一種超聲振動輔助粉末去除裝置振子的有限元分析

仝 旭，榮佳誠，顧鳴偉，徐凱文，殷 振

(蘇州科技大學 機械工程學院,江蘇 蘇州 215009)

0 引言

鈑金車間的涂裝線主要適用于對金屬和非金屬工件表面進行噴粉、噴漆處理，配合懸掛輸送機、電軌小車、地面輸送機等運送工件形成運輸作業線。進行運輸作業的時候，工件會通過掛鉤連接在有軌小車上，掛鉤的直徑在1.5 cm左右，有軌小車下方的近似三角形鐵板上設置有4個等間距排布的孔，孔的形狀為橢圓形，短軸為2 cm，長軸為3 cm。噴粉的目的是在工件的表面噴涂粉末，但是掛鉤在隨工件進入噴粉室噴涂的過程中，鉤子的表面會被噴涂上粉末，粘附于掛鉤表面，使掛鉤的直徑逐漸變大，最后，當鉤子的直徑增大到無法放進有軌小車的掛孔和工件上直徑2 cm左右的掛孔時，就需要人工用鐵錘進行敲打，使掛鉤兩端的勾頭上積累的粉末粘附物脫落，但是人工捶打不僅勞動量大，而且效率不高。

本文設計了一種超聲振動輔助粉末去除裝置，用于去除掛鉤表面粘附的粉末。該裝置主要利用連桿機構帶動超聲振動系統上下往復運動，超聲振動系統驅動壓板進行超聲波振動，當壓板對掛鉤進行錘擊和超聲振動沖擊時，可以快速去除粘附于掛鉤兩端表面的粉末，從而實現掛鉤的重復利用，減少生產成本。采用有限元分析軟件ANSYS對超聲振動輔助粉末去除裝置的振子進行結構動力學模態分析、諧響應分析和瞬態分析，可以直觀、系統地揭示出該振子的輸出性能，預測出振子在加載電壓頻率下的最佳工作效果。

1 超聲振動輔助粉末去除裝置的結構

超聲振動輔助粉末去除裝置由收粉箱、超聲振動系統、套筒、連桿機構、電機、推送掛鉤部分、支架部分等構成，如圖1所示。超聲振動系統中的振子包括超聲波換能器、變幅桿和壓板，如圖2所示。整個振子系統通過超聲波換能器的節面位置法蘭與套筒連接，連桿機構與套筒連接，電機的輸出軸與盤形曲柄連接。電機旋轉過程中，通過連桿機構帶動超聲振動系統上下運動，超聲波發生器為超聲振動系統中的振子提供500 V的交流電壓，使振子前端的壓板產生超聲振動。當壓板對掛鉤兩端的勾頭錘擊和超聲振動沖擊時，即可粉碎掛鉤兩端的粘附物，并使其脫落。

1-收粉箱；2-超聲振動系統；3-套筒；4-連桿機構；5-電機；6-推送掛鉤部分；7-支架部分

圖2 超聲振動系統簡圖

通過螺釘將前蓋板、后蓋板和壓電陶瓷片預緊聯接后構成超聲波換能器，變幅桿通過螺釘聯接設置在超聲波換能器前端，壓板則通過螺釘連接在變幅桿前端。超聲波發生器輸出的電信號作用在超聲波換能器的壓電陶瓷片正極和負極，由于壓電陶瓷的逆壓電效應，壓電陶瓷片將電信號轉換成超聲波換能器的超聲振動，振動由超聲波換能器傳遞到變幅桿，然后通過變幅桿放大振幅后傳遞到壓板。

根據超聲振動換能器的設計原理，超聲波換能器的前蓋板和后蓋板選用45鋼，變幅桿和壓板選用硬鋁LY12，壓電陶瓷片選用PZT-8。先以變截面桿縱振動的波動方程設計計算換能器和變幅桿的基本尺寸[1]，然后對它們整體進行有限元仿真分析，得到超聲振動輔助粉末去除裝置中振子的整體諧振頻率， 從而實現振子的整體諧振。

2 超聲振動系統振子的結構動力學分析

2.1 超聲振動系統振子的模型和有限元分析

采用有限元分析軟件ANSYS建立振子有限元模型，通過對該振子進行模態分析、諧響應分析和瞬態分析，獲得振子的固有頻率、振動模態、軸線振幅分布曲線、導納曲線、導納圓和幅頻曲線以及瞬態振動曲線，直觀地揭示出振子的輸出性能，預測出該振子在加載一定頻率電壓下的最佳效果。

在ANSYS的前處理器中，對振子進行三維建模。振子中壓電陶瓷片的單元類型選用Solid98；超聲波換能器的前蓋板和后蓋板單元類型選用Solid95；變幅桿和壓板的材料單元類型選用Solid95。采用3D自由網格對振子的三維模型進行有限元網格劃分。

2.2 振子的模態分析

使用ANSYS軟件，通過模態分析確定振子結構的固有頻率和振型，模態分析是諧響應分析以及瞬態分析的前提條件。在ANSYS中定義材料的屬性參數，然后劃分網格，振子沒有邊界約束條件，求解后得到振子的固有頻率和振型，還可以得到振動模態和軸線振幅分布。

采用模態分析模塊，在壓電陶瓷片的正、負極定義兩個電壓為0 V，采用BlockLanczos模態求解方法[2]，求解的頻率范圍從25 kHz到30 kHz。對振子進行模態分析后可以得到振子振動模態云圖，如圖3所示，振子的諧振頻率為28.095 9 kHz。對該振子進行模態擴展分析，沿該振子的軸線提取路徑(從壓板前端到超聲波換能器末端)，從而得到超聲振動系統軸向和縱向的振幅分布曲線，如圖4所示。由圖4可知:振子的軸向振幅在壓板前端最大，在超聲波換能器的節面位置附近最小。

2.3 振子的諧響應分析

諧響應分析用于確定線性結構在受正弦載荷作用時的穩態響應，目的是計算出振子在響應頻率范圍內的受載情況，并得到響應隨頻率變化的振幅曲線。

振子的縱向振幅是一個微米級振動量，并且振子的振動狀態會直接影響到超聲振動輔助粉末去除裝置的工作性能，因此要對振子進行諧響應分析，求解諧振頻率下振子的響應位移。在振子負電極上加載電壓0 V、在振子的正電極上加載電壓500 V進行激勵，采用完全法對振子進行諧響應分析，設定諧響應頻率范圍為26 560 Hz～29 800 Hz，阻尼比為0.03。諧響應分析后可以得到振子壓板處的幅頻曲線，如圖5所示，在28 kHz附近，該振子的縱向振幅達到最大值，接近振子通過模態分析得到的諧振頻率。通過Post26后處理器處理還可以得到振子的導納曲線和導納圓，如圖6和圖7所示。觀測振子在不同頻率下的導納值，對振子與超聲波電源的制作以及電路諧振匹配具有一定的參考價值[3-4]。

圖3 振子振動模態云圖

圖4 超聲振動系統軸向和縱向振幅分布曲線

圖5 振子壓板處的幅頻曲線

2.4 振子的瞬態分析

對振子進行瞬態分析，確定隨時間變化的振子的振幅曲線。在電極加載一個正弦激勵電壓，施加的電壓大小為500 V，電壓頻率為28.095 9 kHz，并設置10個振動周期的時域。得到的振子瞬態振動曲線如圖8所示。從圖8可以看出:振子的最大振幅為0.875×10-7m，由于受到阻尼作用，振子并不是作振幅穩定不變的正弦運動。

圖6振子的導納曲線圖7振子的導納圓圖8振子瞬態振動曲線

3 結論

設計的超聲振動輔助粉末去除裝置通過附加于壓板的超聲波振動，可以實現高效率地去除掛鉤兩端的粉末粘附物，從而減輕工人的勞動量，節省生產成本。使用有限元分析軟件ANSYS對超聲振動輔助粉末去除裝置的振子進行了結構動力學模態分析、諧響應分析和瞬態分析，通過后處理工具以及數學公式運算得到了振子的固有頻率和振型，以及振動模態、幅頻曲線、導納曲線、導納圓和瞬態振動曲線，該振子的固有頻率為28.095 9 kHz，在500 V的正弦電壓作用下最大振幅為0.875×10-7m，這些數據以及曲線對該超聲振動輔助粉末去除裝置中振子的制作和優化改進具有一定的指導作用和參考價值。