新型物料輸送器的設(shè)計與實驗研究

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. 吉林大學機械科學與工程學院)

隨著科技的發(fā)展，振動輸送器在自動化生產(chǎn)線上逐漸代替了人工勞動力，它具有整列特性好、定向輸送能力強及工作效率高等優(yōu)點[1]。傳統(tǒng)的輸送器(也叫送料器)都是以機械式或電磁式驅(qū)動為主，然而它們具有噪音大、受電磁干擾、結(jié)構(gòu)復雜及耗能高等缺點[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，而電磁式振動輸送器已無法滿足這些生產(chǎn)要求。壓電式振動輸送器是近些年發(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，在食品、醫(yī)療、化工及電子等自動化生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)玫綇V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)動源的壓電振動送料器[5]，之后韓國Inha大學敏捷制造與系統(tǒng)實驗室制造了新型壓電送料器，并對該送料器進行了有限元分析和實驗分析[6]，臺灣也對直線式壓電送料器進行了建模分析[7]，吉林大學、大連理工大學、大連交通大學及天津大學等也對壓電振動輸送器進行了相關(guān)方面的研究[8～11]。

筆者設(shè)計了一種新型物料振動輸送器，以雙晶片壓電振子為驅(qū)動源，在驅(qū)動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)計的新型物料振動輸送器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其驅(qū)動源為雙晶片壓電振子(壓電陶瓷與金屬基板復合在一起)，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 新型物料振動輸送器結(jié)構(gòu)示意圖

物料運動過程如圖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合振動。當壓電振子向右彎曲運動時，帶動支撐彈簧片發(fā)生彎曲變形，儲存彈性勢能；當壓電振子向左彎曲時，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，并向左上方運動，經(jīng)過支撐彈簧振動位移放大作用，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到某一上限，如此往復循環(huán)，運動過程為從右向左(圖2)，物料在很小的空間內(nèi)滑移運動，經(jīng)過特制的滑槽形狀，使物料按著要求的軌跡運動。

圖2 物料運動過程

2 動力學方程的建立和仿真分析

2.1動力學方程的建立

物料輸送器的簡化力學模型如圖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)動源提供豎直方向的驅(qū)動力；x0、x1、x2為壓電振子；m1和m2的振動為位移。令F(t)=k0x0cosωt為壓電振子提供的激勵力。

圖3 簡化力學模型

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

(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)

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

圖4 直線振動輸送器簡化模型

簡化后的等效質(zhì)量為：

(5)

則單自由度有阻尼強迫振動系統(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軟件對系統(tǒng)振動進行模態(tài)分析，得到系統(tǒng)的四階振動模態(tài)，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)振動模態(tài)

從四階模態(tài)上可看出，帶有配重塊的底座振動位移最小，一階振型比較符合實際工作情況，產(chǎn)生斜向上振動，其中振動位移最大的區(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，四階諧振頻率頻率過高只有一端有微小振動。輸送器料道要求是有適當?shù)恼駝游灰戚敵?，且系統(tǒng)應(yīng)按要求的方向振動，所以選用其一階振型作為其工作模式。

3 實驗測試

3.1測量裝置原理和樣機尺寸

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

圖6 實驗測試原理

制造系統(tǒng)的樣機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，為了測試準確，在料道上取前端、中部和末端3個點分別測試，改變驅(qū)動頻率并測量料道的振動位移，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個測試點振動位移在124Hz附近時料道的振動位移達到最大，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。這也說明輸送料道不宜過長,否則會產(chǎn)生強烈的懸臂梁彎曲振動，導致回料或停滯現(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)信號發(fā)生器電壓設(shè)定為180V,改變信號發(fā)生器的頻率，讓金屬塊從料道末端移動到前端，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，達到58mm/s。

調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率為系統(tǒng)共振頻率124Hz，改變驅(qū)動電壓，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，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對比實驗

與同型號的電磁式振動輸送器進行對比實驗，分別調(diào)節(jié)信號發(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 輸送器性能對比

由表1可以看出，在電壓相同時，共振條件下研制的樣機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為了實現(xiàn)對現(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，對系統(tǒng)的模型進行了分析，推導出了系統(tǒng)位移放大倍數(shù)表達式，以及對其進行了系統(tǒng)振型模態(tài)分析。

4.2對物料輸送器進行了實驗研究，壓電振動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58mm/s。

4.3與同型號的電磁式振動輸送器相比，在共振條件下研制的樣機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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