一種新型壓電輸送振子實驗數值分析*

李紅雙，何 勍

(1．沈陽航空航天大學北方科技學院，遼寧沈陽 110136;2．遼寧工業大學振動工程研究所，遼寧錦州 121001)

0 引言

目前，用于物料輸送的裝置很多，由于驅動裝置而導致機器體積太大，輸送過程噪音無法控制，且很難實現高精度輸送，往往適用于大流量的散體物料輸送［1］。現代化技術在不斷發展，物料輸送行業已有輸送裝置不能完全滿足需求。輸送裝置體積小、無噪聲與結構多樣化成為物料輸送領域市場需求的焦點。為此，在超聲電機技術的基礎上，筆者提出了一種用于高頻物料輸送的新型壓電輸送振子，并進行了實驗數值研究，為高頻物料精密輸送裝置的創新設計奠定了基礎。

1 壓電輸送振子輸送機理分析

高頻物料精密輸送裝置振子材料經有限元軟件ANSYS分析優選為不銹鋼，與壓電陶瓷片通過特定的粘接工藝組成一體作為壓電輸送振子如圖1所示。此裝置的主要部件為帶有粘接壓電陶瓷片的金屬體，它決定著高頻精密輸送裝置的輸送速率。物料輸送裝置在工作中利用輸送振子上的壓電陶瓷片作為激振源，輸送表面為金屬彈性體的矩形平面。在激振源作用下壓電輸送振子產生一階縱向振動模態，此振動模態下對應的頻率為高頻輸送的諧振頻率，在此頻率驅動下，壓電振子輸送面上物料開始做單向輸送，實現高頻物料精密輸送裝置振動輸送。

其中，驅動部件壓電輸送振子是高頻物料精密輸送裝置的核心部件，是作為高頻振動產生和傳送的路線，對系統的輸送性能有很大影響［2］。裝置輸送的物料可以是顆粒或者塊體(直徑mm級)，根據實際需求，輸送長度與寬度可采用設置多個輸送振子在長度和寬度上進行布置，以滿足輸送要求，多個輸送振子可實現同頻驅動，對輸送裝置性能沒有影響［3］。

圖1 壓電輸送振子

2 輸送振子實驗數值分析

壓電輸送振子實驗研究為高頻物料精密輸送裝置的性能分析提供了依據。實驗所用測試儀器分別為功率放大器、信號發生器、激光測振儀與示波器等儀器，通過實驗測得:驅動電壓為120 Vp－p時，壓電輸送振子一階縱向振動激振頻率為34．773 kHz，而有限元軟件分析壓電輸送振子激振頻率為35．177 kHz，二者相差0．404 kHz，由于壓電輸送振子在實際加工過程中產生的誤差、壓電陶瓷片與輸送振子之間實際粘貼位置與設計位置存在誤差以及實驗測試誤差等因素影響，實驗測試結果與有限元理論計算有較小偏差。

高頻物料精密輸送裝置中輸送面振幅的分布對整個輸送裝置的輸送性能會產生很大的影響。實測對輸送面長度方向進行測試，以軸向尺寸大的一側為起始點進行測試，步長為2．5 mm，均勻移動實驗臺，測試壓電振子輸送面在長度方向上振幅分布情況如圖2。由圖2可看出，輸送面振幅分布存在很小偏差，產生此現象的原因主要是由于輸送面軸向尺寸不等導致的。

由于壓電輸送振子采用斜面作為輸送面，使得輸送面軸向尺寸長度不一致，壓電振子輸送面軸向尺寸大的一側定義為高輸送面，小的一側定義為低輸送面。在輸送面寬度方向上，以步長為2．5 mm作為測試點，測試寬度方向上壓電輸送振子在高低輸送面上的振幅分布情況如圖3所示。通過曲線可看出，輸送面振幅寬度方向上高低輸送面振幅分布比較均勻，但高低輸送面振幅之間存在7．51%的相對偏差。

圖2 振子長度方向振幅分布

圖3 寬度方向振幅分布曲線

物料輸送裝置的輸送速率主要取決于輸送面振幅的大小。通過實驗測試知物料輸送裝置在工作中驅動電壓對輸送面振幅影響比較大，圖4為在不同驅動電壓下振幅分布曲線。通過曲線可以看出:驅動電壓與振幅呈線性關系變化。

壓電輸送振子只有在諧振頻率下才能達到最佳輸送效果，輸送振子在此頻率下輸送面振幅達到最大，物料輸送速率最大，輸送裝置的輸送性能最佳。通過實驗測試發現:當振動頻率達到諧振頻率時，輸送面振幅達到最大，在共振頻率兩側，振幅呈線性遞增和遞減趨勢變化，圖5為實驗測試幅頻特性曲線。

圖4 驅動電壓與振幅關系曲線

圖5 振子幅頻特性曲線

3 結語

對用于高頻物料精密輸送的壓電振子進行了實驗研究，結果表明該輸送振子驅動電壓為120 Vp－p，諧振頻率為34．773 kHz時，輸送面振幅最大，輸送效果最佳;輸送面振幅在長度與寬度方向上分布比較均勻。此壓電輸送振子實驗研究為高頻物料精密輸送裝置的系列化設計提供了依據。

［1］ 聞邦椿，劉樹英，何勍著．振動機械的理論與動態設計方法［M］．北京:機械工業出版社，2001．

［2］ 李紅雙．一種新型超聲振動輸送裝置的研究［J］．機械工程師，2014(11):28－29．

［3］ 何 勍，金 峰，王宏祥，等．塊體物料的超聲振動輸送及同步驅動［J］．振動、測試與診斷，2012(Z1):111－114，154．