一种新型超声振动输送装置的研究

李红双

（沈阳航空航天大学北方科技学院，沈阳110136）

0 引言

目前，经典的物料输送机械发展比较成熟，但由于设备普遍采用电磁电机（或电磁铁）驱动，使得物料输送机械体积大、噪声高，且往往用于散体物料的大流量输送［1］。然而，在各种有关物料加工的工业领域，如冶金、制药等，需要能够对少量或微量物料精确定量输送的技术和输送装置。近年来，随着超声压电驱动特别是超声电机技术［2］的发展，以块体物料代替直线超声电机动子，使直线超声电机的驱动原理在超声物料输送技术上得到拓展［3］，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［4］。为此，本文提出一种新型超声振动输送装置。

1 物料输送装置结构与工作原理

图1 压电输送振子

超声物料输送装置是由多个压电输送振子组成，图1为单个压电输送振子照片。压电振子是金属弹性体与压电陶瓷片融合在一起构成。其中驱动部件压电振子是超声物料输送装置的核心部件，是作为超声振动产生和传送的路线，对系统的输送性能有很大影响，它是利用一种输送表面为矩形的压电输送振子作为激振体，压电陶瓷片作为激振源，利用压电振子产生的一阶纵向振动驱动振子输送面上的物料单向输送，进而实现振动输送。

图2 驻波型超声物料输送装置

物料输送装置中压电输送振子通过弹性元件固定在底座上，装置输送的物料可以是颗粒或者块体（直径mm级）。为了满足输送长度与宽度方向要求，压电振子可沿输送长度方向或宽度方向并行设置多个以满足输送要求。图2为高频物料输送装置实物照片（压电振子长度方向排列）。

2 实验仪器与测试方法

通过实验对物料输送装置原理样机进行了输送速率等方面的性能测试。影响装置输送速率的因素较多,忽略次要的温度、湿度等环境因素,实验研究是在保持输送宽度与输送长度一定的情况下,只考察物料种类、物料质量、工作电压、工作频率等几个主要因素的变化对输送装置输送性能的影响。

实验仪器：功率放大器、激光测振仪、信号发生器、示波器以及秒表等实验仪器。

试验物料：不锈钢块体（15 mm×5 mm×2 mm）、螺母（M5、M20）、轴承（604）、螺栓（M10×30）、药片（φ11，0.5g）类等。

试验方法及过程：选择要测试的某一因素，保持其它因素不变，改变待测试因素大小，严格控制输送装置的启停及测量输送时间和相应时间内输送物料的距离，进而计算物料的平均输送速率。

3 实验结果分析

3.1 工作频率影响

图3 驱动频率对输送速率影响

输送物料选取单个螺栓（M10×30），工作电压Vp-p为100V时，研究输送振子一阶纵向振动模态下的频率在共振频率附近变化时对输送速率的影响。图3为通过实验测得不同驱动频率对输送装置输送速率的影响。由图可知，原理样机在共振点附近的频率34.65～34.75 kHz范围内，具有良好的输送性能。可见，在此频率范围内改变工作频率，可根据实际情况来调整超声物料输送装置的输送速率。

3.2 工作电压影响

利用上述实验方法，选取单个螺栓（M10×30）为被输送物料,工作频率为37kHz，研究驱动电压对压电振子输送速率的影响。实验中工作电压Vp-p调整范围为60～200 V,图4为实验测得的输送速率与驱动电压的关系曲线。当其它条件保持一定时,超声物料输送装置的输送速率随着驱动电压的升高而增大,二者呈近似的线性关系。当工作电压Vp-p低于60 V时,输送速率很低，原因在于驱动功率过小时，不足以在压电振子输送面上产生足够的振幅推动物料移动。在过高的驱动电压下,压电陶瓷片会产生过热现象,这将缩短压电陶瓷片的使用寿命,并使工作频率点漂移。

图4 驱动电压与输送速率关系曲线

3.3 物料种类和质量的影响

实验中选取工作电压Vp-p为130 V，工作频率37kHz,保持其它条件不变,分别选择材质、密度、形状以及表面粗糙度等不同的螺栓（M10×30）、螺母（M5、M20）、不锈钢块体15 mm×5 mm×2 mm、轴承（604）和药片（φ11,0.5g）等物料进行输送能力测试。

实验结果表明：超声物料输送装置对输送对象具有较强的选择性。输送装置对螺栓M10×30、螺母M20等具有非常好的输送能力,但对谷物类等则输送能力很差,甚至完全没有输送能力。可见，此物料输送装置适于输送表面光滑、质量大的块体物料，反之则输送效果较差，甚至不能输送。同等条件下（工作频率和电压、输送对象都不变），输送速率随质量的增加而增大，当物料质量为72g，其输送速率为60.45 mm/s。图5为实验测得物料质量与输送速率的关系曲线。

图5 输送速率与质量关系曲线

4 结论

本文对自行设计的超声物料输送装置进行了输送性能测试，实验结果表明：输送速率随工作频率的变化很敏感，在共振点输送速率达到最大；超声物料输送装置的输送速率随着驱动电压的升高而增大,二者呈近似的线性关系。在一定的工作频率和驱动电压下，选择不用种类物料进行输送测试，结果显示输送装置具有一定的输送能力，速率可达60.45 mm/s。输送装置对输送对象有一定的适应性，表面光滑、质量大的物料输送效果较好。

［1］ 闻邦椿，刘树英，何勍.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］ 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.

［3］ 何勍，董瑞芳，王宏祥，等.块体物料超声输送能力测试实验装置的研究［J］.压电与声光，2010，32（1）：145-148.

［4］ 何勍,王宏祥,于威.用于振动输送的一种压电环形振子［J］.机械工程师，2006（9）：46-47.