李 佳 艾炳任 栗守才 田曉超

(1. 中國石油吉林石化公司化肥廠；2. 吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

隨著科技的發(fā)展，振動(dòng)輸送器在自動(dòng)化生產(chǎn)線上逐漸代替了人工勞動(dòng)力，它具有整列特性好、定向輸送能力強(qiáng)及工作效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的輸送器(也叫送料器)都是以機(jī)械式或電磁式驅(qū)動(dòng)為主，然而它們具有噪音大、受電磁干擾、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及耗能高等缺點(diǎn)[2～4]。在現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展中，產(chǎn)品越來越趨向于輕、薄、小和低碳環(huán)保，整列性和輸送精度要求越來越高，輸送速度越來越快，工作環(huán)境也日趨改善，這就對(duì)輸送器的體積、噪音、輸送平穩(wěn)性及節(jié)能等方面提出更高的要求，而電磁式振動(dòng)輸送器已無法滿足這些生產(chǎn)要求。壓電式振動(dòng)輸送器是近些年發(fā)展起來的一種新型輸送器，相比傳統(tǒng)輸送器它具有振幅小、精度高、穩(wěn)定性好及耗能低等優(yōu)點(diǎn)，在食品、醫(yī)療、化工及電子等自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛應(yīng)用。早在1977年，日本首次成功研制出了以壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)源的壓電振動(dòng)送料器[5]，之后韓國Inha大學(xué)敏捷制造與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室制造了新型壓電送料器，并對(duì)該送料器進(jìn)行了有限元分析和實(shí)驗(yàn)分析[6]，臺(tái)灣也對(duì)直線式壓電送料器進(jìn)行了建模分析[7]，吉林大學(xué)、大連理工大學(xué)、大連交通大學(xué)及天津大學(xué)等也對(duì)壓電振動(dòng)輸送器進(jìn)行了相關(guān)方面的研究[8～11]。

筆者設(shè)計(jì)了一種新型物料振動(dòng)輸送器，以雙晶片壓電振子為驅(qū)動(dòng)源，在驅(qū)動(dòng)源兩端配上一種合適的質(zhì)量塊，使系統(tǒng)在適宜的頻率下工作，且物料在直線軌道上均勻、平穩(wěn)的輸送。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

筆者所設(shè)計(jì)的新型物料振動(dòng)輸送器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其驅(qū)動(dòng)源為雙晶片壓電振子(壓電陶瓷與金屬基板復(fù)合在一起)，一端與底座相連，一端與支撐彈簧下部相連，支撐彈簧的上端與頂盤相連，頂盤上面固定直線料道，驅(qū)動(dòng)源兩端配有一定質(zhì)量的配重塊，支撐彈簧、壓電振子與頂盤和底座保持一定的安裝角度，底部裝有橡膠底腳，起減振作用。

圖1 新型物料振動(dòng)輸送器結(jié)構(gòu)示意圖

物料運(yùn)動(dòng)過程如圖2所示，在矩形雙晶片壓電振子上施加正弦交流電壓，使之發(fā)生彎曲變形。由于壓電振子存在一定的安裝角度φ，因此產(chǎn)生水平和豎直方向的復(fù)合振動(dòng)。當(dāng)壓電振子向右彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)支撐彈簧片發(fā)生彎曲變形，儲(chǔ)存彈性勢能；當(dāng)壓電振子向左彎曲時(shí)，上下支撐彈簧釋放彈性勢能，迫使彈簧片迅速改變彎曲方向，并向左上方運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過支撐彈簧振動(dòng)位移放大作用，即支撐彈簧彎曲角度β大于壓電振子彎曲角度α，超越原來的靜平衡位置達(dá)到某一上限，如此往復(fù)循環(huán)，運(yùn)動(dòng)過程為從右向左(圖2)，物料在很小的空間內(nèi)滑移運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過特制的滑槽形狀，使物料按著要求的軌跡運(yùn)動(dòng)。

圖2 物料運(yùn)動(dòng)過程

2 動(dòng)力學(xué)方程的建立和仿真分析

2.1動(dòng)力學(xué)方程的建立

物料輸送器的簡化力學(xué)模型如圖3所示。m1為頂盤和料道質(zhì)量；m2為底座和配重塊的質(zhì)量；k0為支撐彈簧片的剛度；k1為壓電振子的剛度；k2為橡膠底腳的剛度，c1、c2為系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，為驅(qū)動(dòng)源提供豎直方向的驅(qū)動(dòng)力；x0、x1、x2為壓電振子；m1和m2的振動(dòng)為位移。令F(t)=k0x0cosωt為壓電振子提供的激勵(lì)力。

圖3 簡化力學(xué)模型

該系統(tǒng)可看成雙自由度受迫振動(dòng)簡諧激勵(lì)，為凸顯主要影響因素，先將系統(tǒng)阻尼忽略，運(yùn)動(dòng)微分方程為：

(1)

將式(1)轉(zhuǎn)化為：

(2)

由式(2)可得系統(tǒng)的固有頻率方程：

(3)

由于k2遠(yuǎn)小于k0和k1，因此取k2≈0，則得到系統(tǒng)的固有頻率為：

(4)

可將雙自由度振動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為單自由度有阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)，模型圖如圖4所示。

圖4 直線振動(dòng)輸送器簡化模型

簡化后的等效質(zhì)量為：

(5)

則單自由度有阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)微分方程為：

(6)

將式(5)變換為：

(7)

變換得到：

(8)

式中A——激勵(lì)振幅；

ξ——粘性阻尼因子；

ωn——固有頻率。

由式(7)得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為：

(9)

令：

(10)

穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值X與激勵(lì)振幅A的比值λ為系統(tǒng)位移的放大倍數(shù)，即：

(11)

(12)

2.2系統(tǒng)模態(tài)仿真分析

利用Ansys軟件對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)進(jìn)行模態(tài)分析，得到系統(tǒng)的四階振動(dòng)模態(tài)，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)

從四階模態(tài)上可看出，帶有配重塊的底座振動(dòng)位移最小，一階振型比較符合實(shí)際工作情況，產(chǎn)生斜向上振動(dòng)，其中振動(dòng)位移最大的區(qū)域是由懸臂原因引起的，二階和三階振型壓電振子沿寬度方向發(fā)生扭曲，產(chǎn)生側(cè)向振動(dòng)，四階諧振頻率頻率過高只有一端有微小振動(dòng)。輸送器料道要求是有適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)位移輸出，且系統(tǒng)應(yīng)按要求的方向振動(dòng)，所以選用其一階振型作為其工作模式。

3 實(shí)驗(yàn)測試

3.1測量裝置原理和樣機(jī)尺寸

實(shí)驗(yàn)測試原理圖如圖6所示，主要包括數(shù)字壓電調(diào)頻控制器(型號(hào)SDVC)、激光測微儀(型號(hào)LC- 2400A)、傅里葉分析儀(型號(hào)CFI200)和其他測量工具。

圖6 實(shí)驗(yàn)測試原理

制造系統(tǒng)的樣機(jī)尺寸和各部件所用材料為：料道300mm×50mm×8mm，材料為鋁合金；頂盤160mm×50mm×8mm,材料為鋁合金；支撐彈簧50mm×50mm×2.5mm，材料為65Mn；基板60mm×40mm×6mm，材料為65Mn；壓電陶瓷40mm×30mm×1.2mm，配重塊選用底部帶滑槽可移動(dòng)式結(jié)構(gòu)；底座240mm×72mm×20mm，材料為45#鋼。

3.2頻率-位移關(guān)系

調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，為了防止電壓過高而擊穿壓電陶瓷，將電壓值設(shè)為180V，為了測試準(zhǔn)確，在料道上取前端、中部和末端3個(gè)點(diǎn)分別測試，改變驅(qū)動(dòng)頻率并測量料道的振動(dòng)位移，得到幅頻特性曲線，如圖7所示。

圖7 頻率-位移特性曲線

從圖7可看出，取得3個(gè)測試點(diǎn)振動(dòng)位移在124Hz附近時(shí)料道的振動(dòng)位移達(dá)到最大，說明系統(tǒng)的共振頻率為124Hz,料道前端、中部、末端位移分別為43、41、45μm。產(chǎn)生不同振幅的原因是料道前端和末端是懸臂出來的，產(chǎn)生微小彎曲振動(dòng)。這也說明輸送料道不宜過長,否則會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的懸臂梁彎曲振動(dòng)，導(dǎo)致回料或停滯現(xiàn)象。

3.3輸送速度測試

將長×寬×高為3mm×2mm×2mm的金屬塊放入料道的末端，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器電壓設(shè)定為180V,改變信號(hào)發(fā)生器的頻率，讓金屬塊從料道末端移動(dòng)到前端，每增加0.5Hz測量一次，得到頻率-輸送速度的變化關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 頻率-輸送速度特性曲線

從圖8中可看出，頻率在121～128Hz時(shí)輸送器具有輸送物料能力，在小于121Hz和大于128Hz的頻率范圍內(nèi)輸送速度均為0。在共振頻率下輸送速度最快，達(dá)到58mm/s。

調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的頻率為系統(tǒng)共振頻率124Hz，改變驅(qū)動(dòng)電壓，每隔25V測量一次，得到電壓-輸送速度的變化關(guān)系曲線，如圖9所示。

圖9 電壓-輸送速度特性曲線

從圖9中可看出，電壓在50V以下輸送速度為0，大于50V時(shí)，隨著電壓的增加，輸送速度逐漸增大，基本呈線性關(guān)系。

3.4對(duì)比實(shí)驗(yàn)

與同型號(hào)的電磁式振動(dòng)輸送器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，使其工作在共振條件下，回路中的電壓為180V，測得相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 輸送器性能對(duì)比

由表1可以看出，在電壓相同時(shí)，共振條件下研制的樣機(jī)其電流僅為電磁式的21.71%，輸送速度是電磁式的1.65倍，振幅為電磁式的36.6%，噪音比電磁式低41dB。電磁式輸送器在輸送過程中出現(xiàn)明顯的跳躍、顛簸現(xiàn)象，輸送性能較差。

4 結(jié)論

4.1為了實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)輕、薄、小產(chǎn)品的平穩(wěn)的輸送，研制了一種直線式物料輸送器，對(duì)系統(tǒng)的模型進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出了系統(tǒng)位移放大倍數(shù)表達(dá)式，以及對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)振型模態(tài)分析。

4.2對(duì)物料輸送器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，壓電振動(dòng)輸送器有較小位移輸出，僅在40～45μm之間，工作頻率范圍為121～128Hz之間，具有輸送物料的能力，在共振條件下輸送速度最快，達(dá)58mm/s。

4.3與同型號(hào)的電磁式振動(dòng)輸送器相比，在共振條件下研制的樣機(jī)的電流僅為電磁式的21.71%，輸送速度是電磁式的1.65倍，振幅為電磁式的36.6%，噪音降低了41dB。

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