压电型气体隔膜泵设计理论与关键技术研究项目摘要

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。

气体作用隔膜泵gas operated diaphragm pump }}}c的一种，是以气体作用推动膜片产生变形输送液体的隔膜泵。见隔膜泵条目。气体作用隔膜泵为无泄漏泵，适用低排压的情况，一般用于0.7MPa以下。

高压电-气比例/伺服阀是实现高压电-气伺服系统的关键环节，目前已成为高压电-气伺服控制技术应用的瓶颈。本项目在华中科技大学多年进行高压气动技术研究工作的基础上，针对高压电-气比例/伺服阀研究中面临的关键技术，以某军工装备实际需求为切入点，首先对伺服阀阀口高压气体流动机理、控制容腔充放气热力学过程、阀芯摩擦副摩擦机理等基础性能进行研究。在此基础上，对高压电-气比例/伺服阀级间耦合控制方式、阀芯结构优化设计、元件动态性能的非线性补偿控制等方面进行深入研究，最终研制出满足某军工装备需要的高压（压力12MPa）、大流量（通径

能量回馈型超声波电机是一种集驱动与能量采集功能于一体的新型超声波电机，可以解决现有驱动器件自供电问题，但有诸多科学问题值得探索。为此开展了以下研究：能量回馈型超声波电机的工作机理与关键结构设计；电机理论模型与设计方法；电机能量采集系统模型与转换拓扑电路；电机驱动与控制特性；电机制备科学与综合试验。 1、 提出了一种改进的压电陶瓷极化分区形式，设计了一体式和分体式两种能量回馈型超声波电机结构，建立了两种电机定子结构的有限元模型，优化设计并分析了定子参数和采集区负载电阻对其频率特性、振动特性以及电特性的影响。 2、 考虑定子结构刚度不对称性，提出了电机定子等效双模机械振动模型；建立了电机定转子接触面力传递模型及其修正；利用修正后的Hamilton原理及粘弹性接触理论建立了电机动力学模型；基于正压电效应和弯曲振动理论，首次建立了电机能量采集数学模型；分析了驱动电压、驱动频率、预压力、负载力矩以及采集区负载电阻等对电机振动特性、机械特性和电输出特性的影响，形成了电机结构与能量优化设计理论。 3、 提出了电机能量采集系统的新型机电耦合等效电路模型，首次给出了能量采集系统的能量流图，分析了不同接口拓扑电路下的系统能量组成，建立了系统电荷-电压轨迹图。形成了标准整流滤波(SIC)、同步开关电感(SSHI)和能量自给同步开关电感(SP-SSSHI)能量采集转换拓扑电路技术；揭示了拓扑电路与采集系统之间多时间尺度非线性耦合动力学行为以及作用机制。 4、 提出了一种基于模糊PID的在线识别电机控制策略，具有误差小、计算量小和易于实现等特点，速度误差在3%以内。形成了基于555振荡技术、DSP2407 和DSP2808处理器的三种驱动控制电源技术。研制了两种能量回馈型超声波电机样机合计6套，搭建了电机性能测试平台，开展了电机综合性能实验研究，结果表明电机性能达到了设计指标要求。 5、 开展了压电能量采集器的关键理论与技术研究，形成了振动能量采集器的优化设计方法。此外，开展了两种新型超声波电机研究。 2100433B