压电式无针注射器关键部件设计与试验研究

来源 :华南农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chzhao2005
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畜禽疾病的发生通常是病毒和细菌导致的,免疫接种作为畜禽防疫最重要的一环,可达到消灭传染源、切断传播途径和保护易感动物的目的。在畜禽防疫工作中,皮下注射能直达体内,并且具有保持药物性质稳定的特点。但市面上常使用的手动进给式有针连续注射器给畜禽进行免疫接种时存在着断针、留针、误伤和畜禽群体疾病交叉感染的风险。现有的无针注射器能克服上述问题,一般以压缩弹簧、高压气体、激光和音圈电机为动力源,也存在着喷药发出轰鸣声、驱动力难以调节、体积大、对系统密封性和耐压性要求高等缺点。压电式无针注射器体积小,控制精确,但注射剂量小。为此,本文分别设计微位移放大机构和超声聚能器作为压电式无针注射器的动力源,并提出适用于该注射器的喷嘴结构。本文主要研究内容及相关结论如下:(1)通过研究无针注射器的注射机理,将其穿透皮肤的过程类比于高压自由射流切割过程,并提取高压自由射流的关键参数,最后基于流体动力学的连续性方程建立压电式无针注射器喷射动力学模型。(2)通过有限元软件对微位移放大机构进行静力学仿真,得到微位移放大机构的输出位移和输出力。同时对结构参数进行灵敏度分析,选出6个结构参数组成设计变量,根据输出位移和输出力较大的要求,对微位移放大机构进行优化设计,结果表明,在外界直流激励电压峰峰值为200V的条件下,微位移放大机构能产生沿Z轴方向的最大输出位移为1.35?10-5m,最大输出力为0.78N,相比优化前分别提高了38.2%和110.8%。(3)基于共振放大原理设计超声聚能器,并通过有限元软件对其进行模态分析,得到它在纵振模态下的谐振频率为25094Hz,与理论设计频率的误差小于1%,说明所建立的有限元模型可靠性较高。最后对其进行谐响应分析,数值模拟结果显示它在幅值为160V的正弦交变电压激励下产生谐振,沿纵振方向能产生最大振速为119.87m/s,最大振幅值为7.6?10-4m。(4)利用计算流体动力学软件Fluent对四种结构的喷嘴高压自由射流进行数值模拟,结果表明,锥柱形结构的喷嘴能得到可控性较好的对称射流。利用SPSS软件对仿真结果进行分析发现,锥柱形喷嘴的中部圆柱长度对喷嘴的平均喷射速度和湍流强度具有显著影响,锥形收缩角对喷嘴的平均喷射速度无显著影响,而对平均湍流强度具有显著影响,中部圆柱长度和锥形收缩角的交互作用对喷嘴的平均喷射速度和平均湍流强度均无显著影响。综合考虑,当锥形收缩角为30?,中间圆柱长度为0.2mm时,锥柱形喷嘴可得到最佳射流特性,此时出口平均速度可达6.56m/s,湍流强度均值为1.04%。(5)研究微位移放大机构样机和超声聚能器样机在不同驱动电压下的输出特性。通过搭建相关试验平台,对它们分别施加驱动电压信号,分别测量输出力和输出位移。结果表明:微位移放大机构在幅值为200V的直流电压驱动下,能产生的最大输出力为0.84N,最大输出位移为1.5?10-5m。超声聚能器在激励频率为24.73kHz,幅值为160V的交变电压作用下,能产生的最大输出位移为7.3?10-4m。(6)根据试验结果,若将微位移放大机构驱动活塞,使药液从锥柱形喷嘴喷射而出,在不考虑摩擦及管道压力损失情况下,在200V直流电压驱动下,无针注射器每次最大注射剂量为5.77?L,最大注射压力为1446.84Pa,最大出口喷射速度为8.8m/s。
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