李 佳 艾炳任 栗守才 田晓超

(1. 中国石油吉林石化公司化肥厂；2. 吉林大学机械科学与工程学院)

随着科技的发展，振动输送器在自动化生产线上逐渐代替了人工劳动力，它具有整列特性好、定向输送能力强及工作效率高等优点[1]。传统的输送器(也叫送料器)都是以机械式或电磁式驱动为主，然而它们具有噪音大、受电磁干扰、结构复杂及耗能高等缺点[2～4]。在现代工业的发展中，产品越来越趋向于轻、薄、小和低碳环保，整列性和输送精度要求越来越高，输送速度越来越快，工作环境也日趋改善，这就对输送器的体积、噪音、输送平稳性及节能等方面提出更高的要求，而电磁式振动输送器已无法满足这些生产要求。压电式振动输送器是近些年发展起来的一种新型输送器，相比传统输送器它具有振幅小、精度高、稳定性好及耗能低等优点，在食品、医疗、化工及电子等自动化生产领域将会得到广泛应用。早在1977年，日本首次成功研制出了以压电陶瓷作为驱动源的压电振动送料器[5]，之后韩国Inha大学敏捷制造与系统实验室制造了新型压电送料器，并对该送料器进行了有限元分析和实验分析[6]，台湾也对直线式压电送料器进行了建模分析[7]，吉林大学、大连理工大学、大连交通大学及天津大学等也对压电振动输送器进行了相关方面的研究[8～11]。

笔者设计了一种新型物料振动输送器，以双晶片压电振子为驱动源，在驱动源两端配上一种合适的质量块，使系统在适宜的频率下工作，且物料在直线轨道上均匀、平稳的输送。

1 结构与工作原理

笔者所设计的新型物料振动输送器结构示意图如图1所示，其驱动源为双晶片压电振子(压电陶瓷与金属基板复合在一起)，一端与底座相连，一端与支撑弹簧下部相连，支撑弹簧的上端与顶盘相连，顶盘上面固定直线料道，驱动源两端配有一定质量的配重块，支撑弹簧、压电振子与顶盘和底座保持一定的安装角度，底部装有橡胶底脚，起减振作用。

图1 新型物料振动输送器结构示意图

物料运动过程如图2所示，在矩形双晶片压电振子上施加正弦交流电压，使之发生弯曲变形。由于压电振子存在一定的安装角度φ，因此产生水平和竖直方向的复合振动。当压电振子向右弯曲运动时，带动支撑弹簧片发生弯曲变形，储存弹性势能；当压电振子向左弯曲时，上下支撑弹簧释放弹性势能，迫使弹簧片迅速改变弯曲方向，并向左上方运动，经过支撑弹簧振动位移放大作用，即支撑弹簧弯曲角度β大于压电振子弯曲角度α，超越原来的静平衡位置达到某一上限，如此往复循环，运动过程为从右向左(图2)，物料在很小的空间内滑移运动，经过特制的滑槽形状，使物料按着要求的轨迹运动。

图2 物料运动过程

2 动力学方程的建立和仿真分析

2.1动力学方程的建立

物料输送器的简化力学模型如图3所示。m1为顶盘和料道质量；m2为底座和配重块的质量；k0为支撑弹簧片的刚度；k1为压电振子的刚度；k2为橡胶底脚的刚度，c1、c2为系统的阻尼系数，为驱动源提供竖直方向的驱动力；x0、x1、x2为压电振子；m1和m2的振动为位移。令F(t)=k0x0cosωt为压电振子提供的激励力。

图3 简化力学模型

该系统可看成双自由度受迫振动简谐激励，为凸显主要影响因素，先将系统阻尼忽略，运动微分方程为：

(1)

将式(1)转化为：

(2)

由式(2)可得系统的固有频率方程：

(3)

由于k2远小于k0和k1，因此取k2≈0，则得到系统的固有频率为：

(4)

可将双自由度振动系统转化为单自由度有阻尼强迫振动系统，模型图如图4所示。

图4 直线振动输送器简化模型

简化后的等效质量为：

(5)

则单自由度有阻尼强迫振动系统微分方程为：

(6)

将式(5)变换为：

(7)

变换得到：

(8)

式中A——激励振幅；

ξ——粘性阻尼因子；

ωn——固有频率。

由式(7)得到系统的稳态响应为：

(9)

令：

(10)

稳态响应的幅值X与激励振幅A的比值λ为系统位移的放大倍数，即：

(11)

(12)

2.2系统模态仿真分析

利用Ansys软件对系统振动进行模态分析，得到系统的四阶振动模态，如图5所示。

图5 系统振动模态

从四阶模态上可看出，带有配重块的底座振动位移最小，一阶振型比较符合实际工作情况，产生斜向上振动，其中振动位移最大的区域是由悬臂原因引起的，二阶和三阶振型压电振子沿宽度方向发生扭曲，产生侧向振动，四阶谐振频率频率过高只有一端有微小振动。输送器料道要求是有适当的振动位移输出，且系统应按要求的方向振动，所以选用其一阶振型作为其工作模式。

3 实验测试

3.1测量装置原理和样机尺寸

实验测试原理图如图6所示，主要包括数字压电调频控制器(型号SDVC)、激光测微仪(型号LC- 2400A)、傅里叶分析仪(型号CFI200)和其他测量工具。

图6 实验测试原理

制造系统的样机尺寸和各部件所用材料为：料道300mm×50mm×8mm，材料为铝合金；顶盘160mm×50mm×8mm,材料为铝合金；支撑弹簧50mm×50mm×2.5mm，材料为65Mn；基板60mm×40mm×6mm，材料为65Mn；压电陶瓷40mm×30mm×1.2mm，配重块选用底部带滑槽可移动式结构；底座240mm×72mm×20mm，材料为45#钢。

3.2频率-位移关系

调节信号发生器，为了防止电压过高而击穿压电陶瓷，将电压值设为180V，为了测试准确，在料道上取前端、中部和末端3个点分别测试，改变驱动频率并测量料道的振动位移，得到幅频特性曲线，如图7所示。

图7 频率-位移特性曲线

从图7可看出，取得3个测试点振动位移在124Hz附近时料道的振动位移达到最大，说明系统的共振频率为124Hz,料道前端、中部、末端位移分别为43、41、45μm。产生不同振幅的原因是料道前端和末端是悬臂出来的，产生微小弯曲振动。这也说明输送料道不宜过长,否则会产生强烈的悬臂梁弯曲振动，导致回料或停滞现象。

3.3输送速度测试

将长×宽×高为3mm×2mm×2mm的金属块放入料道的末端，调节信号发生器电压设定为180V,改变信号发生器的频率，让金属块从料道末端移动到前端，每增加0.5Hz测量一次，得到频率-输送速度的变化关系曲线如图8所示。

图8 频率-输送速度特性曲线

从图8中可看出，频率在121～128Hz时输送器具有输送物料能力，在小于121Hz和大于128Hz的频率范围内输送速度均为0。在共振频率下输送速度最快，达到58mm/s。

调节信号发生器的频率为系统共振频率124Hz，改变驱动电压，每隔25V测量一次，得到电压-输送速度的变化关系曲线，如图9所示。

图9 电压-输送速度特性曲线

从图9中可看出，电压在50V以下输送速度为0，大于50V时，随着电压的增加，输送速度逐渐增大，基本呈线性关系。

3.4对比实验

与同型号的电磁式振动输送器进行对比实验，分别调节信号发生器，使其工作在共振条件下，回路中的电压为180V，测得相关参数见表1。

表1 输送器性能对比

由表1可以看出，在电压相同时，共振条件下研制的样机其电流仅为电磁式的21.71%，输送速度是电磁式的1.65倍，振幅为电磁式的36.6%，噪音比电磁式低41dB。电磁式输送器在输送过程中出现明显的跳跃、颠簸现象，输送性能较差。

4 结论

4.1为了实现对现代工业轻、薄、小产品的平稳的输送，研制了一种直线式物料输送器，对系统的模型进行了分析，推导出了系统位移放大倍数表达式，以及对其进行了系统振型模态分析。

4.2对物料输送器进行了实验研究，压电振动输送器有较小位移输出，仅在40～45μm之间，工作频率范围为121～128Hz之间，具有输送物料的能力，在共振条件下输送速度最快，达58mm/s。

4.3与同型号的电磁式振动输送器相比，在共振条件下研制的样机的电流仅为电磁式的21.71%，输送速度是电磁式的1.65倍，振幅为电磁式的36.6%，噪音降低了41dB。

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