一種新型高頻振動壓電輸送振子的研究

□ 李紅雙

沈陽航空航天大學 北方科技學院 沈陽 110136

一種新型高頻振動壓電輸送振子的研究

□ 李紅雙

沈陽航空航天大學 北方科技學院 沈陽 110136

對用于高頻振動物料輸送裝置的壓電振子進行了研究，分析了壓電輸送振子結構參數對輸送性能的影響。結果表明：隨著軸向尺寸和輸送面傾角的增加，振動頻率呈遞減變化；輸送截面尺寸越大，振動頻率越大，橫向變形越大。為輸送裝置的設計奠定了基礎。

壓電輸送振子 振動輸送 高頻 輸送裝置

目前，經典的振動輸送技術很難實現高精密度及微量給料的性能指標。隨著超聲壓電驅動特別是超聲電機技術的發展，人們試圖拓展壓電驅動器在物料輸送方面新的應用領域［1］，從而使輸送系統具有運行安靜無噪聲、結構形式可輕型化及多樣化等優點，是物料加工領域和現代實驗室迫切需要的一種新型物料輸送裝置。超聲振動輸送是振動送料領域的新突破［2］，國內外科技人員進行了不同程度的研究，取得了一定的成果［3-5］。對壓電輸送振子（以下簡稱振子）進行有限元分析的主要目的是驗證其有關尺寸和壓電陶瓷的配置是否合理，能否將所期望的工作振型激發出來、有效激勵的頻率范圍大小，以及是否有可能將主振型附近的其它干擾振型激發出來等?；诖?，本文對用于高頻振動物料輸送裝置的振子的結構參數進行了分析，為輸送裝置的設計奠定了基礎。

1 振子結構

高頻物料輸送裝置中振子由產生縱向振動的PZT以及金屬彈性體組成，如圖1所示。利用振子激發出的一階縱向振動模態來驅動輸送面上的物料單向輸送，進而實現高頻物料振動輸送。

2 振子結構參數分析

通過對振子一階縱向振動固有頻率的計算，分析振子的材料屬性、幾何參數以及輸送面傾斜角度對固有頻率的影響規律，尋求對振子一階縱向振動模態的最優振型，從而達到確定振子尺寸的目標，振子有限元模型如圖2所示。有限元分析金屬彈性體的單元類型選擇八節點Solid45單元，壓電陶瓷片采用耦合場分析中的Solid5單元類型。

2.1 材料參數的影響

▲圖1 振子實物圖

▲圖2 振子有限元模型

選用黃銅、硬鋁、不銹鋼3種材料分別作為振子材料的分析對象，材料屬性見表1。由表1可以看出，材料屬性的變化對振子一階縱向振動的固有頻率影響很大，其中振子材料為硬鋁和不銹鋼時一階縱向振動頻率相近；材料為黃銅時一階縱向振動頻率與前兩者相比較低。當振子材料為黃銅和不銹鋼時，橫向相對變形與縱向相對變形相比都很小，而材料為硬鋁時，橫向相對變形相對縱向變形很大。通過理論分析綜合考慮，材料選為不銹鋼。

表1 振子不同材料分析數據表

2.2 軸向尺寸的影響

振子的其它參數固定不變，它的軸向尺寸（除斜面部分）選在50～70 mm范圍內，調整步長為2 mm，分析一階縱向振動模態的變化。由ANSYS軟件計算分析可知，隨著軸向尺寸的增加，振子的一階縱向振型發生較大改變，由振型圖可知，它的軸向尺寸越短，振子激發出一階縱向振動時橫向變形越大，輸送面節點縱向相對位移越不均勻。圖3為振子固有頻率與軸向尺寸變化曲線，隨著壓電振子軸向尺寸的增加，一階縱向振動模態對應的振動頻率將逐漸降低，軸向尺寸的變化與振子的振動頻率呈線性關系變化。如果輸送振子的軸向尺寸過大，固有頻率將低于超聲頻率的范圍。

▲圖3 軸向尺寸對固有頻率影響

▲圖4 斜面傾角與振動頻率關系曲線

▲圖5 截面尺寸變化對固有頻率影響

2.3 輸送面傾斜角度的影響

輸送面的傾斜角度是影響超聲物料輸送裝置輸送速率的一個重要因素。選擇輸送角度的變化范圍為13～22°，調整步長為1°，其它結構參數不變。通過分析知，輸送面角度對振子的振型和固有頻率有一定的影響，振子輸送面角度越小，對振型的影響就越小。圖4為振子振動頻率隨輸送面傾斜角度變化的曲線，由曲線可以看出，隨著輸送面角度的增加，振子產生一階縱向振動模態的振動頻率呈線性遞減關系變化。

2.4 截面尺寸影響

超聲物料輸送裝置對輸送的長度和寬度有一定的要求，因此對輸送截面尺寸進行分析是必要的。改變截面尺寸，其它參數不變，分析振子一階縱向振動模態固有頻率變化規律，以振子底截面（正方形）尺寸為變量，變化范圍24～32 mm，調整步長為2 mm，圖5為振子截面尺寸和振動頻率之間關系曲線。隨著振子截面尺寸增加，振子一階縱向振動振型中橫向變形較大；振子截面尺寸和振動頻率之間呈線性遞增變化。

3 結論

通過有限元分析可知：材料屬性的變化對振子一階縱向振動的固有頻率影響很大；隨著振子軸向尺寸與輸送面角度尺寸的增加，振子的固有頻率呈線性遞減變化；隨著振子截面尺寸的增加，振子的固有頻率呈線性遞增變化，且振子一階縱向振動振型中橫向變形較大?？梢妼φ褡咏Y構參數的分析，為高頻壓電輸送裝置的結構設計和系列化設計提供了依據。

［1］張貴林，郭浩，趙淳生.超聲波粉體輸送裝置輸送能力的實驗研究［J］.壓電與聲光，2002，24（6）：489-491.

［2］YangY，LiX.Experimental and AnalyticalStudyof Ultrasonic Micro Powder Feeding［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2003，36（11）：1349-1354.

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

［4］M Mracek，J Wallaschek.A System for Powder Transport Based on Piezoelectrically Excited Ultrasonic Progressive Waves［J］.Materials Chemistry and Physics，2005，90：378-380.

［5］于躍.基于郎之萬振子的直線式超聲波振動給料系統的研究［D］.吉林：吉林大學，2008.

（編輯 小 前）

TH113

B

1000-4998（2015）02-0071-03

2014年9月