压电式振动给料器驱动部件的力学分析.pdf

计与研究 Design and Researc
压电式振动给料器驱动部件的力学分析
谭晓东张坤
(大连交通大学,辽宁大连116028
摘要:利用 ANSYS软件分析了压电式振动给料器驱动部分,提取了固有频率和应力分析图,计算得出了
幅频特性曲线。研究共振弹簧与系统共振频率之间的关系,找出了振动料斗的共振频率范围,为更
好的自动化控制提供理论依据。
关键词:压电振动给料器压电振子共振频率
Mechanical Analysis of the Driven Parts of Piezoelectric Vibration Feeder
TAN Xiaodong, ZHANG Kun
Dalian Jiaotong University, Dalian 1 16028, CHN
Abstract: Using ANSYS software to analyzes the driven parts of piezoelectric vibration feeder, extracted the intrinsic
frequency and stress analysis, caleulated the amplitude-frequency characteristic curve. Study the rel
tionship between the spring system and resonance frequency, identify the resonance frequency range, and
ide the better theory fo
Keywords: Piezoelectric Vibration Feeder; Piezoelectric Vibrator; Resonance Frequency
1整体机械结构
360°内均匀排布,起支撑与驱动的作用。其结构示意
图如图1所示。
压电振动给料器主要由以下几个部分组成:料斗、
其工作原理:在双压电晶片振子上施加正弦交流
驱动部分(包括双压电晶片振子和共振弹簧)、支撑部电,随之压电双晶片产生周期性简谐振动,并伴有周期
分(包括支撑用的基板和共振弹簧)、底座、减震装置性激振力。板弹贅与减振弹簧产生弹性变形,带动料
等几个主要部分。共有三组压电双晶片,在水平斗和底座绕其轴线做相互反向的同步扭转运动,同时
在竖直方向也有上下微幅振动。当激励电压减小时,
由于板弹簧储存了足够的弹性变形能,迫使料斗急剧
改变运动方向2。如此上下循环往复,即形成高频微
幅振动。
2压电式振动给料器驱动部分设计
压电式振动给料器驱动部分主要是由以下几个部
分组成的:用于支撑的基板、用于放大振幅的共振弹簧
及振动源一一双压电晶片振子组成。其驱动部件结构
见图
基板。主要用于联接共振簧片与底座,同时可增
加系统的刚度。支撑用的基板材料为65Mn的弹簧
钢。其结构和尺寸见图3。其中1=110mm,b=60
1ー料斗;2ー共振弹簽;3-压电片;4-基板
5-底座;6一支座;7ー梯形块。
mm, (=2 mmo
图1压电式振动给料器结构示意图
双压电晶片振子。是压电式振动给料器的驱动
来辽宁省基金,基金号为:20071075
∴点
2010年第
Design and Research计与研究
源,它是压电式振动给料器的核心部分。其结构和尺
65Mn的蝉簧钢的性能为:弹性模量E=2.06x10
寸大小决定了给料器的形状和
a,泊松比μ=0.3,密度p=7.85×10kg/m3?。
大小,同时其性能也决定了压
电式振动给料器能否正常稳
3压电式振动给料器驱动部件的 ANSYS分
定的工作。本论文中选用2
析
了PZT4压电陶瓷品片。将两
压电逆效应
片压电陶瓷晶片,分别粘接在
双压电晶片的电场分布是均匀的,且垂直于长度
基板的两侧,其极化方向相同。
方向。此时在施加正弦电压,产生的激振力是按简谐
将一条导线焊接在压电陶瓷晶
1一共振弹;2一压电片
运动规律周期变化
片的炳表面,接电源的正极,另
3一基板。
设V= Since,则激振力使梁末端产生的位移大
一条导线接地。其结构和尺寸图2动部件
小为”2
见图3,其中a=68.5mm,b=
60m,m-t=1mm(mーt是压电片厚度),压电常数d2n
=186x10C/N,杨氏模量Y=6.2x10"Pa,泊松比ル式中:x为双压电晶片末端位移;a为激振角频率;V
0.3,密度P=7.5x10°kg/m31。
为激振电压幅值:为时间;为双晶片悬臂长度;a为
压电双晶片长度;dn为压电材料的压电常数;V为施加
的激振电压。
压电片在长度方向的仲缩将受到中间金属片的限
制,应该选择特殊材料形状的金属片。要求金属片和
压电陶瓷的线膨胀系数要尽量保持一致,以便增大压
电双晶片的偏转位移。本文选择的是弹簧钢
(65Mn),此时激振力的值可用下面公式求得?
F=sd 1 yy
图3双压电晶片振子
16P
(2
式中Y一双晶片的杨氏模最
由于双压电晶片振子自由端位移量较小,所以在
b一压电双晶片宽度
双压电晶片振子的自由端安装一个共振弹簣片,相当
由此可见,在交变电压控制下,激振力呈正弦规律
于一个位移放大机构,使压电式振动给料器料盘表面变化,给料器做受迫振动。
获得较人的振幅,达到最佳给料速度。同时也避免了
料盘与双压电晶片振子的刚性接触,使料盘能够和双
由式(2)可知驱动部分所受的激振力为
压电晶片振子分隔开来。同时共振簧片起到支撑料盘
和料盘底座的作用,使整个结构更加安全,工作更加平
3×60×68.5×10-3
稳。本文压电式振动给料器所采用的共振弹簧片
x186×10~2x6.2x10v
16x110
为U型,弹簧片材料选择65Mn的弹簧钢,采用了不同
=0.012V
尺寸的共振弹箦进行试验,其结构及尺寸见表1。
表1共振弹簧片的尺寸
3.2压电式振动给料器驱动部分谐响应分析
结构和尺寸
序号b
谐响应分析是一种线性分析,分析结构在承受正
弦(简谐)载荷作用下稳态响应的一种技术。分析可
以得到位移随频率变化的幅频特性曲线,及其他结果
随颍率变化的情况。进一步分析在“峰值”响应所对
4
75
1.516
应频率下所产生的应力,从而验证设计是否能够成功
地克服共振引起的零件破坏?。
6
75601.58
在0~2000Hz频率范围内,在压电陶瓷晶片的
面上施加正弦电压,由式(3)得到激振力。在驱动部
∴和点
2010年第3期