CK6163縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計【含3張CAD圖紙】
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附錄 外文文獻(xiàn)翻譯外文原文中文翻譯IPMC致動器驅(qū)動的無閥微型泵設(shè)計及其在低雷諾數(shù)下的流量估計Sangki Lee and Kwang J Kim活性材料和加工實驗室,機(jī)械工程學(xué)院,內(nèi)華達(dá)大學(xué)摘要本文介紹了由IPMC (離子高分子金屬復(fù)合材料)驅(qū)動器驅(qū)動的無閥微型泵的設(shè)計和流量估計。應(yīng)當(dāng)指出的是,對于微型泵應(yīng)用來說,IPMC是一種非常有前途的材料,因為它可以用低輸入電壓控制并產(chǎn)生較大的存儲容量,同時可以對流速進(jìn)行控制。使用IPMC的微型泵制造工藝簡單;可以預(yù)計IPMC微型泵的制造成本與其他技術(shù)相比是非常有競爭力的。為了有效地設(shè)計一個作為微型泵的驅(qū)動馬達(dá)的IPMC隔膜,利用有限元分析(FEA)對IPMC隔膜的電極形狀進(jìn)行優(yōu)化并且對他的存儲容量進(jìn)行估計。此外,利用數(shù)值研究泵室壓力對存儲容量產(chǎn)生的影響。同時也研究無閥微型泵的適當(dāng)?shù)倪M(jìn)出口,噴嘴/擴(kuò)散元件。以選定幾何形狀的噴嘴/擴(kuò)散元件和IPMC隔膜的估計存儲容量為基礎(chǔ),在50左右的低雷諾系數(shù)下對微型泵的流量進(jìn)行估計。1. 介紹微型泵是非常有吸引力的設(shè)備,因為它們可以被用來作為配藥治療器具,冷卻微電子系統(tǒng),發(fā)展微小全分析系統(tǒng),推進(jìn)微型航天器等1-3。 對于這樣的各種各樣的應(yīng)用,許多類型的微型泵已經(jīng)開發(fā),但一般分為兩類:機(jī)械微型泵(即壓電式,靜電式,熱氣動式,磁式等)和非機(jī)械微型泵(即電滲式,電泳式,電流體動力式,磁流體動力式等)。與此同時,基于進(jìn)出口機(jī)構(gòu)不同,各類微型泵也分為閥式微型泵和無閥微型泵1,2,4。無閥微型泵,使用噴嘴/擴(kuò)散元件,很容易制成小體積且可避免磨損和疲勞的移動部件。為了使機(jī)械種類的微型泵產(chǎn)生存儲空間,隔膜被廣泛應(yīng)用1,2。壓電驅(qū)動隔膜通常產(chǎn)生高驅(qū)動力和快速的機(jī)械響應(yīng),但是他們需要高的輸入電壓。隔膜產(chǎn)生的存儲空間相對較小。熱氣動式驅(qū)動隔膜7需要低輸入電壓,產(chǎn)生高泵率,而且結(jié)構(gòu)可以非常接湊,但是高功率消耗和較長的熱時間常數(shù)是其主要缺點。靜電驅(qū)動隔膜8有快速響應(yīng)時間,微電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)兼容性好和低功率消耗的優(yōu)點,但是小的驅(qū)動器行程,較差的降解性能和高輸入電壓是使用這一隔膜的主要阻礙。電磁驅(qū)動隔膜9有較快速的相應(yīng)時間,但他們沒有得到很好的與MEMS兼容并且需要高能耗。IPMC10-15是一種新型的,非常有前途的材料用于微型泵的驅(qū)動隔膜。機(jī)電驅(qū)動的IPMC在低輸入電壓下(2V)有能力產(chǎn)生更大的彎曲變形(超過1%的彎曲應(yīng)變),并不僅可以在液體中操作,而且可以在空氣當(dāng)中16。此外,使用IPMC的微型泵制造工藝簡單。預(yù)計使用IPMC的微型泵制造成本與上文所述其他技術(shù)相比有非常強(qiáng)大的競爭力。在這項研究中,介紹了IPMC致動器驅(qū)動的無閥微型泵系統(tǒng)設(shè)計方法。IPMC加上Nafion膜被認(rèn)為是最好的驅(qū)動隔膜材料。為了估計圓形IPMC隔膜的變形形狀,應(yīng)用有限元法(FEM),利用雙晶片梁模型17相當(dāng)于IPMC致動器。使用這種模型,對多個參數(shù)進(jìn)行研究,來確定IPMC隔膜的最佳電極形狀并研究壓力對存儲容量的影響。此外,對最佳的IPMC隔膜進(jìn)行普通的模態(tài)分析來評估共振對存儲容量的影響。對無閥進(jìn)出口部分,基于流動阻力系數(shù)方程,使用錐形的噴嘴/擴(kuò)散元件18-20??紤]選定幾何形狀的噴嘴/擴(kuò)散元件和最佳IPMC隔膜存儲容量的影響,對無閥式微型泵的流量進(jìn)行估計。2. 設(shè)計一個有效的IPMC隔膜2.1等效雙晶片梁模型對IPMC隔膜進(jìn)行數(shù)值模擬并分析在輸入電壓下產(chǎn)生的變形。進(jìn)行數(shù)值分析,商業(yè)有限元分析(FEA)程序-MSC/NASTRAN 21,配合使用于等效雙晶片梁模型。等效雙晶片梁模型的建立方便了IPMC致動器的建模與行為分析17。在這里,我們簡要介紹其關(guān)鍵概念。當(dāng)電壓在厚度方向通過IPMC,IPMC中的水合反離子(或陽離子)從陽極一側(cè)遷移到陰極一側(cè)。這意味著移動的水合離子擴(kuò)大了陰極側(cè),同時它使陽極一側(cè)收縮從而使IPMC向陽極一側(cè)彎曲13。基于上文描述驅(qū)動機(jī)制,等效雙晶片梁模型,如圖1所示,假定一個IPMC有兩個同等厚度的虛擬層。利用穿過IPMC的電場影響,使IPMC的上層和下層擴(kuò)張或收縮,彼此相反,使IPMC產(chǎn)生彎曲運(yùn)動。等效機(jī)電耦合系數(shù)d31和等效彈性模量E的確定如下17:圖1一種典型形狀的雙晶片梁式中: s是測量的末端位移;V是輸入電壓;Fbl是測量的阻力;Ez為懸臂IPMC的電場強(qiáng)度;下標(biāo)1和3分別代表X方向和Z方向。因為MSC/NASTRAN 21不支持機(jī)電耦合分析,所以在有限元模型中利用熱類比技術(shù)22執(zhí)行機(jī)電耦合效應(yīng)。在熱類比技術(shù)中,機(jī)電耦合系數(shù)d31轉(zhuǎn)化為熱膨脹系數(shù)1,如下:式中:t是一個電勢穿越一層的厚度。然后,溫差T取代電勢V。關(guān)于更多關(guān)于熱類比技術(shù)的細(xì)節(jié)和事實可以在22中找到。2.2. IPMC隔膜通過參數(shù)研究來找到一個圓圈形IPMC隔膜(半徑:10mm)的最佳的電極形狀。為了估計IPMC隔膜的變形量和存儲容量,利用有限元分析的方法分析等效雙晶片梁模型?;趯嶒灁?shù)據(jù),等效雙晶片梁模型為我們提供了IPMC致動器的等效性能17。因此,通過等效雙晶片梁模型得出的等效機(jī)電耦合系數(shù)d31和等效彈性模量E使用于各種形狀的IPMC致動器,如圓形的IPMC隔膜。對于目前的工作,得到了IPMC以Li+形式負(fù)載過重白金(6%Pt)的等效性能。圖2顯示了使用圓形電極的隔膜1/4大小的有限元模型??傇?shù)(4次方21)為400。對稱性邊界情況適用于縱向和橫向線,固定邊界情況使用于隔膜的外部邊緣。如圖2所示,IPMC隔膜由一部分IPMC和一部分Nafion組成。由于這種組合,當(dāng)電壓施加在IPMC部分上時,IPMC和Nafion的圖2 IPMC隔膜(1/4 FEA模型)縱向接觸更加容易,因為Nafion具有較低的彈性模量,隔膜產(chǎn)生大彎曲變形。根據(jù)使用2V的輸入,可以計算隔膜的中心位移和電極半徑的變化。用于計算的材料特性和厚度列于表1。IPMC以Li+形式的等效機(jī)電耦合系數(shù)d31和等效彈性模量E通過等效雙晶片梁模型得出17。Nafion以Li+形式的彈性模量和泊松比分別來自文獻(xiàn)23,24。表1 IPMC隔膜材料性能和厚度IPMC負(fù)載過重白金(6%Pt)。鉑的載入是獨特的設(shè)計技術(shù),以提高濕度控制IPMC25。計算結(jié)果列于圖3。對IPMC隔膜,最大的中心位移是0.966mm,其電極半徑為8.5mm。該參數(shù)研究表明,最大撓度對應(yīng)一個最佳的電極半徑。同時,由圖4所示的變形形狀,在最佳電極情況下(半徑:8.5mm),可計算出一半的存儲容量(也是后文圖8一半存儲容量的定義)Vh = 130.6 l。 圖3 IPMC隔膜的中心位移圖4 IPMC隔膜變形形狀(電極半徑=8.5mm)2.3. 普通模式分析采用普通模式分析最優(yōu)的IPMC隔膜(電極半徑:8.5mm)以探討其動態(tài)特性。用于計算,以Li+形式的Nafion密度為2.078 103 kg m3,來源于參考文獻(xiàn)15。以Li+形式的IPMC密度加定位2.5 103 kg m3。圖5顯示的第一第二模態(tài)形狀的隔膜。計算的一階(即基本)和二階固有頻率分別為430Hz和1659Hz。如果我們考慮驅(qū)動IPMC隔膜的頻率范圍不到40Hz16,計算的固有頻率遠(yuǎn)大于驅(qū)動頻率范圍。因此,在這個驅(qū)動頻率范圍,共振將不會影響存儲容量。此外,該結(jié)果意味著,我們可以在低驅(qū)動頻率下(40Hz),線性的控制IPMC驅(qū)動的微型泵流速,因為在低頻率驅(qū)動范圍,微型泵流速線性的隨著驅(qū)動頻率的增大而增加26。圖5 在最佳IPMC隔膜下的普通模式分析結(jié)果(電極半徑=8.5mm)2.4. 存儲容量的壓力影響研究壓力對最佳IPMC隔膜的影響。主要由流體的拖拽和背壓產(chǎn)生的壓力可以看做為微型泵的腔室壓力。為了數(shù)值計算在壓力下的存儲空間,統(tǒng)一的壓力作用于電極半徑為8.5mm的最優(yōu)化的IPMC隔膜有限元模型上(如圖6)。圖7顯示在有壓力和2V輸入的情況下,估計的最佳圓形隔膜的存儲容量。在圖7中,“相反的方向”說明了隔膜的彎曲和壓力在相反的方向時,一半的存儲容量,“相同的反響”說明了隔膜的彎曲和壓力在相同的方向時,一半的存儲容量。根據(jù)結(jié)果顯示,在“相反的方向”條件下,IPMC隔膜可以產(chǎn)生一般的存儲容量直到2300Pa左右的壓力 圖6 統(tǒng)一壓力下的隔膜(1/4FEA模型) 圖7 IPMC隔膜的一半存儲容量3. 噴嘴/擴(kuò)散器設(shè)計和流量估計在這一章節(jié)中,介紹IPMC致動器驅(qū)動的微型泵的合適的噴嘴/擴(kuò)散器的設(shè)計。在非常低的雷諾系數(shù)(50)和考慮錐形噴嘴/擴(kuò)散器的的情況下,對微型泵的流量進(jìn)行估計。我們用最優(yōu)的IPMC隔膜(即隔膜半徑10mm,電極半徑8.5mm)作為抽水的微型泵的驅(qū)動隔膜,并且它的驅(qū)動頻率為0.1Hz。圖8為使用錐形噴嘴/擴(kuò)散器IPMC隔膜驅(qū)動的微型泵的示意圖。如圖8所示,隔膜在出水時向上彎曲,在進(jìn)水時向下彎曲。在出水時實體的大小箭頭分別表示液體流經(jīng)出口和進(jìn)口部件,同時在進(jìn)水時虛線的大小箭頭分別表示液體流經(jīng)進(jìn)口和出口部件。Pi:進(jìn)口壓力Po:出口壓力Pc:腔室壓力Vh_us:上半部存儲空間Vh_ds:下半部存儲空間V = Vh_us + Vh_ds:存儲空間t0 , t1 , t2:時間實體箭頭:出水流向虛線箭頭:進(jìn)水流向 圖8 使用噴嘴/擴(kuò)散元件的IPMC驅(qū)動的微型泵的一種示意圖3.1. 錐形噴嘴/擴(kuò)散器的流體阻力系數(shù)圖9所示錐形噴嘴/擴(kuò)散元件。其中D為直徑,v為流速,為圓錐角,L為長度,Re為雷諾系數(shù),為運(yùn)動粘度。下標(biāo)0和1分別表明小直徑部分和大直徑部分。下標(biāo)n和d分別代表噴嘴和擴(kuò)散器。如圖9所示,同樣的元件按照流動方向的不同可以被看做是一個噴嘴或一個擴(kuò)散器。 圖9 錐形噴嘴和擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)在低雷諾系數(shù)(1 Re 50)和小圓錐角( 40)情況下,擴(kuò)散器的流動阻力系數(shù)可以寫成如下18,20: 對于噴嘴在低雷諾系數(shù)(1 Re 50)和小圓錐角( 40)情況下,流動阻力系數(shù)可以描述為18,20:利用方程(4)和(5),錐形噴嘴/擴(kuò)散元件流動系數(shù)阻力可以寫成如下:同時,流動阻力系數(shù)與穿過擴(kuò)散器和噴嘴的壓力差有關(guān)19:式中:Pd和Pn分別為穿過擴(kuò)散器和噴嘴的壓力差;為液體密度。將方程(4)和(5)代入方程(7)和(8)。在低雷諾系數(shù)下的壓力差可以寫成: 如果相對于腔室壓力Pc進(jìn)口和出口壓力Pi Po都被忽略(見圖8中的壓力),壓力差Pd=Pn=Pc19,并且由公式(9)和(10),可推導(dǎo)出下面的公式:因為噴嘴和擴(kuò)散器的雷諾系數(shù)比為Ren/Red = (v0)n/(v0)d(見圖9中方程),方程(11)可以寫成如下: 或者 由方程(6)和(12)得,流動阻力系數(shù)比值可以寫成如下:或根據(jù)方程(4)(5)和(13a),在低雷諾系數(shù)和確定幾何形狀的噴嘴/擴(kuò)散器元件條件下,比值為定值。此外,方程(13b)可以直接由方程(7)和(8)得到。圖10(a)和(b)表明了由錐形噴嘴/擴(kuò)散元件的直徑D0,圓錐角,長度L計算得出的流動阻力系數(shù)比值。系數(shù)比隨著直徑D0的變大而減小;另一方面,隨著噴嘴/擴(kuò)散元件的圓錐角和長度L的變大而增加。如果我們僅考慮噴嘴/擴(kuò)散元件的效率,在低雷諾系數(shù)下,越小的直徑D0,越大的圓錐角,越長的長度L更有利于液體流動。注意在圖(10b)中,在D0 = 2 mm, = 40,和 L = 9 mm條件下,直徑D1為8.55mm。圖10 噴嘴對擴(kuò)散器的流動阻力系數(shù)比3.2. 微型泵的平均輸出流量如果我們考慮通過噴嘴/擴(kuò)散元件的平均流動速度,在進(jìn)水或出水過程中的存儲容量(見圖8中存儲空間定義)與液體流動速度相關(guān),如下:或式中:(Vout)outlet and (Vout)inlet分別表示出水過程中流經(jīng)出口和進(jìn)口的流出液體量,(Vin)outlet and (Vin)inlet分別表示在進(jìn)水過程中流經(jīng)出口和進(jìn)口的流入液體量。F0是噴嘴/擴(kuò)散器在小直徑D0處的面積,T為周期。無論在進(jìn)水還是出水時,我們可以將方程(14a)和(14b)重寫成如下:應(yīng)當(dāng)注意到,在出水時出口流速(v0)d應(yīng)該等于進(jìn)水時進(jìn)口流速(v0)d,并且出水時進(jìn)口流速(v0)n應(yīng)該等于進(jìn)水時出口流速(v0)n。在一個周期T時間內(nèi),流經(jīng)出口的液體凈輸出量Vnet如下定義:定義平均輸出流量Q為Vnet/T,我們可以重新得到方程(16)如下:將方程(13)和(15)代入方程(17),在一個周期T時間內(nèi),平均輸出流量Q可以預(yù)計如下19,20:式中Vh為一半的存儲容量(V/2)。由于方程(4)和(5)只有在低雷諾系數(shù)(1 Re 50)下有效,我們在對平均輸出流量進(jìn)行有效預(yù)測時需要知道在噴嘴/擴(kuò)散元件處的雷諾系數(shù)。在低雷諾系數(shù)下,通過噴嘴的液體流速也低于通過擴(kuò)散器的液體流速。因此,在本研究中預(yù)測雷諾系數(shù)時只對通過擴(kuò)散器的液體流速進(jìn)行計算。由方程(12)和(15)知,流經(jīng)擴(kuò)散器的液體平均流速用如下公式進(jìn)行計算:使用方程(18)中的液體流速,流經(jīng)擴(kuò)散器的雷諾系數(shù)可由如下公式計算:圖11 (a)和(b)顯示由IPMC致動器驅(qū)動的微型泵的平均輸出流量估計。為了對流量進(jìn)行計算,我們使用在章節(jié)2.2中提到的最優(yōu)化的IPMC隔膜,選擇IPMC隔膜的驅(qū)動頻率f = 0.1 Hz,使用一半存儲容量,Vh = 130.6 l。使用在20C時水的運(yùn)動粘度系數(shù)=1.010-6 m2s-1。因為流量估計僅僅在低雷諾系數(shù)范圍(1 Re 50)內(nèi)有效,我們在每幅圖中標(biāo)記有效估計極限為Re=50。如圖11(a)和(b)所示,平均輸出流量Q隨著直徑D0的變大而減小,并且隨著噴嘴/擴(kuò)散元件的圓錐角和長度L的變大而增加。在圖11(b)中,我們給定噴嘴/擴(kuò)散元件的圓錐角=40,長度L=9mm,直徑和雷諾系數(shù)分別為0.95mm和50,估計平均輸出流量為8.2 l s1。圖11 在低雷諾系數(shù)下IPMC致動器驅(qū)動的微型泵平均輸出流量估計事實上,IPMC致動器驅(qū)動的微型泵有許多設(shè)計參數(shù),包括幾何形狀,輸入電壓,IPMC隔膜驅(qū)動頻率,和噴嘴/擴(kuò)散元件的一些方程等。應(yīng)該調(diào)整和優(yōu)化所有的設(shè)計參數(shù)使IPMC致動器驅(qū)動的微型泵使用于不同的特定場合。4. 結(jié)束語在本文中,介紹了IPMC驅(qū)動的無閥式微型泵的詳盡的設(shè)計方法。為了準(zhǔn)確的估計IPMC隔膜的變形形狀,在有限元方法中使用了非常方便的IPMC致動器的等效雙晶片梁模型。通過使用數(shù)值方法對參數(shù)進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),為了產(chǎn)生最大的中心位移,應(yīng)該使用圓形的IPMC隔膜,其中電極半徑為8.5mm,IPMC隔膜半徑為10mm為最優(yōu)值。對最優(yōu)的圓形IPMC隔膜進(jìn)行普通模式分析表明,由于計算出的系統(tǒng)固有頻率(430Hz)遠(yuǎn)大于驅(qū)動頻率范圍(40Hz),共振不會對存儲容量產(chǎn)生影響?;谶x定幾何形狀的錐形噴嘴/擴(kuò)散元件,在較低的雷諾系數(shù)下(Re=50),使用流體阻力系數(shù)方程對IPMC致動器驅(qū)動的無閥式微型泵進(jìn)行平均輸出流量進(jìn)行估計。目前,我們正在制造定型的IPMC微型泵來證明本文中提出的設(shè)計概念,并將在不久的將來把這項研究的結(jié)果報告出來。致謝非常感謝美國國家科學(xué)基金會獎次項目通過RCV計劃,并給予一定得財政支持。本文第一作者得到了韓國研究基金會部分支持(KRF-2005-214-D00025)。此外,KJK非常感謝Medipacs公司和美國陸軍對IPMC隔膜的支持。
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