一种新型高频振动压电输送振子的研究

□ 李红双

沈阳航空航天大学 北方科技学院 沈阳 110136

一种新型高频振动压电输送振子的研究

□ 李红双

沈阳航空航天大学 北方科技学院 沈阳 110136

对用于高频振动物料输送装置的压电振子进行了研究，分析了压电输送振子结构参数对输送性能的影响。结果表明：随着轴向尺寸和输送面倾角的增加，振动频率呈递减变化；输送截面尺寸越大，振动频率越大，横向变形越大。为输送装置的设计奠定了基础。

压电输送振子 振动输送 高频 输送装置

目前，经典的振动输送技术很难实现高精密度及微量给料的性能指标。随着超声压电驱动特别是超声电机技术的发展，人们试图拓展压电驱动器在物料输送方面新的应用领域［1］，从而使输送系统具有运行安静无噪声、结构形式可轻型化及多样化等优点，是物料加工领域和现代实验室迫切需要的一种新型物料输送装置。超声振动输送是振动送料领域的新突破［2］，国内外科技人员进行了不同程度的研究，取得了一定的成果［3-5］。对压电输送振子（以下简称振子）进行有限元分析的主要目的是验证其有关尺寸和压电陶瓷的配置是否合理，能否将所期望的工作振型激发出来、有效激励的频率范围大小，以及是否有可能将主振型附近的其它干扰振型激发出来等。基于此，本文对用于高频振动物料输送装置的振子的结构参数进行了分析，为输送装置的设计奠定了基础。

1 振子结构

高频物料输送装置中振子由产生纵向振动的PZT以及金属弹性体组成，如图1所示。利用振子激发出的一阶纵向振动模态来驱动输送面上的物料单向输送，进而实现高频物料振动输送。

2 振子结构参数分析

通过对振子一阶纵向振动固有频率的计算，分析振子的材料属性、几何参数以及输送面倾斜角度对固有频率的影响规律，寻求对振子一阶纵向振动模态的最优振型，从而达到确定振子尺寸的目标，振子有限元模型如图2所示。有限元分析金属弹性体的单元类型选择八节点Solid45单元，压电陶瓷片采用耦合场分析中的Solid5单元类型。

2.1 材料参数的影响

▲图1 振子实物图

▲图2 振子有限元模型

选用黄铜、硬铝、不锈钢3种材料分别作为振子材料的分析对象，材料属性见表1。由表1可以看出，材料属性的变化对振子一阶纵向振动的固有频率影响很大，其中振子材料为硬铝和不锈钢时一阶纵向振动频率相近；材料为黄铜时一阶纵向振动频率与前两者相比较低。当振子材料为黄铜和不锈钢时，横向相对变形与纵向相对变形相比都很小，而材料为硬铝时，横向相对变形相对纵向变形很大。通过理论分析综合考虑，材料选为不锈钢。

表1 振子不同材料分析数据表

2.2 轴向尺寸的影响

振子的其它参数固定不变，它的轴向尺寸（除斜面部分）选在50～70 mm范围内，调整步长为2 mm，分析一阶纵向振动模态的变化。由ANSYS软件计算分析可知，随着轴向尺寸的增加，振子的一阶纵向振型发生较大改变，由振型图可知，它的轴向尺寸越短，振子激发出一阶纵向振动时横向变形越大，输送面节点纵向相对位移越不均匀。图3为振子固有频率与轴向尺寸变化曲线，随着压电振子轴向尺寸的增加，一阶纵向振动模态对应的振动频率将逐渐降低，轴向尺寸的变化与振子的振动频率呈线性关系变化。如果输送振子的轴向尺寸过大，固有频率将低于超声频率的范围。

▲图3 轴向尺寸对固有频率影响

▲图4 斜面倾角与振动频率关系曲线

▲图5 截面尺寸变化对固有频率影响

2.3 输送面倾斜角度的影响

输送面的倾斜角度是影响超声物料输送装置输送速率的一个重要因素。选择输送角度的变化范围为13～22°，调整步长为1°，其它结构参数不变。通过分析知，输送面角度对振子的振型和固有频率有一定的影响，振子输送面角度越小，对振型的影响就越小。图4为振子振动频率随输送面倾斜角度变化的曲线，由曲线可以看出，随着输送面角度的增加，振子产生一阶纵向振动模态的振动频率呈线性递减关系变化。

2.4 截面尺寸影响

超声物料输送装置对输送的长度和宽度有一定的要求，因此对输送截面尺寸进行分析是必要的。改变截面尺寸，其它参数不变，分析振子一阶纵向振动模态固有频率变化规律，以振子底截面（正方形）尺寸为变量，变化范围24～32 mm，调整步长为2 mm，图5为振子截面尺寸和振动频率之间关系曲线。随着振子截面尺寸增加，振子一阶纵向振动振型中横向变形较大；振子截面尺寸和振动频率之间呈线性递增变化。

3 结论

通过有限元分析可知：材料属性的变化对振子一阶纵向振动的固有频率影响很大；随着振子轴向尺寸与输送面角度尺寸的增加，振子的固有频率呈线性递减变化；随着振子截面尺寸的增加，振子的固有频率呈线性递增变化，且振子一阶纵向振动振型中横向变形较大。可见对振子结构参数的分析，为高频压电输送装置的结构设计和系列化设计提供了依据。

［1］张贵林，郭浩，赵淳生.超声波粉体输送装置输送能力的实验研究［J］.压电与声光，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，李红双.压电振子弹性支撑的数值与实验研究［J］.压电与声光，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］于跃.基于郎之万振子的直线式超声波振动给料系统的研究［D］.吉林：吉林大学，2008.

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TH113

B

1000-4998（2015）02-0071-03

2014年9月