一種新型超聲振動輸送裝置的研究

李紅雙

（沈陽航空航天大學北方科技學院，沈陽110136）

0 引言

目前，經(jīng)典的物料輸送機械發(fā)展比較成熟，但由于設(shè)備普遍采用電磁電機（或電磁鐵）驅(qū)動，使得物料輸送機械體積大、噪聲高，且往往用于散體物料的大流量輸送［1］。然而，在各種有關(guān)物料加工的工業(yè)領(lǐng)域，如冶金、制藥等，需要能夠?qū)ι倭炕蛭⒘课锪暇_定量輸送的技術(shù)和輸送裝置。近年來，隨著超聲壓電驅(qū)動特別是超聲電機技術(shù)［2］的發(fā)展，以塊體物料代替直線超聲電機動子，使直線超聲電機的驅(qū)動原理在超聲物料輸送技術(shù)上得到拓展［3］，從而使輸送系統(tǒng)具有運行安靜無噪聲、結(jié)構(gòu)形式可輕型化及多樣化等優(yōu)點，是物料加工領(lǐng)域和現(xiàn)代實驗室迫切需要的一種新型物料輸送裝置［4］。為此，本文提出一種新型超聲振動輸送裝置。

1 物料輸送裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 壓電輸送振子

超聲物料輸送裝置是由多個壓電輸送振子組成，圖1為單個壓電輸送振子照片。壓電振子是金屬彈性體與壓電陶瓷片融合在一起構(gòu)成。其中驅(qū)動部件壓電振子是超聲物料輸送裝置的核心部件，是作為超聲振動產(chǎn)生和傳送的路線，對系統(tǒng)的輸送性能有很大影響，它是利用一種輸送表面為矩形的壓電輸送振子作為激振體，壓電陶瓷片作為激振源，利用壓電振子產(chǎn)生的一階縱向振動驅(qū)動振子輸送面上的物料單向輸送，進而實現(xiàn)振動輸送。

圖2 駐波型超聲物料輸送裝置

物料輸送裝置中壓電輸送振子通過彈性元件固定在底座上，裝置輸送的物料可以是顆粒或者塊體（直徑mm級）。為了滿足輸送長度與寬度方向要求，壓電振子可沿輸送長度方向或?qū)挾确较虿⑿性O(shè)置多個以滿足輸送要求。圖2為高頻物料輸送裝置實物照片（壓電振子長度方向排列）。

2 實驗儀器與測試方法

通過實驗對物料輸送裝置原理樣機進行了輸送速率等方面的性能測試。影響裝置輸送速率的因素較多,忽略次要的溫度、濕度等環(huán)境因素,實驗研究是在保持輸送寬度與輸送長度一定的情況下,只考察物料種類、物料質(zhì)量、工作電壓、工作頻率等幾個主要因素的變化對輸送裝置輸送性能的影響。

實驗儀器：功率放大器、激光測振儀、信號發(fā)生器、示波器以及秒表等實驗儀器。

試驗物料：不銹鋼塊體（15 mm×5 mm×2 mm）、螺母（M5、M20）、軸承（604）、螺栓（M10×30）、藥片（φ11，0.5g）類等。

試驗方法及過程：選擇要測試的某一因素，保持其它因素不變，改變待測試因素大小，嚴格控制輸送裝置的啟停及測量輸送時間和相應(yīng)時間內(nèi)輸送物料的距離，進而計算物料的平均輸送速率。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 工作頻率影響

圖3 驅(qū)動頻率對輸送速率影響

輸送物料選取單個螺栓（M10×30），工作電壓Vp-p為100V時，研究輸送振子一階縱向振動模態(tài)下的頻率在共振頻率附近變化時對輸送速率的影響。圖3為通過實驗測得不同驅(qū)動頻率對輸送裝置輸送速率的影響。由圖可知，原理樣機在共振點附近的頻率34.65～34.75 kHz范圍內(nèi)，具有良好的輸送性能。可見，在此頻率范圍內(nèi)改變工作頻率，可根據(jù)實際情況來調(diào)整超聲物料輸送裝置的輸送速率。

3.2 工作電壓影響

利用上述實驗方法，選取單個螺栓（M10×30）為被輸送物料,工作頻率為37kHz，研究驅(qū)動電壓對壓電振子輸送速率的影響。實驗中工作電壓Vp-p調(diào)整范圍為60～200 V,圖4為實驗測得的輸送速率與驅(qū)動電壓的關(guān)系曲線。當其它條件保持一定時,超聲物料輸送裝置的輸送速率隨著驅(qū)動電壓的升高而增大,二者呈近似的線性關(guān)系。當工作電壓Vp-p低于60 V時,輸送速率很低，原因在于驅(qū)動功率過小時，不足以在壓電振子輸送面上產(chǎn)生足夠的振幅推動物料移動。在過高的驅(qū)動電壓下,壓電陶瓷片會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象,這將縮短壓電陶瓷片的使用壽命,并使工作頻率點漂移。

圖4 驅(qū)動電壓與輸送速率關(guān)系曲線

3.3 物料種類和質(zhì)量的影響

實驗中選取工作電壓Vp-p為130 V，工作頻率37kHz,保持其它條件不變,分別選擇材質(zhì)、密度、形狀以及表面粗糙度等不同的螺栓（M10×30）、螺母（M5、M20）、不銹鋼塊體15 mm×5 mm×2 mm、軸承（604）和藥片（φ11,0.5g）等物料進行輸送能力測試。

實驗結(jié)果表明：超聲物料輸送裝置對輸送對象具有較強的選擇性。輸送裝置對螺栓M10×30、螺母M20等具有非常好的輸送能力,但對谷物類等則輸送能力很差,甚至完全沒有輸送能力。可見，此物料輸送裝置適于輸送表面光滑、質(zhì)量大的塊體物料，反之則輸送效果較差，甚至不能輸送。同等條件下（工作頻率和電壓、輸送對象都不變），輸送速率隨質(zhì)量的增加而增大，當物料質(zhì)量為72g，其輸送速率為60.45 mm/s。圖5為實驗測得物料質(zhì)量與輸送速率的關(guān)系曲線。

圖5 輸送速率與質(zhì)量關(guān)系曲線

4 結(jié)論

本文對自行設(shè)計的超聲物料輸送裝置進行了輸送性能測試，實驗結(jié)果表明：輸送速率隨工作頻率的變化很敏感，在共振點輸送速率達到最大；超聲物料輸送裝置的輸送速率隨著驅(qū)動電壓的升高而增大,二者呈近似的線性關(guān)系。在一定的工作頻率和驅(qū)動電壓下，選擇不用種類物料進行輸送測試，結(jié)果顯示輸送裝置具有一定的輸送能力，速率可達60.45 mm/s。輸送裝置對輸送對象有一定的適應(yīng)性，表面光滑、質(zhì)量大的物料輸送效果較好。

［1］ 聞邦椿，劉樹英，何勍.振動機械的理論與動態(tài)設(shè)計方法［M］.北京：機械工業(yè)出版社,2001.

［2］ 何勍，李紅雙.壓電振子彈性支撐的數(shù)值與實驗研究［J］.壓電與聲光，2007，29（5）：619-621.

［3］ 何勍，董瑞芳，王宏祥，等.塊體物料超聲輸送能力測試實驗裝置的研究［J］.壓電與聲光，2010，32（1）：145-148.

［4］ 何勍,王宏祥,于威.用于振動輸送的一種壓電環(huán)形振子［J］.機械工程師，2006（9）：46-47.