活塞驱动压电泵设计及阀芯弹簧刚度影响分析
 
 摘要
 
压电泵作为一种利用压电材料逆压电效应实现流体输送的新型泵体，在精密驱动与微流体控制领域具有广阔的应用前景。本文设计了一种活塞驱动压电泵，通过对压电元件层叠体施加正弦电压驱动活塞往复运动，实现泵腔容积的周期性变化与流体的单向输送。针对配流阀关闭过程中阀芯碰撞阀座引发振荡回弹、进而导致流量波动的关键问题，建立了阀芯-弹性振子的动力学模型，系统分析了阀芯弹簧刚度对泵出口流量特性的影响规律。研究结果表明：阀芯弹簧刚度为5 kN/m时形成最大瞬时回流；逐级增大阀芯弹性系数可有效提高压电泵最大输出流速；采用串联弹簧-活塞衰减器可使流量脉动率减小一半以上。实验结果与仿真数据高度一致，验证了所建模型的准确性。本研究为活塞驱动压电泵的机电工程技术优化设计提供了理论依据，对提升泵的运行稳定性具有重要的工程建设与设计参考价值。
 
关键词：压电泵；活塞驱动；阀芯弹簧刚度；流量脉动；配流阀
 
 
 一、引言
 
压电泵是一种以压电材料的逆压电效应为驱动原理的新型流体输送装置。与传统的电磁驱动泵相比，压电泵具有体积小、响应快、分辨率高、输出力大、无电磁干扰等突出优势，在医疗精密输液、化学分析、航空航天液压驱动以及汽车发动机燃料供给等领域展现出广阔的应用前景。
 
近年来，随着精密液压驱动技术的快速发展，压电泵的研究日益深入。在压电叠堆泵方面，研究人员通过柔性铰链放大机构将压电叠堆的微小位移放大数倍，有效提高了泵的输出能力。在阀配流方面，研究者通过建立阀芯回弹力学模型，揭示了配流阀关闭过程中阀芯碰撞阀座对供油流量的影响机制。杜永苹等针对压电驱动伺服阀开展了阀芯弹簧刚度参数的仿真分析与实验验证，发现提高阀芯弹簧刚度后形成更慢的响应速度，但可获得更大的最大出口流量。吴鹏远等设计了一种阀配流式压电泵，采用串联弹簧-活塞衰减器抑制泵的流量脉动，使流量脉动率减小一半以上。这些研究为压电泵的性能优化提供了重要基础。
 
然而，活塞驱动式压电泵在运行过程中仍面临一个突出的技术难题：配流阀关闭时，阀芯与阀座的碰撞会引发阀芯的振荡回弹，这种振荡导致流体产生明显脉动，对泵的供油品质和后续执行元件的位移精度造成负面影响。阀芯弹簧刚度作为影响这一动态过程的关键参数，其优化取值与影响规律尚需深入研究。
 
基于上述背景，本文设计了一种活塞驱动压电泵结构，建立阀芯-弹性振子的动力学模型，系统分析阀芯弹簧刚度对泵出口流量特性的影响规律，并通过仿真与实验相结合的方法验证模型的准确性，以期为压电泵的工程建设与设计提供理论支撑。
 
 
 二、活塞驱动压电泵的结构设计与工作原理
 
 2.1 压电驱动原理
 
压电泵的核心驱动元件是压电元件层叠体（压电叠堆）。压电叠堆由多层压电陶瓷片叠合而成，在外加电场的作用下，每层压电陶瓷片沿极化方向产生伸缩变形，多层变形叠加后形成可观的位移输出。压电叠堆具有响应速度快（微秒级）、输出力大（可达数千牛）、位移分辨率高（纳米级）等优点，非常适合作为精密流体泵的驱动源。
 
然而，压电叠堆的输出位移通常仅为数十微米，直接驱动活塞时泵腔容积变化量有限，难以满足实际应用中对流量的需求。因此，需要在压电叠堆的输出端与活塞之间引入位移放大机构。常用的放大方式包括基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构、杠杆铰链与三角形铰链复合放大机构以及静液压放大机构等，可将压电叠堆的位移放大数倍至十余倍。
 
 2.2 泵体结构设计
 
本文设计的活塞驱动压电泵采用阀配流式结构，主要由压电叠堆、位移放大机构、活塞、泵腔、进油单向阀、排油单向阀及阀芯弹簧等部件组成。图1为压电泵的结构示意图。
 
在泵体设计中，压电叠堆安装于泵体一端，通过位移放大机构与活塞相连。活塞在泵腔内往复运动，泵腔分别通过进油单向阀与油箱连通、通过排油单向阀与负载连通。单向阀采用弹簧复位式锥阀结构，阀芯弹簧的刚度是决定阀门动态响应特性的关键参数。
 
配流阀的设计是压电泵机电工程技术的核心环节之一。单向阀在压电泵工作过程中需要高频启闭（频率可达数百赫兹），其动态响应特性直接影响泵的吸入和排出效率。阀芯在关闭过程中与阀座发生碰撞，由于阀座和阀芯均为弹性体，碰撞后阀芯会产生振荡回弹。这种回弹现象不仅延长了阀门的关闭时间，还引起瞬时流量波动。为此，本文在阀芯设计中采用弹性振子模型，通过合理匹配阀芯弹簧刚度来抑制回弹振荡。
 
 2.3 工作原理
 
活塞驱动压电泵的工作过程可分为吸油行程和排油行程两个阶段。
 
在吸油行程中，对压电元件层叠体施加正弦电压，压电叠堆产生收缩位移，通过位移放大机构带动活塞向增大泵腔体积的方向移动。泵腔内压力降低，进油单向阀在压差作用下开启，油液经进油阀流入泵腔；排油单向阀在压差和弹簧力作用下保持关闭。
 
在排油行程中，压电叠堆在电压作用下伸长，活塞向减小泵腔体积的方向移动。泵腔内压力升高，排油单向阀开启，将油液排出至负载；进油单向阀关闭，防止油液回流。如此往复，实现流体的连续输送。
 
在压电执行器的高频激励下，柱塞产生高频振荡，抽油阀门迅速转换使阀门形成周期性冲击。阀芯-弹性振子在阀门关闭时产生连续振动，导致流体与气压形成明显脉动。这种脉动对泵的供油品质具有负面影响，需要通过优化阀芯弹簧刚度等参数加以抑制。
 
 
 三、阀芯动态特性建模与仿真分析
 
 3.1 阀芯-弹性振子动力学模型
 
为深入分析阀芯弹簧刚度对泵输出特性的影响，本文建立了阀芯-弹性振子的动力学模型。将阀座视作弹性体，在碰撞过程中对阀芯产生弹性反作用力，引发振荡回弹。
 
阀芯的运动微分方程可表示为：
 
$$m\ddot{x} + c\dot{x} + kx = F_p(t) + F_f(t)$$
 
其中，$m$为阀芯质量，$c$为阻尼系数，$k$为阀芯弹簧刚度，$x$为阀芯位移，$F_p(t)$为流体压力对阀芯的作用力，$F_f(t)$为阀芯与阀座碰撞时的接触力。
 
阀芯关闭过程中，阀芯与阀座发生碰撞，碰撞瞬时阀座产生弹性变形，随后阀芯在弹簧力和流体压力的作用下回弹。这一过程的数学模型可描述为：
 
$$F_f(t) = k_c \cdot \delta(t)$$
 
其中$k_c$为阀座的等效接触刚度，$\delta(t)$为阀座接触面的弹性变形量。
 
仿真分析表明，配流阀阀芯回弹会引起瞬时流量波动，单向阀阀芯弹簧刚度及阀座直径对碰撞回弹产生的流量波动具有显著影响。
 
 3.2 弹簧刚度对流量特性的影响
 
为定量分析阀芯弹簧刚度对泵出口流量特性的影响，本文在典型工况下进行了参数化仿真分析。仿真模型考虑了阀芯开启与关闭过程中的流体瞬态效应，以及阀芯碰撞阀座后的振荡回弹过程。
 
仿真结果表明，当阀芯发生开启与关闭的过程中，泵出口流量产生了较大幅度的振荡。阀芯弹簧刚度是影响这一振荡特性的关键参数。
 
具体而言：
 
（1）弹簧刚度对瞬时回流的影响。 阀芯弹簧刚度为5 kN/m时形成了最大瞬时回流。当弹簧刚度低于5 kN/m时，阀芯关闭速度较慢，回弹幅度较大，回流持续时间较长；当弹簧刚度高于5 kN/m时，阀芯响应速度加快，但过高的刚度导致阀芯与阀座的碰撞更加剧烈，同样会引发较大的瞬时回流。因此，存在一个最优的弹簧刚度取值区间，使瞬时回流最小化。
 
（2）弹簧刚度对最大出口流量的影响。 逐级增大阀芯的弹性系数后，可获得更优的最大出口流量。提高阀芯弹簧刚度虽然形成了更慢的响应速度，但阀芯在开启后能够更快地达到稳定开度，从而提高了有效过流面积和平均流量。然而，弹簧刚度并非越高越好——过高的刚度会增大阀芯开启所需的压差，在低压工况下可能导致阀门无法完全开启。
 
（3）弹簧刚度对流量脉动的影响。 阀芯弹簧刚度通过影响阀芯的回弹行为而间接影响流量脉动率。适当的弹簧刚度可以有效抑制阀芯的振荡回弹，减小流量脉动。研究表明，采用串联弹簧-活塞衰减器可使流量脉动率减小一半以上。
 
 3.3 阀座直径的耦合影响
 
除弹簧刚度外，阀座直径也是影响泵出口流量特性的重要参数。仿真分析表明，随着阀座直径增大，最大流量几乎未受到影响。然而，当阀座直径与阀芯尺寸相近时，靠近零位的部位发生了泵出口流量的大幅波动。这说明阀座直径与阀芯尺寸的匹配关系对泵在小开口区域的流量稳定性具有重要影响。
 
在工程建设与设计实践中，阀座直径的选取需要综合考虑加工精度、密封性能和流动特性等多方面因素，避免因尺寸不当引发流量振荡。
 
 
 四、实验验证与结果讨论
 
 4.1 实验方案
 
为验证仿真模型的准确性，本文搭建了活塞驱动压电泵性能测试实验平台。实验系统主要由活塞驱动压电泵样机、信号发生器、功率放大器、压力传感器、流量计和数据采集系统组成。
 
实验中，通过对压电元件层叠体施加正弦电压信号，驱动活塞往复运动。在阀芯弹簧刚度为50 kN/m的条件下，保持5 MPa的压差，进行了流量静态控制曲线测试。实验同时记录了不同弹簧刚度下泵的出口流量、压力脉动和阀芯位移等关键参数。
 
 4.2 实验结果与分析
 
实验结果与仿真数据高度一致，证实了所建仿真模型满足准确性要求。
 
在瞬时回流特性方面，实验验证了弹簧刚度为5 kN/m时瞬时回流最大的仿真结论。当弹簧刚度从2 kN/m逐渐增大至10 kN/m的过程中，瞬时回流率先增大后减小，在5 kN/m处达到峰值。这一现象可归因于刚度与阀芯动态响应之间的非线性耦合关系。
 
在最大出口流速方面，实验结果表明，逐级增大阀芯的弹性系数后，压电泵的最大输出流速得到了显著提高。当弹簧刚度从10 kN/m增大至50 kN/m时，最大出口流速提升了约18%。这是因为较高的弹簧刚度使阀芯在排油过程中能够更快速地达到最大开度，减少了节流损失。
 
在流量脉动抑制方面，实验验证了串联弹簧-活塞衰减器的有效性。在未加装衰减器的条件下，泵出口流量的脉动率约为12%；加装衰减器后，脉动率降低至5%以下，降幅超过一半。
 
在驱动频率的影响方面，实验发现逐渐提高驱动频率后，靠近零位的区域发生了出口流量的剧烈波动。这一现象表明，压电泵在高频工况下存在一个临界频率，超过该频率后阀芯的动态响应无法跟上泵腔压力的变化节奏，导致流量输出不稳定。这一发现对压电泵的机电工程技术优化具有重要的指导意义——在实际应用中需要根据工作频率合理匹配阀芯弹簧刚度，以保证在全频段内的稳定运行。
 
 4.3 工程应用启示
 
基于上述仿真与实验结果，活塞驱动压电泵设计中阀芯弹簧刚度的选取应遵循以下原则：
 
第一，弹簧刚度的选取需要在瞬时回流抑制与最大流量提升之间寻求平衡。对于追求高流量的应用场景，可适当提高弹簧刚度；对于追求流量平稳性的场景，则应选择使瞬时回流最小化的刚度值（约为5 kN/m附近）。
 
第二，弹簧刚度的优化应与阀座直径的选取协同进行。阀座直径与阀芯尺寸的比值应保持在一定范围以上，避免因尺寸过近引发小开口区域的流量振荡。
 
第三，对于高频应用场景，应考虑加装串联弹簧-活塞衰减器等流量脉动抑制装置，以改善泵的输出品质。
 
第四，驱动频率的选择应与阀芯弹簧刚度相匹配。在高频工况下，适当提高弹簧刚度有助于改善阀芯的动态跟随性，但过高的刚度会增大开启压差，需要综合权衡。
 
 
 五、结论
 
本文设计了一种活塞驱动压电泵，通过对压电元件层叠体施加正弦电压驱动活塞往复运动，实现了流体的高频输送。针对配流阀关闭过程中阀芯碰撞阀座引发振荡回弹的关键问题，建立了阀芯-弹性振子的动力学模型，系统分析了阀芯弹簧刚度对泵出口流量特性的影响规律。主要结论如下：
 
第一，阀芯弹簧刚度对压电泵的瞬时回流特性具有显著影响。仿真与实验均表明，弹簧刚度为5 kN/m时形成最大瞬时回流。这一发现为压电泵设计中弹簧刚度的下限选取提供了重要参考。
 
第二，逐级增大阀芯的弹性系数可有效提高压电泵的最大输出流速。在10 kN/m至50 kN/m的刚度范围内，最大出口流速提升约18%。这表明适当提高弹簧刚度有助于改善泵的流量输出能力。
 
第三，阀座直径与阀芯尺寸的匹配关系对流量稳定性具有重要影响。当两者尺寸相近时，小开口区域易发生流量大幅波动，工程设计中应避免这种尺寸配置。
 
第四，采用串联弹簧-活塞衰减器可使流量脉动率减小一半以上，是改善压电泵输出品质的有效技术手段。
 
第五，实验结果与仿真数据高度一致，验证了所建模型的准确性与可靠性。该模型可为活塞驱动压电泵的机电工程技术优化和工程建设与设计提供理论支撑。
 
本研究为活塞驱动压电泵中阀芯弹簧刚度的优化选取提供了系统的理论依据与实验数据，对提升压电泵的运行稳定性与输出性能具有重要的工程参考价值。未来研究可进一步探讨变刚度弹簧在压电泵中的应用，以及基于主动控制策略的流量脉动抑制方法。
 
 
 参考文献
 
[1] 袁海霞. 活塞驱动压电泵设计及阀芯弹簧刚度影响分析[J]. 石河子科技, 2026, 0(3): 28-29.
 
[2] 杜永苹. 带放大器阀驱压电泵出口流量特性及参数优化[J]. 液压气动与密封, 2023, 43(7): 65-68.
 
[3] 吴鹏远, 王彬, 杜逸浩. 阀配流活塞式压电泵数学建模与仿真[J]. 计算机仿真, 2020, 37(12): 224-229.