發(fā)布時(shí)間：2018-07-20 22:01

【摘要】：氣體隔膜泵是一種小型的流體泵，近年在醫(yī)藥生物、精細(xì)化工、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 目前市場(chǎng)上的氣體隔膜泵主要有利用電機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的電磁隔膜泵和利用壓電振子驅(qū)動(dòng)的壓電隔膜泵兩大類，電磁隔膜泵在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、噪聲大等問(wèn)題；而壓電隔膜泵則存在容積變化率低、壓電振子過(guò)熱、易碎裂、易退極化等問(wèn)題。 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)：50735002）的研究，首次提出將磁力彈簧用于構(gòu)造共振泵，研究了相關(guān)理論與技術(shù)問(wèn)題。 將磁力彈簧用于共振氣泵研究的優(yōu)點(diǎn)是它可以增加泵體的容積變化率，還可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、降低噪音并且增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，最重要的是可通過(guò)調(diào)整磁力彈簧的軸向間隙來(lái)改變機(jī)械系統(tǒng)的剛度，進(jìn)而十分方便的調(diào)整整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的共振頻率。 壓電振子是磁力彈簧共振泵的核心部件，為整個(gè)共振系統(tǒng)提供激勵(lì)。本文采用的壓電振子是環(huán)形壓電陶瓷與環(huán)形基板利用環(huán)氧樹脂粘接而成，將壓電振子作為磁力彈簧共振泵激振體的一部分，對(duì)其進(jìn)行仿真，，通過(guò)激振體的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，確定了壓電振子的最終結(jié)構(gòu)參數(shù)。 利用磁荷觀點(diǎn)對(duì)磁力彈簧的軸向力進(jìn)行理論推導(dǎo)，并且通過(guò)劃分單元格，采用離散求和的方法和并結(jié)合matlab編程計(jì)算了磁力彈簧的軸向力和軸向間距的關(guān)系，然后利用曲線擬合的方法求出其關(guān)系式，得出磁力彈簧的軸向剛度和軸向間距的關(guān)系。并且通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)所用磁力彈簧的軸向力進(jìn)行了測(cè)量，同樣利用對(duì)擬合曲線求導(dǎo)的方法得出軸向剛度和軸向力的關(guān)系。 對(duì)磁力彈簧式共振氣泵的工作原理進(jìn)行了介紹，對(duì)共振體的工作原理進(jìn)行定性的分析，分析了磁力彈簧對(duì)整個(gè)激振體的作用；并設(shè)計(jì)了主要部件，建立了激振體部分的動(dòng)力學(xué)模型，得到影響激振體位移的因素；對(duì)主要部件的剛度進(jìn)行了計(jì)算；利用精密阻抗分析儀和激光測(cè)微儀分別對(duì)激振體的共振頻率和激振體的位移進(jìn)行測(cè)量，得到激振體的共振頻率與磁力彈簧軸向間距的關(guān)系，并與壓電振子中心點(diǎn)的位移量進(jìn)行了比較，得出共振泵激振體的位移放大倍數(shù)。 對(duì)磁力彈簧式共振泵泵體的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的介紹，利用板殼理論對(duì)泵體隔膜進(jìn)行了優(yōu)化，最終確定了隔膜的結(jié)構(gòu)參數(shù);詳細(xì)分析腔體的容積變化率、流體流態(tài)以及閥的滯后性對(duì)泵性能的影響;設(shè)計(jì)性能測(cè)試裝置，并以測(cè)試結(jié)果為依據(jù)又選則了閥的閥堵直徑、懸臂寬度，腔體高度以及閥座的預(yù)緊高度，最終確定共振泵泵體最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。 分析了導(dǎo)致壓電振子在豎直方向扭轉(zhuǎn)的原因，由于加工誤差的存在，實(shí)際上共振泵中磁力彈簧的軸向剛度與理論計(jì)算值不太一致，磁力彈簧的兩磁鐵在軸向上并不是完全同心的，這樣就會(huì)在原來(lái)只有一個(gè)軸向力的基礎(chǔ)上額外的產(chǎn)生一個(gè)徑向力，徑向力和軸向力會(huì)對(duì)與懸浮磁鐵相連接的壓電振子產(chǎn)生力矩，隨著軸向間隙的減小，徑向力越來(lái)越大，兩環(huán)形磁鐵偏心越來(lái)越嚴(yán)重。因此磁力彈簧的實(shí)際軸向剛度要比理論計(jì)算值要小，而徑向剛度則會(huì)增加。 磁力彈簧共振泵成功的關(guān)鍵在于磁力彈簧軸向剛度的控制、增加壓電振子的激勵(lì)以及提高壓電振子激勵(lì)的利用效率。磁力彈簧軸向剛度的控制可以借鑒磁懸浮列車以及磁力軸承所取得的研究成果；增加壓電振子的激勵(lì)的關(guān)鍵在于尋求具有優(yōu)質(zhì)性能參數(shù)的壓電陶瓷來(lái)制作壓電振子；而提高壓電振子激勵(lì)的利用效率則必須通過(guò)完善共振泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[Abstract]:Gas diaphragm pump is a small type of fluid pump. It has been widely used in medicine, biology, fine chemical industry, aerospace, MEMS and other fields in recent years.
At present, there are two main types of gas diaphragm pumps in the market, such as electromagnetic diaphragm pump driven by motor cam mechanism and piezoelectric diaphragm pump driven by piezoelectric vibrators. In practical application, the electromagnetic diaphragm pump will have problems such as complex structure, high cost and large noise, while the piezoelectric diaphragm pump has low volume change rate and a piezoelectric vibrator. Heat, fragility, depolarization, and other problems.
In this paper, based on the study of the design theory and key technology of the piezoelectric gas diaphragm pump, the National Natural Science Foundation of China (project number: 50735002), the magnetic spring is first applied to the structural resonance pump, and the related theoretical and technical problems are studied.
The advantage of applying the magnetic spring to the study of the resonant gas pump is that it can increase the volume change rate of the pump body, simplify the structure of the system, reduce the noise and increase the reliability and stability of the system. The most important thing is that the stiffness of the mechanical system can be changed by adjusting the axial gap of the magnetic spring, and then it is very convenient to adjust the whole system. The resonance frequency of a mechanical system.
The piezoelectric vibrator is the core component of the magnetic spring resonance pump, which provides the excitation for the whole resonance system. The piezoelectric vibrator used in this paper is a ring piezoelectric ceramic and a ring substrate which is bonded with epoxy resin. The piezoelectric vibrator is used as part of the resonant pump of the magnetic spring pump, and it is simulated by the modal analysis of the vibrator. The final structural parameters of the piezoelectric vibrator are determined by response analysis.
The axial force of the magnetic spring is theoretically derived from the magnetic charge viewpoint, and the relation between the axial force and the axial distance of the magnetic spring is calculated by the method of discrete summation and MATLAB programming by dividing the cell. Then the relation formula is obtained by the curve fitting method, and the axial stiffness and the axial interval of the magnetic spring are obtained. The axial force of the magnetic spring is measured by the design test, and the relationship between the axial stiffness and the axial force is also obtained by using the method of fitting the fitting curve.
The working principle of the magnetic spring type resonant gas pump is introduced, the working principle of the resonance body is analyzed qualitatively and the effect of the magnetic spring on the whole vibrator is analyzed. The main components are designed, the dynamic model of the part of the vibrator is established, and the factors affecting the displacement of the excited vibration body are obtained; the stiffness of the main components is carried out. The resonance frequency of the vibrator and the displacement of the excited vibrator are measured by the precision impedance analyzer and the laser micrometer. The relationship between the resonance frequency of the excited vibrator and the axial spacing of the magnetic spring is obtained, and the displacement of the central point of the piezoelectric vibrator is compared, and the displacement magnification of the resonant pump vibrator is obtained.
The basic structure and working process of the magnetic spring type resonant pump body are introduced in detail. The diaphragm theory is used to optimize the diaphragm of the pump body, and the structural parameters of the diaphragm are determined. The effect of the volume change rate of the cavity, the flow state and the lag of the valve on the performance of the pump is analyzed in detail, and the test device is designed and measured. Based on the test results, the valve plugging diameter, the width of the cantilever, the height of the chamber and the pretightening height of the valve seat are selected, and the optimum structural parameters of the resonance pump body are finally determined.
The cause of the torsion of the piezoelectric vibrator in the vertical direction is analyzed. Because of the existence of the machining error, the axial stiffness of the magnetic spring in the resonant pump is not quite consistent with the theoretical calculation. The two magnet of the magnetic spring is not completely concentric in the axial direction, which will produce an extra one on the basis of only one axial force in the original. The radial force, the radial force and the axial force will produce the torque to the piezoelectric vibrator connected with the suspension magnet. With the decrease of the axial gap, the radial force becomes larger and the two ring magnet is more and more eccentricity. Therefore, the actual axial stiffness of the magnetic spring is smaller than the theoretical calculation, and the radial stiffness will increase.
The key to the success of the magnetic spring resonance pump lies in the control of the axial stiffness of the magnetic spring, increasing the excitation of the piezoelectric vibrator and improving the utilization efficiency of the piezoelectric vibrator. The control of the axial stiffness of the magnetic spring can draw on the research results obtained by the magnetic levitation train and the magnetic bearing, and the key to increase the excitation of the piezoelectric vibrator is to find out. The piezoelectric ceramics with high quality parameters are made to make the piezoelectric vibrator, and the efficiency of the excitation of the high voltage vibrator must be realized by improving the structure design of the resonant pump.
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TH38

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本文編號(hào)：2134926