一種新型高頻振動(dòng)壓電輸送振子的研究

□ 李紅雙

沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院 沈陽(yáng) 110136

一種新型高頻振動(dòng)壓電輸送振子的研究

□ 李紅雙

沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院 沈陽(yáng) 110136

對(duì)用于高頻振動(dòng)物料輸送裝置的壓電振子進(jìn)行了研究，分析了壓電輸送振子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸送性能的影響。結(jié)果表明：隨著軸向尺寸和輸送面傾角的增加，振動(dòng)頻率呈遞減變化；輸送截面尺寸越大，振動(dòng)頻率越大，橫向變形越大。為輸送裝置的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

壓電輸送振子 振動(dòng)輸送 高頻 輸送裝置

目前，經(jīng)典的振動(dòng)輸送技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)高精密度及微量給料的性能指標(biāo)。隨著超聲壓電驅(qū)動(dòng)特別是超聲電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)噲D拓展壓電驅(qū)動(dòng)器在物料輸送方面新的應(yīng)用領(lǐng)域［1］，從而使輸送系統(tǒng)具有運(yùn)行安靜無(wú)噪聲、結(jié)構(gòu)形式可輕型化及多樣化等優(yōu)點(diǎn)，是物料加工領(lǐng)域和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室迫切需要的一種新型物料輸送裝置。超聲振動(dòng)輸送是振動(dòng)送料領(lǐng)域的新突破［2］，國(guó)內(nèi)外科技人員進(jìn)行了不同程度的研究，取得了一定的成果［3-5］。對(duì)壓電輸送振子（以下簡(jiǎn)稱振子）進(jìn)行有限元分析的主要目的是驗(yàn)證其有關(guān)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(fā)出來(lái)、有效激勵(lì)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(fā)出來(lái)等?；诖?，本文對(duì)用于高頻振動(dòng)物料輸送裝置的振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析，為輸送裝置的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1 振子結(jié)構(gòu)

高頻物料輸送裝置中振子由產(chǎn)生縱向振動(dòng)的PZT以及金屬?gòu)椥泽w組成，如圖1所示。利用振子激發(fā)出的一階縱向振動(dòng)模態(tài)來(lái)驅(qū)動(dòng)輸送面上的物料單向輸送，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高頻物料振動(dòng)輸送。

2 振子結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

通過(guò)對(duì)振子一階縱向振動(dòng)固有頻率的計(jì)算，分析振子的材料屬性、幾何參數(shù)以及輸送面傾斜角度對(duì)固有頻率的影響規(guī)律，尋求對(duì)振子一階縱向振動(dòng)模態(tài)的最優(yōu)振型，從而達(dá)到確定振子尺寸的目標(biāo)，振子有限元模型如圖2所示。有限元分析金屬?gòu)椥泽w的單元類(lèi)型選擇八節(jié)點(diǎn)Solid45單元，壓電陶瓷片采用耦合場(chǎng)分析中的Solid5單元類(lèi)型。

2.1 材料參數(shù)的影響

▲圖1 振子實(shí)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(duì)象，材料屬性見(jiàn)表1。由表1可以看出，材料屬性的變化對(duì)振子一階縱向振動(dòng)的固有頻率影響很大，其中振子材料為硬鋁和不銹鋼時(shí)一階縱向振動(dòng)頻率相近；材料為黃銅時(shí)一階縱向振動(dòng)頻率與前兩者相比較低。當(dāng)振子材料為黃銅和不銹鋼時(shí)，橫向相對(duì)變形與縱向相對(duì)變形相比都很小，而材料為硬鋁時(shí)，橫向相對(duì)變形相對(duì)縱向變形很大。通過(guò)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(shù)據(jù)表

2.2 軸向尺寸的影響

振子的其它參數(shù)固定不變，它的軸向尺寸（除斜面部分）選在50～70 mm范圍內(nèi)，調(diào)整步長(zhǎng)為2 mm，分析一階縱向振動(dòng)模態(tài)的變化。由ANSYS軟件計(jì)算分析可知，隨著軸向尺寸的增加，振子的一階縱向振型發(fā)生較大改變，由振型圖可知，它的軸向尺寸越短，振子激發(fā)出一階縱向振動(dòng)時(shí)橫向變形越大，輸送面節(jié)點(diǎn)縱向相對(duì)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(dòng)模態(tài)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率將逐漸降低，軸向尺寸的變化與振子的振動(dòng)頻率呈線性關(guān)系變化。如果輸送振子的軸向尺寸過(guò)大，固有頻率將低于超聲頻率的范圍。

▲圖3 軸向尺寸對(duì)固有頻率影響

▲圖4 斜面傾角與振動(dòng)頻率關(guān)系曲線

▲圖5 截面尺寸變化對(duì)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(gè)重要因素。選擇輸送角度的變化范圍為13～22°，調(diào)整步長(zhǎng)為1°，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。通過(guò)分析知，輸送面角度對(duì)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(duì)振型的影響就越小。圖4為振子振動(dòng)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(chǎn)生一階縱向振動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)頻率呈線性遞減關(guān)系變化。

2.4 截面尺寸影響

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

3 結(jié)論

通過(guò)有限元分析可知：材料屬性的變化對(duì)振子一階縱向振動(dòng)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(dòng)振型中橫向變形較大?？梢?jiàn)對(duì)振子結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析，為高頻壓電輸送裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系列化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

［1］張貴林，郭浩，趙淳生.超聲波粉體輸送裝置輸送能力的實(shí)驗(yàn)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(shù)值與實(shí)驗(yàn)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(wàn)振子的直線式超聲波振動(dòng)給料系統(tǒng)的研究［D］.吉林：吉林大學(xué)，2008.

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1000-4998（2015）02-0071-03

2014年9月