出流量测试，试验曲线如图6所示。

11三.，/Hz图6 不同压差下三种阀通流能力测试从图中可以看出，安装伞形橡胶阀并联压电泵的流量输出效果最好，悬臂梁阀最差。

4 结论根据压电泵的工作特点，确定了泵用被动截止阀的设计理论，并设计加工了三种结构形式截止阀，通过试验测试，得出以下结论：(1)由铍青铜加工的悬臂梁阀和轮式平板阀以及由橡胶加工的伞形阀均适用压电泵；(2)三种结构形式的压电泵用阀临界开启压力很小，在200 Pa时均已开始工作，将它们安装在相同结构的并联泵上进行输出流量试验，安装伞形橡胶阀并联压电泵的流量输出效果最好，悬臂梁阀最差；(3)三种结构阀的设计，为进-步提高压电泵输送能力创造了条件。