垂直驱动型超声波送料器的研究

     1 引 言

    传统的电磁振动给料器由于磁干扰严重,工作噪音较大,在要求高清洁、低噪声的生产场合使用受到限制。解决噪声问题的最有效方法之一是采用声频以外的振动进行驱动,而解决磁干扰问题最根本的方法就是采用非电磁驱动方式,而这些恰恰是压电驱动所具备的。

    超声波驱动的传统应用为电学和声学领域,人们对其具有的机械驱动能力的认识是近些年的前对超声波驱动的研究还主要集中在马达方面。超声波振动给料可以看作是超声波驱动能力的进一步开发应用,即通过合理的结构形式形成超声波振动对系统的驱动,使给料盘的表面获得运动叠加或合成最终形成椭圆运动[1],从而具备推动与之接触的物料持续移动的能力,是超声波驱动技术在物料输送方面应用的积极探索。

    2 超声换能器的设计

    2 .1 压电振子结构的选择

    超声换能器的种类按形状分为薄板形、圆片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等;按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动、复合型振动等[2];按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等;按压电转换方式分为发射型、接收型、发射-接收复合型等[3-5],根据不同的应用场合选择不同的压电振子结构,它们各有各的特点。

    根据要设计的给料器的特点,本文选定纵向伸缩振动的螺栓紧固型超声换能器,如图1。其基本结构是由前后端金属盖板、轴向极化的圆环形压电陶瓷、作固定用的节板、作电极使用的金属圆片以及将以上几部分连接预紧的应力螺栓组成。

    这种结构的换能器具有如下优点[3]:

    (1)避免压电陶瓷片因受拉而破裂。

    (2)提高了换能器的换能效率。

    (3)压电陶瓷片的数目和连接方式都有选择的余地,能在较宽的阻抗及频率范围内设计换能器。

    (4)改变前后盖板的材料、尺寸,能够控制换能器的带宽、前后振速比和有效机电耦合系数等换能器参数,对换能器进行优化设计。

    (5)本文设计使用的换能器后盖板采用圆柱形截面,前盖板则是锥形结构(锥度约为4b),这种结构主要起聚能作用,并能有效地放大辐射面的振幅。

    (6)由于压电陶瓷的导热性能差,在大功率状态下极易发热,从而造成能量转换效率下降。在螺栓紧固型压电陶瓷换能器中,由于使用了金属制作前后盖板,换能器的导热性能得到很大的改善,因此这种形式的换能器的频率温度系数很小,其温度的稳定性也好。

    2.2 换能器尺寸参数的设计

    在换能器的设计中,把振子的前、后盖板以及压电陶瓷元件都看作是连续的弹性介质,换能器结构如图2所示,分别建立它们的弹性方程,再利用边界条件推导出式(1)、(2)[7],然后求解各个设参数得: