● 摘要
泵是一种用于增加流体压力、驱动流体运动的装置，是流体系统必不可少的关键部件之一。为提高传统泵在功率密度、控制精度、响应速度等方面的性能，人们将传统泵与智能材料驱动技术融合，提出了全新的智能材料驱动泵的概念。目前，常见的智能材料泵大多仅通过单个驱动元件产生流体能量，同时辅以被动或主动配流阀对流体进行整流。上述结构不可避免的造成了现有智能材料泵的流量小、流量脉动大、功率低、可靠性差等问题，限制了其在工程实际中的应用。因而有必要重新对智能材料泵的工作原理与体系结构进行深入研究，提出新的原理结构，改善泵性能。
本文以压电智能材料驱动泵为研究对象，深入研究了碟片式单向阀及其配流的被动式单压电驱动泵；在此基础上，提出了一种新型多压电驱动的循环式主动配流泵；为进一步提高新型多压电泵性能，提出了一种大流量且高可靠的改进型多压电驱动泵。具体内容包括以下四个方面：
(1) 碟片式单向阀常被用作被动式压电泵的配流阀，其性能直接影响着泵的输出特性。传统碟片阀大多是基于静态指标设计的，而压电泵通常工作在高频状态。随着工作频率的提高，碟片阀的反向截止性能面临严重挑战，因而有必要对其动态特性进行研究。此外，碟片阀的参数对其动态特性的影响非常复杂且敏感，这使得精确设计阀参数十分困难。为了优化碟片阀的动态设计过程，本文提出了一种通用的单向阀动力学建模与优化设计方法，实现了碟片阀根据不同工况需求的最优设计。文中以一种典型的三曲梁式簧片结构为例，利用动力学建模方法建立了碟片阀流量关于其簧片关键参数的模型；利用粒子群优化方法对不同工作频率下的簧片参数进行优化；根据优化结果开发了碟片阀及其测试系统。仿真与实验结果证实了上述方法的准确性和有效性。
(2) 基于碟片阀开发了被动配流式单压电驱动泵。在泵系统设计中，针对压电陶瓷驱动器（Pb[ZrxTi1-x]O3, PZT）在高频工况下极易发生损坏的问题，本文提出了一种球顶式压电保护机构，有效地隔离了对PZT有害的外载荷，提高了压电泵的可靠性；同时，利用PZT在电气上可等效为电容的特点，本文开发了高效能的PZT驱动电路，对PZT释放的能量进行回收再利用，有效地提高了电路工作效率。上述设计可适用于所有PZT驱动的系统中，具有一定的通用性。此外，为深入了解压电泵中各部件的耦合工作关系，开发了系统完整的动力学模型，并对碟片阀簧片厚度、液体含气量、碟片阀流量系数等关键参数进行分析，为系统的进一步优化设计奠定理论基础。随后，通过实验验证了上述设计的有效性和理论分析的正确性。
(3) 针对传统压电泵中存在的输出流量小、流量脉动大、需要额外配流元件、可靠性差等问题，本文提出了一种多压电驱动的循环式主动配流泵。系统中采用4根PZT同时驱动流体运动，使得泵的输出流量能够成倍提高。同时，每根PZT均可独立控制，通过设计它们各自的控制指令，可以使整个压电泵的输出流量保持恒定，消除了系统的流量脉动。通过集成设计活塞与主动配流阀，使二者能够同时被1根PZT驱动；增加的主动配流阀可用于泵内其他活塞的配流，因而整个泵无需额外的配流阀即可实现流体的双向可控输出。此外，单套PZT及其驱动的部件的损坏不会造成整个泵失效，通过重构剩余的3套部件仍能维持压电泵的降级工作，提高了系统的可靠性。基于上述设计，开发了系统的动力学模型，并对系统在无脉动指令下的输出特性、关键参数、容错工作方式等问题进行深入研究。通过实验验证了设计方案，并对实验中发现的问题进行讨论，为系统的改进设计指明方向。
(4) 为进一步提高多压电驱动泵的性能，提出了一种大流量且高可靠的多压电泵改进设计方案。在PZT驱动机构中引入位移放大元件，一方面增大了活塞行程，即提高了泵排量；同时，扩大了配流阀开口，缓解了吸油不足的问题。此外，通过改进配流阀的形式，简化了泵内的油路；同时，使系统在发生部分二次故障情况下仍可工作，大大提高了系统的可靠性。通过与第一版方案对比，证实了新型泵具有大流量输出、高可靠性的优势。