一種超聲振動(dòng)輔助粉末去除裝置振子的有限元分析

仝 旭，榮佳誠，顧鳴偉，徐凱文，殷 振

(蘇州科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215009)

0 引言

鈑金車間的涂裝線主要適用于對(duì)金屬和非金屬工件表面進(jìn)行噴粉、噴漆處理，配合懸掛輸送機(jī)、電軌小車、地面輸送機(jī)等運(yùn)送工件形成運(yùn)輸作業(yè)線。進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)的時(shí)候，工件會(huì)通過掛鉤連接在有軌小車上，掛鉤的直徑在1.5 cm左右，有軌小車下方的近似三角形鐵板上設(shè)置有4個(gè)等間距排布的孔，孔的形狀為橢圓形，短軸為2 cm，長軸為3 cm。噴粉的目的是在工件的表面噴涂粉末，但是掛鉤在隨工件進(jìn)入噴粉室噴涂的過程中，鉤子的表面會(huì)被噴涂上粉末，粘附于掛鉤表面，使掛鉤的直徑逐漸變大，最后，當(dāng)鉤子的直徑增大到無法放進(jìn)有軌小車的掛孔和工件上直徑2 cm左右的掛孔時(shí)，就需要人工用鐵錘進(jìn)行敲打，使掛鉤兩端的勾頭上積累的粉末粘附物脫落，但是人工捶打不僅勞動(dòng)量大，而且效率不高。

本文設(shè)計(jì)了一種超聲振動(dòng)輔助粉末去除裝置，用于去除掛鉤表面粘附的粉末。該裝置主要利用連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)超聲振動(dòng)系統(tǒng)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，超聲振動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓板進(jìn)行超聲波振動(dòng)，當(dāng)壓板對(duì)掛鉤進(jìn)行錘擊和超聲振動(dòng)沖擊時(shí)，可以快速去除粘附于掛鉤兩端表面的粉末，從而實(shí)現(xiàn)掛鉤的重復(fù)利用，減少生產(chǎn)成本。采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)超聲振動(dòng)輔助粉末去除裝置的振子進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析，可以直觀、系統(tǒng)地揭示出該振子的輸出性能，預(yù)測出振子在加載電壓頻率下的最佳工作效果。

1 超聲振動(dòng)輔助粉末去除裝置的結(jié)構(gòu)

超聲振動(dòng)輔助粉末去除裝置由收粉箱、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、套筒、連桿機(jī)構(gòu)、電機(jī)、推送掛鉤部分、支架部分等構(gòu)成，如圖1所示。超聲振動(dòng)系統(tǒng)中的振子包括超聲波換能器、變幅桿和壓板，如圖2所示。整個(gè)振子系統(tǒng)通過超聲波換能器的節(jié)面位置法蘭與套筒連接，連桿機(jī)構(gòu)與套筒連接，電機(jī)的輸出軸與盤形曲柄連接。電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，通過連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)超聲振動(dòng)系統(tǒng)上下運(yùn)動(dòng)，超聲波發(fā)生器為超聲振動(dòng)系統(tǒng)中的振子提供500 V的交流電壓，使振子前端的壓板產(chǎn)生超聲振動(dòng)。當(dāng)壓板對(duì)掛鉤兩端的勾頭錘擊和超聲振動(dòng)沖擊時(shí)，即可粉碎掛鉤兩端的粘附物，并使其脫落。

1-收粉箱；2-超聲振動(dòng)系統(tǒng)；3-套筒；4-連桿機(jī)構(gòu)；5-電機(jī)；6-推送掛鉤部分；7-支架部分

圖2 超聲振動(dòng)系統(tǒng)簡圖

通過螺釘將前蓋板、后蓋板和壓電陶瓷片預(yù)緊聯(lián)接后構(gòu)成超聲波換能器，變幅桿通過螺釘聯(lián)接設(shè)置在超聲波換能器前端，壓板則通過螺釘連接在變幅桿前端。超聲波發(fā)生器輸出的電信號(hào)作用在超聲波換能器的壓電陶瓷片正極和負(fù)極，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波換能器的超聲振動(dòng)，振動(dòng)由超聲波換能器傳遞到變幅桿，然后通過變幅桿放大振幅后傳遞到壓板。

根據(jù)超聲振動(dòng)換能器的設(shè)計(jì)原理，超聲波換能器的前蓋板和后蓋板選用45鋼，變幅桿和壓板選用硬鋁LY12，壓電陶瓷片選用PZT-8。先以變截面桿縱振動(dòng)的波動(dòng)方程設(shè)計(jì)計(jì)算換能器和變幅桿的基本尺寸[1]，然后對(duì)它們整體進(jìn)行有限元仿真分析，得到超聲振動(dòng)輔助粉末去除裝置中振子的整體諧振頻率， 從而實(shí)現(xiàn)振子的整體諧振。

2 超聲振動(dòng)系統(tǒng)振子的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 超聲振動(dòng)系統(tǒng)振子的模型和有限元分析

采用有限元分析軟件ANSYS建立振子有限元模型，通過對(duì)該振子進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析，獲得振子的固有頻率、振動(dòng)模態(tài)、軸線振幅分布曲線、導(dǎo)納曲線、導(dǎo)納圓和幅頻曲線以及瞬態(tài)振動(dòng)曲線，直觀地揭示出振子的輸出性能，預(yù)測出該振子在加載一定頻率電壓下的最佳效果。

在ANSYS的前處理器中，對(duì)振子進(jìn)行三維建模。振子中壓電陶瓷片的單元類型選用Solid98；超聲波換能器的前蓋板和后蓋板單元類型選用Solid95；變幅桿和壓板的材料單元類型選用Solid95。采用3D自由網(wǎng)格對(duì)振子的三維模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。

2.2 振子的模態(tài)分析

使用ANSYS軟件，通過模態(tài)分析確定振子結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，模態(tài)分析是諧響應(yīng)分析以及瞬態(tài)分析的前提條件。在ANSYS中定義材料的屬性參數(shù)，然后劃分網(wǎng)格，振子沒有邊界約束條件，求解后得到振子的固有頻率和振型，還可以得到振動(dòng)模態(tài)和軸線振幅分布。

采用模態(tài)分析模塊，在壓電陶瓷片的正、負(fù)極定義兩個(gè)電壓為0 V，采用BlockLanczos模態(tài)求解方法[2]，求解的頻率范圍從25 kHz到30 kHz。對(duì)振子進(jìn)行模態(tài)分析后可以得到振子振動(dòng)模態(tài)云圖，如圖3所示，振子的諧振頻率為28.095 9 kHz。對(duì)該振子進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展分析，沿該振子的軸線提取路徑(從壓板前端到超聲波換能器末端)，從而得到超聲振動(dòng)系統(tǒng)軸向和縱向的振幅分布曲線，如圖4所示。由圖4可知:振子的軸向振幅在壓板前端最大，在超聲波換能器的節(jié)面位置附近最小。

2.3 振子的諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析用于確定線性結(jié)構(gòu)在受正弦載荷作用時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，目的是計(jì)算出振子在響應(yīng)頻率范圍內(nèi)的受載情況，并得到響應(yīng)隨頻率變化的振幅曲線。

振子的縱向振幅是一個(gè)微米級(jí)振動(dòng)量，并且振子的振動(dòng)狀態(tài)會(huì)直接影響到超聲振動(dòng)輔助粉末去除裝置的工作性能，因此要對(duì)振子進(jìn)行諧響應(yīng)分析，求解諧振頻率下振子的響應(yīng)位移。在振子負(fù)電極上加載電壓0 V、在振子的正電極上加載電壓500 V進(jìn)行激勵(lì)，采用完全法對(duì)振子進(jìn)行諧響應(yīng)分析，設(shè)定諧響應(yīng)頻率范圍為26 560 Hz～29 800 Hz，阻尼比為0.03。諧響應(yīng)分析后可以得到振子壓板處的幅頻曲線，如圖5所示，在28 kHz附近，該振子的縱向振幅達(dá)到最大值，接近振子通過模態(tài)分析得到的諧振頻率。通過Post26后處理器處理還可以得到振子的導(dǎo)納曲線和導(dǎo)納圓，如圖6和圖7所示。觀測振子在不同頻率下的導(dǎo)納值，對(duì)振子與超聲波電源的制作以及電路諧振匹配具有一定的參考價(jià)值[3-4]。

圖3 振子振動(dòng)模態(tài)云圖

圖4 超聲振動(dòng)系統(tǒng)軸向和縱向振幅分布曲線

圖5 振子壓板處的幅頻曲線

2.4 振子的瞬態(tài)分析

對(duì)振子進(jìn)行瞬態(tài)分析，確定隨時(shí)間變化的振子的振幅曲線。在電極加載一個(gè)正弦激勵(lì)電壓，施加的電壓大小為500 V，電壓頻率為28.095 9 kHz，并設(shè)置10個(gè)振動(dòng)周期的時(shí)域。得到的振子瞬態(tài)振動(dòng)曲線如圖8所示。從圖8可以看出:振子的最大振幅為0.875×10-7m，由于受到阻尼作用，振子并不是作振幅穩(wěn)定不變的正弦運(yùn)動(dòng)。

圖6振子的導(dǎo)納曲線圖7振子的導(dǎo)納圓圖8振子瞬態(tài)振動(dòng)曲線

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)輔助粉末去除裝置通過附加于壓板的超聲波振動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)高效率地去除掛鉤兩端的粉末粘附物，從而減輕工人的勞動(dòng)量，節(jié)省生產(chǎn)成本。使用有限元分析軟件ANSYS對(duì)超聲振動(dòng)輔助粉末去除裝置的振子進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析，通過后處理工具以及數(shù)學(xué)公式運(yùn)算得到了振子的固有頻率和振型，以及振動(dòng)模態(tài)、幅頻曲線、導(dǎo)納曲線、導(dǎo)納圓和瞬態(tài)振動(dòng)曲線，該振子的固有頻率為28.095 9 kHz，在500 V的正弦電壓作用下最大振幅為0.875×10-7m，這些數(shù)據(jù)以及曲線對(duì)該超聲振動(dòng)輔助粉末去除裝置中振子的制作和優(yōu)化改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)作用和參考價(jià)值。