一种新型压电输送振子实验数值分析*

李红双，何 勍

(1．沈阳航空航天大学北方科技学院，辽宁沈阳 110136;2．辽宁工业大学振动工程研究所，辽宁锦州 121001)

0 引言

目前，用于物料输送的装置很多，由于驱动装置而导致机器体积太大，输送过程噪音无法控制，且很难实现高精度输送，往往适用于大流量的散体物料输送［1］。现代化技术在不断发展，物料输送行业已有输送装置不能完全满足需求。输送装置体积小、无噪声与结构多样化成为物料输送领域市场需求的焦点。为此，在超声电机技术的基础上，笔者提出了一种用于高频物料输送的新型压电输送振子，并进行了实验数值研究，为高频物料精密输送装置的创新设计奠定了基础。

1 压电输送振子输送机理分析

高频物料精密输送装置振子材料经有限元软件ANSYS分析优选为不锈钢，与压电陶瓷片通过特定的粘接工艺组成一体作为压电输送振子如图1所示。此装置的主要部件为带有粘接压电陶瓷片的金属体，它决定着高频精密输送装置的输送速率。物料输送装置在工作中利用输送振子上的压电陶瓷片作为激振源，输送表面为金属弹性体的矩形平面。在激振源作用下压电输送振子产生一阶纵向振动模态，此振动模态下对应的频率为高频输送的谐振频率，在此频率驱动下，压电振子输送面上物料开始做单向输送，实现高频物料精密输送装置振动输送。

其中，驱动部件压电输送振子是高频物料精密输送装置的核心部件，是作为高频振动产生和传送的路线，对系统的输送性能有很大影响［2］。装置输送的物料可以是颗粒或者块体(直径mm级)，根据实际需求，输送长度与宽度可采用设置多个输送振子在长度和宽度上进行布置，以满足输送要求，多个输送振子可实现同频驱动，对输送装置性能没有影响［3］。

图1 压电输送振子

2 输送振子实验数值分析

压电输送振子实验研究为高频物料精密输送装置的性能分析提供了依据。实验所用测试仪器分别为功率放大器、信号发生器、激光测振仪与示波器等仪器，通过实验测得:驱动电压为120 Vp－p时，压电输送振子一阶纵向振动激振频率为34．773 kHz，而有限元软件分析压电输送振子激振频率为35．177 kHz，二者相差0．404 kHz，由于压电输送振子在实际加工过程中产生的误差、压电陶瓷片与输送振子之间实际粘贴位置与设计位置存在误差以及实验测试误差等因素影响，实验测试结果与有限元理论计算有较小偏差。

高频物料精密输送装置中输送面振幅的分布对整个输送装置的输送性能会产生很大的影响。实测对输送面长度方向进行测试，以轴向尺寸大的一侧为起始点进行测试，步长为2．5 mm，均匀移动实验台，测试压电振子输送面在长度方向上振幅分布情况如图2。由图2可看出，输送面振幅分布存在很小偏差，产生此现象的原因主要是由于输送面轴向尺寸不等导致的。

由于压电输送振子采用斜面作为输送面，使得输送面轴向尺寸长度不一致，压电振子输送面轴向尺寸大的一侧定义为高输送面，小的一侧定义为低输送面。在输送面宽度方向上，以步长为2．5 mm作为测试点，测试宽度方向上压电输送振子在高低输送面上的振幅分布情况如图3所示。通过曲线可看出，输送面振幅宽度方向上高低输送面振幅分布比较均匀，但高低输送面振幅之间存在7．51%的相对偏差。

图2 振子长度方向振幅分布

图3 宽度方向振幅分布曲线

物料输送装置的输送速率主要取决于输送面振幅的大小。通过实验测试知物料输送装置在工作中驱动电压对输送面振幅影响比较大，图4为在不同驱动电压下振幅分布曲线。通过曲线可以看出:驱动电压与振幅呈线性关系变化。

压电输送振子只有在谐振频率下才能达到最佳输送效果，输送振子在此频率下输送面振幅达到最大，物料输送速率最大，输送装置的输送性能最佳。通过实验测试发现:当振动频率达到谐振频率时，输送面振幅达到最大，在共振频率两侧，振幅呈线性递增和递减趋势变化，图5为实验测试幅频特性曲线。

图4 驱动电压与振幅关系曲线

图5 振子幅频特性曲线

3 结语

对用于高频物料精密输送的压电振子进行了实验研究，结果表明该输送振子驱动电压为120 Vp－p，谐振频率为34．773 kHz时，输送面振幅最大，输送效果最佳;输送面振幅在长度与宽度方向上分布比较均匀。此压电输送振子实验研究为高频物料精密输送装置的系列化设计提供了依据。

［1］ 闻邦椿，刘树英，何勍著．振动机械的理论与动态设计方法［M］．北京:机械工业出版社，2001．

［2］ 李红双．一种新型超声振动输送装置的研究［J］．机械工程师，2014(11):28－29．

［3］ 何 勍，金 峰，王宏祥，等．块体物料的超声振动输送及同步驱动［J］．振动、测试与诊断，2012(Z1):111－114，154．