三叉四通管无阀压电泵的设计与试验.pdf

第 44 卷 第 5 期2023 年10 月河 南 科 技 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Henan University of Science and Technology(Natural Science)Vol.44No.5Oct.2023基金项目:国家自然科学基金项目(61650106);广西自然科学基金项目(2021GXNSFAA220091,2019GXNSFBA245069)作者简介:严天祥(1987),男,湖北天门人,高级实验师,博士,主要研究方向为压电材料与器件.收稿日期:2023-03-23文章编号:1672-6871(2023)05-0025-06DOI:10.15926/ki.issn1672-6871.2023.05.004三叉四通管无阀压电泵的设计与试验严天祥a,b,c,龙志文a,b,c,陈辉庆a,b,c,李先瑄a,b,c,秦建华a,b,c(桂林理工大学 a.高校先进制造与自动化技术重点实验室;b.机械与控制工程学院;c.广西智能橡胶装备工程研究中心,广西 桂林 541006)摘要:为了提高 Y 形管无阀压电泵的流量,基于三叉树的结构特征提出了一种三叉四通管无阀压电泵。模拟分析了三叉四通管的速度流线图,对比了该流管与 Y 形管的阻力特性,制作了 2 种流管的泵样机,进行了流量和压力差试验。研究结果表明:流体在三叉四通管中正、反向流动时均没有产生明显的旋涡,三叉四通管无阀压电泵的效率比 Y 形管无阀压电泵提高了 22.69%。在 220 V 驱动电压下,三叉四通管无阀压电泵的最大流量为 7.41 g/min,比 Y 形管无阀压电泵提升了 21.47%;三叉四通管无阀压电泵的最大压力差为 421 Pa,比Y 形管无阀压电泵高出了 79.17%。关键词:三叉四通管;Y 形管;无阀压电泵;流量;压力差中图分类号:TH38;TN384文献标志码:A0 引言压电泵是一种以压电振子为驱动源,利用运动阀体或无移动部件阀体来输送流体的微机电装置1-3。与传统电磁泵相比,压电泵具有结构简单、耗能低、易于微小化和流量可控等优点4-6,在生物医疗7、器件散热8及燃料电池9等领域有着广阔发展前景。根据泵腔内部有无运动阀体,压电泵可分为有阀压电泵和无阀压电泵10。有阀压电泵在较高频率时会产生运动阀体滞后现象,导致流量快速下降,限制了其进一步发展。无阀压电泵是利用无移动部件阀体使流体产生单向运动,避免了运动阀体的滞后性,受到众多国内外学者的青睐10-20。自文献11首次根据阻力不等原理发明锥形管无阀压电泵以来,学者们对无阀压电泵进行了大量探索,提出了不同结构类型的无阀压电泵。文献12开发了结构简单且易于微型化加工的方锥形管压电泵,但其内部会产生较为紊乱的涡旋。文献13设计了具有较高流量的特斯拉(Tesla)管无阀压电泵,但其流管结构复杂,导致沿程损耗和旋涡较大。文献14设计了结构紧凑且易于集成化的半球缺阻流体无阀压电泵,但其内置半球缺球面结构增加了泵腔内部旋涡范围。文献15利用运动流体在圆弧形流管中的哥氏力效应提出了圆弧形流管无阀压电泵。文献16利用圆柱面对流体流动的促进作用设计了半圆柱阻流体无阀压电泵。然而,上述无阀压电泵12-16由于泵体内部旋涡的存在,输送活体细胞时易使细胞受到挤压而失去活性,不利于生物医疗方面的应用。针对生物医疗领域输送活体细胞的应用需求,文献17-19提出了 Y 形管无阀压电泵(简称 Y 形管泵),该泵工作时内部旋涡小且易于微型化加工,但存在流量小的问题。随着科技迅速发展,仿生技术得到了广泛应用20-21。为了提高 Y 形管泵的流量,受三叉树的结构特征启发,结合 Y 形管泵的结构形式设计了一种适用于输送活体细胞的三叉四通管无阀压电泵(简称三叉四通管泵)。首先,介绍了三叉四通管泵的结构及工作原理,给出了其流量与效率的理论公式;其次,模拟分析了三叉四通管的正、反向速度流线图,对比了该流管与 Y 形管的阻力特性;最后,加工制作了 2 种流管的泵样机,进行了流量和压力差试验。模拟和试验结果证明了三叉四通管泵适用于输送活体细胞,且其输送性能优于 Y 形管泵。1 结构设计图 1 为三叉四通管泵的三维结构及工作原理图。三叉四通管泵是由泵体、泵盖、橡胶垫圈和压电振子等构成,如图 1a 所示。泵体内部含有进水口、流管 A、泵腔、流管 B 和出水口等。流管 A 和 B 为三叉四通管,包括呈中心对称分布的分叉管 1、2、3 和合流管 4,如图 1b 所示。当合流管为输入口、3 个分叉管为输出口(分流)时,流体所受阻力较小,定义为正向流;当 3 个分叉管为输入口、合流管为输出口(合流)时,流体所受阻力较大,定义为反向流。图 1c 为三叉四通管泵的工作原理图,其中绿色弧线为压电振子的形变极限位置,红色直线为压电振子的平衡位置。三叉四通管泵的工作过程包括吸程和排程。吸程时,压电振子向上振动,泵腔容积变大,流体从流管 A 和 B 进入泵体;排程时,压电振子向下振动,泵腔容积变小,流体从流管 A 和 B 流出泵体。由于三叉四通管的分流流阻小于其合流流阻,吸程时从流管 A 进入的流体较多,排程时从流管 B 排出的流体较多,最终三叉四通管泵实现了从流管 A 向流管B 的单向流动。(a)三维结构(b)三叉四通管结构(c)工作原理图 1三叉四通管泵的三维结构及工作原理图由文献16,22-23可知,压电泵的流量 Q 为:Q=w0R2f-1+1;(1)=-1+1;(2)=KF/KZ,(3)其中:w0为压电振子从平衡位置到最大形变极限位置的位移,mm;R 为压电振子的最大半径,mm;f 为压电振子的振动频率,Hz;为压电泵的效率;为流管的阻力因数比;KF为流管的反向阻力因数;KZ为流管的正向阻力因数。由式(1)式(3)可知,当 KFKZ,即 1 时,泵的流量 Q0,三叉四通管泵就能单向输送流体。同时,阻力因数比 越大,泵的效率 和流量 Q 越高。2 模拟分析2.1速度流线图使用 Creo 软件按照图 1b 建立三叉四通管模型,其几何参数根据文献19中的 Y 形管进行确定,如表 1 所示。表 1三叉四通管的几何参数参数整管长 L/mm合管长 l/mm合管宽 a/mm合管高 b/mm夹角/()数值20102260采用非结构化网格对三叉四通管进行网格划分,如图 2a 所示。利用 ANSYS Fluent 模块对三叉四通管网格模型进行数值模拟,选取标准 k-模型,流体介质选为水(密度 998.2 kg/m3),将进出口设为压62河 南 科 技 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年第 5 期严天祥,等:三叉四通管无阀压电泵的设计与试验力边界条件,进口和出口的压力分别设为 1.0 kPa 和 0 kPa。为保证模拟数据的准确性,对三叉四通管进行网格无关性分析。图 2b 为三叉四通管的正向流量与网格数量的关系。一般来说,网格数量越高,模拟值与实际值的差值越小。由图 2b 可知:三叉四通管的正向流量随网格数量增加而快速下降,直至19.8104趋于稳定,因此模拟时将三叉四通管的网格数量设为 19.8104。(a)网格模型(b)网格无关性分析图 2三叉四通管的网格模型及其网格无关性分析图 3 为三叉四通管中间等高面的速度流线图。由图 3 可知:流体在三叉四通管中正、反向流动时均没有产生明显的旋涡,表明三叉四通管泵适用于输送活体细胞。另外,可以清楚观察到合流管 4 中正向流动的最大流速(2.01 m/s)明显高于反向流动(1.34 m/s),由于模拟正、反向流动时的进出口压力差相等,因而合流阻力因数大于分流阻力因数,说明三叉四通管泵是可行的,可以实现流体的单向输送。(a)正向流动(b)反向流动图 3三叉四通管中间等高面的速度流线图2.2阻力特性为了比较三叉四通管和 Y 形管的阻力特性,数值计算不同压力差下两种流管的正反向流量,从而获得阻力因数比。图 4a 为 Y 形管的网格模型,其几何参数与三叉四通管相同。图 4b 为 Y 形管的正向流量与网格数量的关系。由图 4b 可知:当网格数量达到 15.2104后,Y 形管的正向流量随网格数量变化幅度较小,结合三叉四通管的网格分析结果,将 Y 形管的网格数量设为 20.7104。模拟进出口压力差为 1.01.5 kPa,每隔 0.1 kPa 数值计算 1 组数据,记录 2 种流管的正向流量 Qz和反向流量 Qf,通过=Q2z/Q2f计算 2 种流管的阻力因数比16。(a)网格模型(b)网格无关性分析图 4Y 形管的网格模型及其网格无关性分析72图 5 为不同压力差下三叉四通管和 Y 形管的正、反向流量和阻力因数比。由图 5a 可知:随着压力差增大,两种流管的正、反向流量均增大,同时,在相同压力差下,两种流管的正向流量均大于其反向流量,表明两者均具有阻力不等特性。此外,与 Y 形管相比,三叉四通管的正向流量提高幅度较大,而反向流量提高幅度较小。由图 5b 可知:在相同压力差下,三叉四通管的阻力因数比大于 Y 形管,同时随着压力差增大,两种流管的阻力因数比基本保持不变,三叉四通管和 Y 形管的阻力因数比平均值分别为 1.66 和 1.51。由式(2)可知,Y 形管泵的效率为 10.27%,三叉四通管泵的效率为 12.60%,比 Y 形管泵提高了 22.69%。(a)正、反向流量(b)阻力因数比图 5不同压力差下的正、反向流量和阻力因数比3 试验研究为了比较三叉四通管泵和 Y 形管泵的输出性能,使用纵维立方(Anycubic)光固化 3D 打印机制作了泵样机,进行了流量和压力差试验。图 6a 为三叉四通管泵和 Y 形管泵的泵体,其参数与仿真尺寸一致,打印材料为光固化树脂(密度为 1.051.25 g/cm3),打印精度设为 0.05 mm。图 6b 为三叉四通管泵和 Y 形管泵的样机,其使用的压电振子相同,均由直径为 35.0 mm 的铜基片和压电陶瓷片组成。(a)泵体(b)样机图 6泵体及样机图 7a 为压电泵的流量测试装置,主要包括信号发生器(SDG1005 型)、功率放大器(HP-300A 型)、压电泵、定时器、夹具、烧杯和电子秤等。功率放大器的电压为 0300 V,电子秤的测量精度为 0.01 g,工作流体为去离子水。流量测试时,设定初始驱动频率为 1 Hz,驱动电压为 220 V,改变驱动频率测量泵每分钟的输出流量。图 7b 为压电泵的压力差测试装置,其与流量测试装置的不同之处在于用垂直透明亚克力管取代了出水管。压力差测试时,设置驱动电压为 220 V,用钢尺测量不同驱动频率的水柱差h,并计算压力差。82河 南 科 技 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年第 5 期严天祥,等:三叉四通管无阀压电泵的设计与试验(a)流量测试装置图(b)压力差测试装置图图 7流量和压力差的测试装置图图 8 为三叉四通管泵和 Y 形管泵的流量和压力差与驱动频率的关系。由图 8a 可知:三叉四通管泵的适用频率宽于 Y 形管泵,两者的流量随驱动频率的增加均先增加后下降。当驱动频率为 8 Hz 时,Y形管泵的最大流量为 6.10 g/min,当驱动频率为 7 Hz 时,三叉四通管泵的最大流量为 7.41 g/min,比 Y形管泵提高了 21.47%,与仿真分析中效率的提高量基本一致。由图 8b 可知:两者的压力差与流量随驱动频率的变化趋势基本一致。当驱动频率为 13 Hz 时,Y 形管泵的最大压力差为 235 Pa,当驱动频率为10 Hz 时,三叉四通管泵的最大压力差为 421 Pa,比 Y 形管泵高出了 79.17%。本文设计的三叉四通管泵较 Y 形管泵在输出性能上有所提高,不足之处是其结构较 Y 形管泵略微复杂,该泵主要适用于生物医疗领域低频输送活体细胞的场合。(a)流量与驱动频率的关系(b)压力差与驱动频率的关系图 8流量和压力差与驱动频率的关系4 结论(1)基于三叉树的结构特征,结合 Y 形管泵的结构形式提出了一种适用于输送活体细胞且易于微型化加工的三叉四通管泵。(2)流体在三叉四通管中正、反向流动时均没有产生明显的旋涡,三叉四通管泵可以实现流体的单向输送,且其效率为 12.60%,比 Y 形管泵提高了 22.69%。(3)当驱动电压为 220 V 时,三叉四通管泵的最大流量为 7.41 g/min,比 Y 形管泵提高了 21.47%,与仿真分析中效率的提高量基本一致,三叉四通管泵的最大压力差为 421 Pa,比 Y 形管泵高出了79.17%。参考文献:1LI H Y,LIU J K,LI K,et al.A review of recent studies on piezoelectric pumps and their applicationsJ.Mechanical 92systems and signal processing,2021,151:107393.2田鹏,黄俊,施卫东.非对称分叉流管无阀压电泵的设计及试验J.振动、测试与诊断,2020,40(6):1178-1183.3HE X H,BIAN R Q,LIN N,et al.A novel valveless piezoelectric micropump with a bluff-body based on Coanda effectJ.Microsystem technologies,2019,25(7):2637-2647.4王颖,张建辉,刘志玲,等.螺线形流管无阀压电泵的试验研究J.机械工程学报,2020,56(4):239-245.5纪晶,张建辉,季瑞南,等.半球缺纵向排列对半球缺阻流体无阀泵的影响J.振动、测试与诊断,2014,34(6):1072-1079.6张蕊华,张建辉,朱银法,等.三棱柱阻流体无阀压电泵的设计与试验J.光学精密工程,2016,24(2):327-334.7MA H K,CHEN R H,YU N S,et al.A miniature circular pump with a piezoelectric bimorph and a disposable chamber for biomedical applicationsJ.Sensors and actuators a:physical,2016,251:108-118.8唐茗,包启波,张建辉,等.流线形流管无阀压电泵的仿真与实验J.振动、测试与诊断,2021,41(1):56-61.9HE L P,ZHANG Z,MIAO Y J,et al.Numerical study of structural parameters influencing flow in a lunular valveless pumpJ.The review of scientific instruments,2021,92(2):025009.10 LEE S M,KUAN Y D,SUNG M F.Design and fabrication of a magnetic fluid micropump for applications in direct methanol fuel cellsJ.Journal of power sources,2011,196(18):7609-7615.11STEMME E,STEMME G.A valveless diffuser/nozzle-based fluid pumpJ.Sensors and actuators a:physical,1993,39(2):159-167.12GERLACH T.Microdiffusers as dynamic passive valves for micropump applicationsJ.Sensors and actuators a:physical,1998,69(2):181-191.13FORSTER F K,BARDELL L,AFROMOWITZ M A,et al.Design,fabrication and testing of fixed-valve micro-pumpsJ.Proceedings of the ASME fluids engineering 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Equipment,Luoyang 471039,China;4a.School of Materials Science and Engineering;4b.Collaborative Innovation Center of Nonferrous Metals,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471023,China)Abstract:The 300M steel was carried out to laser shock peening with different lap rate.And the microstructure and properties of it was studied by scanning electron microscope,transmission electron microscope,X-ray diffractometer and 3D surface topography instrument and other equipment.The results show that the gradient nanostructure of 300M steel surface is formed by laser shock peening.The surface acicular tempered martensite is broken to form nanocrystals,and even local amorphous.A large number of crystal defects such as dislocation and twins are formed in the subsurface microstructure due to plastic deformation.The core still retains the acicular tempered martensite structure.Due to the inherent spatial Gaussian distribution of laser spot energy,the surface of 300M steel produces material flow with impact pits,and produces a large number of microcracks.With the increase of lap rate,the surface roughness of 300M laser shock peening steel decreases,the surface strengthening area increases and the surface grain size decreases.Laser shock peening improves the strength and plasticity of 300M steel,and the surface fracture morphology transforms to ductile-brittle mixed fracture.Key words:300M steel;laser shock peening;lap rate;gradient nanostructures;microstructure;mechanical propertyCLC number:TG178Document code:AArticle ID:1672-6871(2023)05-0016-09Mechanical EngineeringDesign and Experiment of Valve-less Piezoelectric Pump with Four-way Pipe(25)YAN Tianxianga,b,c,LONG Zhiwena,b,c,CHEN Huiqinga,b,c,LI Xianxuana,b,c,Qing Jianhuaa,b,c(a.Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Automation Technology;b.College of Mechanical and Control Engineering;c.Guangxi Engineering Research Center of Intelligent Rubber Equipment,Guilin University of Technology,Guilin 541006,China)Abstract:To improve the flow rate of the valve-less piezoelectric pump with Y-shape pipe,a valve-less piezoelectric pump with four-way pipe was proposed based on the structural characteristics of trident tree.The velocity streamline diagram of four-way pipe was simulated.The resistance characteristics of this pipe and the Y-shape pipe were compared.The pump prototypes for both pipes were made,and the flow rate and pressure difference tests were conducted.The results show that there is no obvious vortex when the fluid flows though the four-way pipe in the forward and reverse directions,and the efficiency of the valve-less piezoelectric pump with four-way pipe is 22.69%higher than that of the valve-less piezoelectric pump with Y-shape.At a driving Journal of Henan University Science and Technology(Natural Science)2023voltage of 220 V,the maximum flow rate of the valve-less piezoelectric pump with four-way pipe is 7.41 g/min,which is 21.47%higher than that of the valve-less piezoelectric pump with Y-shape pipe.The maximum pressure difference of the valve-less piezoelectric pump with four-way pipe is 421 Pa,which is 79.17%higher than that of valve-less piezoelectric pump with Y-shaped pipe.Key words:four-way pipe;Y-shape pipe;valve-less piezoelectric pump;flow rate;pressure differenceCLC number:TH38;TN384Document code:AArticle ID:1672-6871(2023)05-0025-06Research on Multi Cylinder Synchronous Control of Tunnel Boring Machine Tunnel Disassembly and Assembly Equipment(31)XU Liping1,ZHANG Yuhui1,ZHOU Xiaolei2,JIA Yaowei2,LI Jian1,LI Yuesong1(1.School of Mechatronics Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China;2.China Railway Engineering Equipment Group Co.,Ltd,Zhengzhou 450016,China)Abstract:A fuzzy proportion integral derivative(PID)control strategy based on deviation coupling synchronization structure was proposed to meet the synchronous control requirements of multiple hydraulic cylinders in tunnel boring machine(TBM)tunnel disassembly and assembly equipment.Firstly,based on the working principle of the multi hydraulic cylinder synchronous lifting electro-hydraulic proportional control system,a mathematical model of the hydraulic lifting system was established,and the main reasons for the asynchronous problem of the multi hydraulic cylinders were analyzed.Secondly,based on the characteristics of the hydraulic lifting system,a deviation coupling synchronous control structure and a control strategy combining fuzzy PID were designed.Finally,the control performance of this control strategy was verified through AMESim and Matlab/Simulink joint simulation experiments.The simulation test results show that in the case of equipment bias load,the maximum synchronization error between hydraulic cylinders is about 1.5 mm by using the designed deviation coupling fuzzy PID control strategy,which can meet the synchronization control requirements of the TBM host hole disassembly system.Key words:synchronous control;large eccentric load;fuzzy PID;deviation couplingCLC number:TH137;U45Document code:AArticle ID:1672-6871(2023)05-0031-06Information and Control EngineeringAn Active Disturbance Rejection Method for Aerial Manipulator Based on Linear Fuzzy Control(37)ZHANG Sen,ZHUANG Zhiqiang,SONG Shuzhong(School of Information Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471023,China)Abstract:The operation of unmanned aerial vehicle(UAV)with robot arm can improve the environmental adaptability,but the movement of the robot arm has strong interference on the flight platform,seriously affecting the stability of the operation platform.Aiming at the difficulty of disturbance rejection of flying manipulator,Euler-Lagrange method was used to model the whole system,and a linear fuzzy active disturbance rejection control(Fuzzy-LADRC)was proposed,which combined linear active disturbance rejection control(LADRC)and fuzzy control.This method combined the adaptive ability of fuzzy control and the anti-jamming ability of LADRC to nonlinear strongly coupled system,and optimized the control system.The physical simulation model of the system was built by Matlab/Simscape platform,and the performances of Fuzzy-LADRC,LADRC and PID controllers were analyzed by designing related simulation experiments.The