关键词:
汪克尔泵
机电一体化
小型化
集成化
泵送性能
流场观察
摘要:
汪克尔泵,基于汪克尔发动机逆向应用,其利用偏心轴的转动驱动三角转子在双弧外次摆线的缸体型线内进行偏心复合运动,进而实现工作室的容积变化。因其具备结构简单且紧凑,容积利用率高,能与其他子系统集成的特点,可总结为汪克尔泵更利于小型化与集成化,目前已在生物医学工程、小型冷却系统和小型混合器等领域有所探索,并在微流体领域具有重要的现实价值与应用前景。研究学者为了提升汪克尔泵的效率与性能,多是从流体泄漏、冲击碰磨、流场分析和参数优化方面去着手研究改进,鲜有从结构上改进去提升其效率。另外,随着微流体领域的发展,芯片尺度的微流体系统不能允许的微传感器与微执行器具有驱动与执行间具有分离性的硬连接存在,需要小型化与集成化的机电一体的传感器与执行器的实现。目前传统的汪克尔泵多是需要外置驱动机器,泵结构被动执行,同时需要外置传动装置连接驱动机器与偏心轴,这种驱动与执行分离的形式不仅限制了汪克尔泵的应用与性能,并制约了汪克尔泵小型化集成化的进程。故本研究基于机电一体化思想,提出一种驱动与执行一体式小型汪克尔泵的结构,将驱动组件集成于泵执行结构中,满足原本的泵送功能同时减少传动机构数目与传动路径上的损耗。三角转子轮廓用圆弧曲线替代缸体型线包络线的复杂曲线设计,简化加工。本文将围绕驱动与执行一体式小型汪克尔泵展开其结构设计与工作原理、理论性能分析、有限元分析、实验测试等方面的研究,具体内容如下:(1)基于机电一体化思想,设计了一种驱动与执行一体式小型汪克尔泵的结构,阐述了其装配关系与组件分布;揭示了缸体轮廓与用圆弧线代替的转子轮廓的创成过程,并建立了缸体型线与转子型线的的数学模型;通过阐述驱动与执行一体式小型汪克尔泵的工作室的泵送循环过程来解释该泵的传动关系与泵送原理。(2)从三角转子的运动学与受力分析出发,分析了偏心轴的负载的变化及其影响因素;基于电机学推导出输出转速与负载、磁感应强度等因素的匹配公式;通过分析工作室的容积变化,得出了驱动与执行一体式小型汪克尔泵的理论输出流量,得到了输出转速、输出流量与结构参数、输入电压、磁场强度的匹配机制;提出一个无量纲系数,其对驱动与执行一体式小型汪克尔泵的形状与工作特性有重要影响,探究该系数对泵送性能的影响。(3)对驱动与执行一体式小型汪克尔泵的整泵流场的有限元模型进行介绍,解释了网格划分、边界条件、动网格设置以及用户自定义等有限元设置方法;通过瞬态计算分析,得到了驱动与执行一体式小型汪克尔泵的整泵流场工作循环的速度流线云图和压力变化云图,验证了该泵的泵送功能和分析了其流场特性。(4)制作了驱动与执行一体式小型汪克尔泵的样机并搭建了高速摄像机实验平台与泵送性能实验平台;对样机内的工作室进行流场观测实验,得到其吸程与排程的流场特性,进一步验证了仿真模拟的结果;进行了不同磁场强度、输入电压下对该泵的输出转速、输出流量和输出压力的泵送性能实验,得到其输入输出参数的变化规律;设置并制作了不同形状系数的样机,分别对该系列样机进行泵送性能测试,进一步完善形状系数对泵送性能的影响。