壓電型氣體隔膜泵設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究

提出了一類利用壓電振子激勵(lì)系統(tǒng)共振而形成隔膜大幅振動(dòng)、進(jìn)而驅(qū)動(dòng)氣體流動(dòng)的壓電隔膜泵，研究了其基本理論與構(gòu)成方法，進(jìn)行了電振子、隔膜、質(zhì)量塊、彈性支撐片以及閥等各固體構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上解釋了氣-固耦合作用機(jī)理及換能過程的基本規(guī)律。解決了系統(tǒng)共振穩(wěn)定與持久維持等關(guān)鍵技術(shù)問題，開發(fā)出具有使用價(jià)值的壓電隔膜泵樣機(jī)。具體工作包括：①對泵用壓電振子特性進(jìn)行了研究，利用彈性力學(xué)、板殼理論和材料力學(xué)相關(guān)理論，建立了雙晶片壓電振子彎曲變形的解析模型，在此基礎(chǔ)上提出了壓電振子等效集中力的方法并得到了等效集中力的解析計(jì)算模型，并利用該方法對系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的輸入特性進(jìn)行了分析，并在形成樣機(jī)后對振子的疲勞壽命進(jìn)行了研究。②對壓電泵用單向閥的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了壓電泵閥不完全關(guān)閉的工作狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上建立了隔膜泵的流量模型。③進(jìn)行了氣體隔膜壓電泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了基于傘型橡膠閥的單腔氣體壓電泵，對其發(fā)熱特性進(jìn)行了研究，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)氣體壓電泵存在的流量小、發(fā)熱量大等問題。隨后展開了對具有共振放大機(jī)構(gòu)的氣體隔膜泵的研究，提出了兩種具有不同諧振位移放大機(jī)構(gòu)的氣體隔膜壓電泵，建立了其系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和流量輸出模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明其位移可放大4倍以上。為了解決使用中出現(xiàn)的系統(tǒng)頻率受負(fù)載影響的問題，提出了可主動(dòng)控制系統(tǒng)共振頻率的磁力彈簧式壓電共振氣體泵，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制奠定了基礎(chǔ)。此外，提出了矩形壓電振子間接驅(qū)動(dòng)式隔膜泵、鐃鈸形腔體的共振式壓電泵、具有混合電磁力彈簧的壓電泵、腔閥一體式壓電泵、新型疊層式壓電泵、多振子壓電泵和懸臂梁驅(qū)動(dòng)式壓電隔膜泵等新型氣體壓電泵構(gòu)成方式并已形成了相關(guān)的專利保護(hù)。通過上述工作，從理論與試驗(yàn)兩方面說明以共振方式構(gòu)造壓電型氣體隔膜泵是可行的，本工作為微小型氣體驅(qū)動(dòng)提供了一種新的方法。

開發(fā)一種利用壓電振子激勵(lì)系統(tǒng)共振而形成隔膜大幅振動(dòng)、進(jìn)而驅(qū)動(dòng)氣體流動(dòng)的壓電隔膜泵，研究其基本理論與構(gòu)成方法，探明壓電振子、隔膜、質(zhì)量塊、彈性支撐片以及閥等各固體構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，揭示氣-固耦合作用機(jī)理及換能過程的基本規(guī)律，解決系統(tǒng)共振穩(wěn)定與持久維持等關(guān)鍵技術(shù)問題，開發(fā)出具有使用價(jià)值的壓電隔膜泵樣機(jī)，從理論與試驗(yàn)兩方面說明以共振方式構(gòu)造壓電型氣體隔膜泵是可行的。由于在共振狀態(tài)下工作，且壓電振子僅提供振動(dòng)激勵(lì)而不直接作用于氣體，也不使用電機(jī)與凸輪，因而兼具壓電泵與電磁隔膜泵的優(yōu)點(diǎn)。由本項(xiàng)目首先提出，已開始基礎(chǔ)研究，目前國內(nèi)外均未見有相同方式隔膜泵的研究報(bào)道。

氣體作用隔膜泵gas operated diaphragm pump }}}c的一種，是以氣體作用推動(dòng)膜片產(chǎn)生變形輸送液體的隔膜泵。見隔膜泵條目。氣體作用隔膜泵為無泄漏泵，適用低排壓的情況，一般用于0.7MPa以下。

高壓電-氣比例/伺服閥是實(shí)現(xiàn)高壓電-氣伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前已成為高壓電-氣伺服控制技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。本項(xiàng)目在華中科技大學(xué)多年進(jìn)行高壓氣動(dòng)技術(shù)研究工作的基礎(chǔ)上，針對高壓電-氣比例/伺服閥研究中面臨的關(guān)鍵技術(shù)，以某軍工裝備實(shí)際需求為切入點(diǎn)，首先對伺服閥閥口高壓氣體流動(dòng)機(jī)理、控制容腔充放氣熱力學(xué)過程、閥芯摩擦副摩擦機(jī)理等基礎(chǔ)性能進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，對高壓電-氣比例/伺服閥級間耦合控制方式、閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、元件動(dòng)態(tài)性能的非線性補(bǔ)償控制等方面進(jìn)行深入研究，最終研制出滿足某軍工裝備需要的高壓（壓力12MPa）、大流量（通徑

能量回饋型超聲波電機(jī)是一種集驅(qū)動(dòng)與能量采集功能于一體的新型超聲波電機(jī)，可以解決現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器件自供電問題，但有諸多科學(xué)問題值得探索。為此開展了以下研究：能量回饋型超聲波電機(jī)的工作機(jī)理與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電機(jī)理論模型與設(shè)計(jì)方法；電機(jī)能量采集系統(tǒng)模型與轉(zhuǎn)換拓?fù)潆娐?；電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制特性；電機(jī)制備科學(xué)與綜合試驗(yàn)。 1、 提出了一種改進(jìn)的壓電陶瓷極化分區(qū)形式，設(shè)計(jì)了一體式和分體式兩種能量回饋型超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)，建立了兩種電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的有限元模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)并分析了定子參數(shù)和采集區(qū)負(fù)載電阻對其頻率特性、振動(dòng)特性以及電特性的影響。 2、 考慮定子結(jié)構(gòu)剛度不對稱性，提出了電機(jī)定子等效雙模機(jī)械振動(dòng)模型；建立了電機(jī)定轉(zhuǎn)子接觸面力傳遞模型及其修正；利用修正后的Hamilton原理及粘彈性接觸理論建立了電機(jī)動(dòng)力學(xué)模型；基于正壓電效應(yīng)和彎曲振動(dòng)理論，首次建立了電機(jī)能量采集數(shù)學(xué)模型；分析了驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)頻率、預(yù)壓力、負(fù)載力矩以及采集區(qū)負(fù)載電阻等對電機(jī)振動(dòng)特性、機(jī)械特性和電輸出特性的影響，形成了電機(jī)結(jié)構(gòu)與能量優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。 3、 提出了電機(jī)能量采集系統(tǒng)的新型機(jī)電耦合等效電路模型，首次給出了能量采集系統(tǒng)的能量流圖，分析了不同接口拓?fù)潆娐废碌南到y(tǒng)能量組成，建立了系統(tǒng)電荷-電壓軌跡圖。形成了標(biāo)準(zhǔn)整流濾波(SIC)、同步開關(guān)電感(SSHI)和能量自給同步開關(guān)電感(SP-SSSHI)能量采集轉(zhuǎn)換拓?fù)潆娐芳夹g(shù)；揭示了拓?fù)潆娐放c采集系統(tǒng)之間多時(shí)間尺度非線性耦合動(dòng)力學(xué)行為以及作用機(jī)制。 4、 提出了一種基于模糊PID的在線識(shí)別電機(jī)控制策略，具有誤差小、計(jì)算量小和易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，速度誤差在3%以內(nèi)。形成了基于555振蕩技術(shù)、DSP2407 和DSP2808處理器的三種驅(qū)動(dòng)控制電源技術(shù)。研制了兩種能量回饋型超聲波電機(jī)樣機(jī)合計(jì)6套，搭建了電機(jī)性能測試平臺(tái)，開展了電機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明電機(jī)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。 5、 開展了壓電能量采集器的關(guān)鍵理論與技術(shù)研究，形成了振動(dòng)能量采集器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。此外，開展了兩種新型超聲波電機(jī)研究。 2100433B