压电型气体隔膜泵设计理论与关键技术研究

开发一种利用压电振子激励系统共振而形成隔膜大幅振动、进而驱动气体流动的压电隔膜泵，研究其基本理论与构成方法，探明压电振子、隔膜、质量块、弹性支撑片以及阀等各固体构件的动力学关系，揭示气-固耦合作用机理及换能过程的基本规律，解决系统共振稳定与持久维持等关键技术问题，开发出具有使用价值的压电隔膜泵样机，从理论与试验两方面说明以共振方式构造压电型气体隔膜泵是可行的。由于在共振状态下工作，且压电振子仅提供振动激励而不直接作用于气体，也不使用电机与凸轮，因而兼具压电泵与电磁隔膜泵的优点。由本项目首先提出，已开始基础研究，目前国内外均未见有相同方式隔膜泵的研究报道。

提出了一类利用压电振子激励系统共振而形成隔膜大幅振动、进而驱动气体流动的压电隔膜泵，研究了其基本理论与构成方法，进行了电振子、隔膜、质量块、弹性支撑片以及阀等各固体构件的结构设计与动力学分析，在此基础上解释了气-固耦合作用机理及换能过程的基本规律。解决了系统共振稳定与持久维持等关键技术问题，开发出具有使用价值的压电隔膜泵样机。具体工作包括：①对泵用压电振子特性进行了研究，利用弹性力学、板壳理论和材料力学相关理论，建立了双晶片压电振子弯曲变形的解析模型，在此基础上提出了压电振子等效集中力的方法并得到了等效集中力的解析计算模型，并利用该方法对系统动力学模型的输入特性进行了分析，并在形成样机后对振子的疲劳寿命进行了研究。②对压电泵用单向阀的动力学特性进行了研究，发现了压电泵阀不完全关闭的工作状态，在此基础上建立了隔膜泵的流量模型。③进行了气体隔膜压电泵的结构设计，提出了基于伞型橡胶阀的单腔气体压电泵，对其发热特性进行了研究，用实验数据说明了现有结构气体压电泵存在的流量小、发热量大等问题。随后展开了对具有共振放大机构的气体隔膜泵的研究，提出了两种具有不同谐振位移放大机构的气体隔膜压电泵，建立了其系统动力学模型和流量输出模型，并进行了试验验证，结果表明其位移可放大4倍以上。为了解决使用中出现的系统频率受负载影响的问题，提出了可主动控制系统共振频率的磁力弹簧式压电共振气体泵，为实现系统的闭环控制奠定了基础。此外，提出了矩形压电振子间接驱动式隔膜泵、铙钹形腔体的共振式压电泵、具有混合电磁力弹簧的压电泵、腔阀一体式压电泵、新型叠层式压电泵、多振子压电泵和悬臂梁驱动式压电隔膜泵等新型气体压电泵构成方式并已形成了相关的专利保护。通过上述工作，从理论与试验两方面说明以共振方式构造压电型气体隔膜泵是可行的，本工作为微小型气体驱动提供了一种新的方法。