超声振动输送的物料纵向振动过程测试与分析

　　以超声波电机为代表的压电驱动技术引起了国内外学者广泛的研究兴趣并取得了可喜的研究成果,作为经典超声电机技术的拓展,近来人们对超声物料输送技术亦进行了广泛的探索研究[1~4]。超声物料输送的原理不同于传统的低频高幅振动输送,除了兼有摩擦驱动型超声电机的特点如启动停止响应快、结构形式可微型化、不受磁场影响等优点外,还因块体物料的重力小而不存在因磨损而导致的寿命短等问题。目前,超声物料输送的研究还处于探索阶段,虽然超声电机技术可以为超声物料输送装置的研制提供诸多理论指导和实践经验,但超声物料输送技术将触及更多新的研究课题。例如,以往对超声振动条件下的摩擦驱动原理所建立的诸多接触模型中,一般都考虑定子与动子之间有较大的预压力[5~10]。但超声装置输送毫米尺度块体物料时,竖直方向上(纵向)物料与输送装置之间无额外预压力而只受较小的重力作用,物料在振动弹性体上的动态接触情况以及相互作用形式变得更为复杂,有冲击、振动、摩擦、粘附等多种情况。实验观察到物料的动力响应跟振动弹性体的振动规律(频率,振幅)、物料的表面粗糙度、材质以及接触面积等有关。

　　笔者通过电接触方法与激光多普勒测振法相结合的测试手段,对高频振子与试件间的纵向动态接触问题进行实验研究。

　　1　测试原理及装置

　　1·1　超声输送工况中的动态接触特性简述压电振子超声频振动时,其位移振幅通常是微米量级的,振子通过接触界面传递动力使试件产生动力响应,这时需要考虑接触界面表面粗糙度对传递动力的影响。按照摩擦学理论,实际工程表面随机地分布着大量参差不齐的微凸体,当两个三维物体接触时,首先是凸峰之间接触,每个峰顶形成一个微小的接触斑点,也可能是一个表面上的峰顶与另一个表面的峰肩或凹谷接触。真实接触面积以岛屿状斑点的形式随机分布在轮廓接触区内并只占轮廓面积的较小比例,其示意图如图1所示,总的真实接触面积是微小接触斑点面积的总和。

　　Bowden和Tabor很早以前就利用导电法(电接触法)发现真实接触面积与外载荷基本成正比[11]。在此之后的进一步研究结果表明:真实接触面积随载荷增大而成比例增大的主要原因是新生接触斑点的增多,其次是旧接触斑点的尺寸增大。当载荷很高时,各个接触斑点开始合并,最后连成一片。载荷达到某一临界值以后,即使载荷继续增加,接触斑点总数也不增多,这时新生斑点的产生速度与旧斑点的合并速度大致相等,真实接触面积的增大主要来自旧斑点尺寸的增大。基于大量的实验资料,真实接触面积形成过程的典型特性被总结为[12]: