轮式薄膜阀性能研究

轮式薄膜阀制作材料为厚度5～7μm左右铍青铜或树脂类材料,阀的中间圆形片是阀的执行部分,周边固定环将阀固定,固定环和圆形片的连接折叠环臂起到弹簧作用。这种阀的优点是开启时阀体的执行部分整体平动,能减少泵工作时流量损失,提高阀的单向截止性能,并具有较好的承载能力,液体温度较高时对阀性能不会产生影响;缺点是折叠弹簧梁受力后可能不再平整,导致阀片与阀座在工作时,阀的截止性能下降甚至失效。

图4.7　轮式薄膜阀

这种阀在设计上相当于一个圆板悬挂在N个折叠梁上,这些折叠梁相当于阀的弹簧。

因此作用在每个梁上的力为:

式中:Δp——作用在阀圆板上的压强,R——圆板半径。

每个梁可以看成多段连接的弹簧梁构成,因此阀片总的变形量可以写成

每段梁可以看成一端固定,另一端的变形量为:

式中:Li——每段梁的长度,E——弹性模量,I——截面惯性矩。b——梁的宽度,t——梁的厚度。

因此,阀的弹性刚度系数为

轮式薄膜阀在泵腔内工作,当向腔内振动时有较大的液体空间,但向阀座上运动时却将受到阀座的阻碍。其工作原理如图4.7(b)所示。当阀体两侧存在压差时阀片打开,流体通过阀周围缝隙通过,将阀的过流间隙等效为平行圆盘缝隙,流动为缝隙过流,当阀打开时与阀座间形成的瞬间间隙高度为δ,流体由过流孔中心流入,在压差作用下向四周径向成放射形流出。在半径r处取宽度为dr的液层并展开,可近似地看作平行板的缝隙流动,则平行板缝隙中的瞬时流速u由下面公式可得:

式中:u0——平行平板间相对运动速度,μ——液体动力黏度

作为平行圆盘缝隙,则令u0=0,求得在r处的流速为:

积分后,得到通过孔的流量公式为

进而可以得到

对公式(4-18)积分得

由边界条件,当r=R时(R近似为阀片的半径),p=p2,求出C代入,得

又当r=r孔(r孔为通流孔半径)时,p=p1,所以得瞬时流量为

式中:Δp——作用在阀两侧的压差,代入公式(4-11)、(4-12)、(4-13),可得

当压电泵工作时,作用在阀两侧的压差变化和加载在压电泵上的正弦交流电信号之间满足ΔP=pmsin(ωt-φ0),式中pm为压力幅值;ω=2πf,f为压电泵的工作频率,也是驱动电信号的频率;φ0为压电振子与阀之间振动的相位角。在一个周期T=1/f内通过阀的流体流量QT为:

从公式(4-23)可以看出,为保证阀的截止性能,必须使阀片的半径和阀孔半径满足R＞r孔,但阀孔半径的增加会增大泵的出流量,而流体黏度的增加会减少出流量。同时,当阀和振子之间的相位角增大时,通过阀的流量也会减少。