壓電型氣體隔膜泵設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研究結(jié)題摘要

提出了一類利用壓電振子激勵系統(tǒng)共振而形成隔膜大幅振動、進而驅(qū)動氣體流動的壓電隔膜泵，研究了其基本理論與構(gòu)成方法，進行了電振子、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)計與動力學分析，在此基礎(chǔ)上解釋了氣-固耦合作用機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)出具有使用價值的壓電隔膜泵樣機。具體工作包括：①對泵用壓電振子特性進行了研究，利用彈性力學、板殼理論和材料力學相關(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算模型，并利用該方法對系統(tǒng)動力學模型的輸入特性進行了分析，并在形成樣機后對振子的疲勞壽命進行了研究。②對壓電泵用單向閥的動力學特性進行了研究，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進行了氣體隔膜壓電泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了基于傘型橡膠閥的單腔氣體壓電泵，對其發(fā)熱特性進行了研究，用實驗數(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構(gòu)的氣體隔膜壓電泵，建立了其系統(tǒng)動力學模型和流量輸出模型，并進行了試驗驗證，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)頻率受負載影響的問題，提出了可主動控制系統(tǒng)共振頻率的磁力彈簧式壓電共振氣體泵，為實現(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。通過上述工作，從理論與試驗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)動提供了一種新的方法。

開發(fā)一種利用壓電振子激勵系統(tǒng)共振而形成隔膜大幅振動、進而驅(qū)動氣體流動的壓電隔膜泵，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)件的動力學關(guān)系，揭示氣-固耦合作用機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)出具有使用價值的壓電隔膜泵樣機，從理論與試驗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激勵而不直接作用于氣體，也不使用電機與凸輪，因而兼具壓電泵與電磁隔膜泵的優(yōu)點。由本項目首先提出，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道。

氣體作用隔膜泵gas operated diaphragm pump }}}c的一種，是以氣體作用推動膜片產(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)應用的瓶頸。本項目在華中科技大學多年進行高壓氣動技術(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)，以某軍工裝備實際需求為切入點，首先對伺服閥閥口高壓氣體流動機理、控制容腔充放氣熱力學過程、閥芯摩擦副摩擦機理等基礎(chǔ)性能進行研究。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、元件動態(tài)性能的非線性補償控制等方面進行深入研究，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是一種集驅(qū)動與能量采集功能于一體的新型超聲波電機，可以解決現(xiàn)有驅(qū)動器件自供電問題，但有諸多科學問題值得探索。為此開展了以下研究：能量回饋型超聲波電機的工作機理與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計；電機理論模型與設(shè)計方法；電機能量采集系統(tǒng)模型與轉(zhuǎn)換拓撲電路；電機驅(qū)動與控制特性；電機制備科學與綜合試驗。 1、 提出了一種改進的壓電陶瓷極化分區(qū)形式，設(shè)計了一體式和分體式兩種能量回饋型超聲波電機結(jié)構(gòu)，建立了兩種電機定子結(jié)構(gòu)的有限元模型，優(yōu)化設(shè)計并分析了定子參數(shù)和采集區(qū)負載電阻對其頻率特性、振動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，提出了電機定子等效雙模機械振動模型；建立了電機定轉(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動力學模型；基于正壓電效應和彎曲振動理論，首次建立了電機能量采集數(shù)學模型；分析了驅(qū)動電壓、驅(qū)動頻率、預壓力、負載力矩以及采集區(qū)負載電阻等對電機振動特性、機械特性和電輸出特性的影響，形成了電機結(jié)構(gòu)與能量優(yōu)化設(shè)計理論。 3、 提出了電機能量采集系統(tǒng)的新型機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，分析了不同接口拓撲電路下的系統(tǒng)能量組成，建立了系統(tǒng)電荷-電壓軌跡圖。形成了標準整流濾波(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)換拓撲電路技術(shù)；揭示了拓撲電路與采集系統(tǒng)之間多時間尺度非線性耦合動力學行為以及作用機制。 4、 提出了一種基于模糊PID的在線識別電機控制策略，具有誤差小、計算量小和易于實現(xiàn)等特點，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)動控制電源技術(shù)。研制了兩種能量回饋型超聲波電機樣機合計6套，搭建了電機性能測試平臺，開展了電機綜合性能實驗研究，結(jié)果表明電機性能達到了設(shè)計指標要求。 5、 開展了壓電能量采集器的關(guān)鍵理論與技術(shù)研究，形成了振動能量采集器的優(yōu)化設(shè)計方法。此外，開展了兩種新型超聲波電機研究。 2100433B