多点压电振动给料装置的实验研究
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精度不易保证 ，并且作为装置的结构参数 ，不宜反复调 整 ， 以此参数不适合作为给料速率 的控制参数 。 所
３６ 底板板 材 的影 响 ．
２ — ６． ３２
（ 辑 明 涛） 编
作者 简介 ： 国辉（ ９ ０ ） 男， 师， 陈 １８ 一 ， 讲 硕士研 究生 ， 主要从事机械设计 及农业 电气化与 自动化方面的研 究。
３ 实验 研 究与 分 析 ３ ． 工作 频 率 的影 响
弹力 和 自身重力的作用 ，二力的合力产生行波推动物料 颗粒克服料槽及颗粒之间的摩擦力 向出料 口方向做抛物
线运 动 。 当相 位差 超 前 时 ，行波 沿 出料 口方 向 的分 量增
（） １实验 数据
将 压电陶瓷驱动电源输 出电压 的幅值设为 ８Ｖ， ０ 将 强 ， 促进 了物料 的输送 ； 当相位差滞后时 ， 行波沿出料 口 两路输 出分别接在两个驱动压 电片上 ；装置倾角 设为 方向的分量减弱 ， 阻碍 了物料的输送。 １。选择大米作为给送物料 ； ２； 信号输出时间 固定为每次
可 以通 过 调 整驱 动 电源 的 输 出进 行 调 节 ；选 择 大 豆 、 大
信号相比较 ， 后端压 电陶瓷片驱动信号相位超前时 ， 装置
工作频率 、工作电压和输入信号相位差这三个参数 的给料速率总体偏高 ； 后端驱动信号相位滞后时 ， 装置 的 给料速率总体偏低 ； 当相位差为一 Ｏ左右时， ９。 给料速率最 米、 洗衣 粉 、 蓝 根 颗 粒 、 、 粉这 六 种 物 料 进 行 比较 ； 大 。 板 盐 淀 结合振动给料装置的工作机理分析 ， 电陶瓷片作为 压 装置倾 角及底板材质可以手动调整。 振动源， 将能量通过料槽传递给物料 ， 物料颗粒受到料槽
（） ２数据分析
机械工程师 ２１ 年第８ １ ０１ 期ｉ ５
学木交ｉ ｉ ； ｉ
理论 ， 发 ， 计 ， 遁 研 设 翩
强 ， 以实 现定量给料 。 出设想 ， 难 提 通过改变料槽底板板材来
抑制物料的流动性 ， 进而实现定量给料。实验条件如下 ： 工作频率设定 为 ５０ ｚ相位差 １０ ， ０Ｈ ， ８ 。电压 ８ Ｖ； ０ 料 槽倾角 １。物料为大豆； ２， 料槽底板材质有两种 。 保证 其它实验
［ 参考文献］
率 随 着 装 置 倾
角 的 增 大 而
线性增 大。但倾角不能过 大 ， 因为 当倾角 过大时 ， 颗粒
受 到 的 重 力 沿 料 槽 底 板方 向 的 分 量 大 于 颗 粒 受 到 的 摩
擦 力 ， 粒 将 加 速 下 滑 ， 无 法 通 过 振 动 实 现 对 物 料 移 颗 就 动 的 控 制 了 。装 置 料 槽 倾 角 的大 小 直 接 影 响振 动 给 料 装 置 的 给 料 性 能 ， 且 对 不 同 的物 料 ， 置 料 槽 的 最 佳 而 装
倾 角也不相 同。
［］ 江兴娥 ． １ 超声行 波微流体驱动 与控制技术 的基 础性研究 ［ ］ Ｄ． 济
尽管料槽倾 角对给料速率 的影响符合线性关系 ， 但 南： 山东大学 ，０ ６ ２０． ２ Ｊ． 传感 ２０， ４： ０ 是因为料槽倾角在实验过程中是通过人工调节 的，调节 Ｅ ］ 焦其伟压 电式振动给料器 的研制 ［］ 器技术 ，０ １２ （ ）
４ ～ ０ Ｖ范 围 内变 化 时 ，给料 速 率和 驱 动 电压 基 本呈 线 ０ １０
②装置存在 两个谐振频率 点。 当驱动 电源频率在
３ ０ ｚ ４ ０ ｚ 近时 ，压 电振动 给 料装 置 的 振 动 幅度 ２Ｈ 或 ２Ｈ 附
明显加强 ，即驱动电源频率接近装置谐振频率 ，引起共 振。这时 ， 振动给料速率达到最大值。
衣 粉三 种 流 动性 不 同 的物 料进 行 物 料给 送 实验 。图 ６ 所 示 为装 置料 槽 倾角 Ｏ和 装置 给料 速 率 的关 系 曲线 。 ／ （ ） 据分 析 ２数
通 过对 图 ６进 行分 析 ， 以看 出 ： 可
（ ） 验数 据 １实
在试 验 过 程 中 ，不断 改 变压 电给料 装 置料 槽 底 板板
性关系 ； 当驱动信号 电压高于 １０ ２ Ｖ时， 装置给料 速率不 再增加， 而是趋于水平。
由此可见 ， 压电振动给料装置工作在谐振状态时 ， 装 置的给料速率最大 ， 能量转换效率最高。 为了保证压电给 料装置能够稳定高效地工作 ，压电陶瓷驱动电源的输出 频率应该有足够 的调整宽度 。
条 件 不 变 ，每 种 材 质送料 １ ０次 ， 到 得 了二 种 板 材 的 给料
褂
曲线 ， 如图 ７ 所示 。
通 过 图 ５四条 曲线 的 比较 ， 出 ： 得
婪 （） ２ 数ຫໍສະໝຸດ 分析 从 图 ７可 以 看
①物料颗粒的流动性对振动给料装置的传输性能有 很 大影响。流动性好 的物料 （ 比如盐 ）其输送速率高， ， 稳
３３ 工 作 电压 的 影 响 ．
（ ） 验数 据 １实
驱 动 电源 的两
路 输 出信 号工 作 频
率 ４０ ｚ ０ Ｈ ；相位 差
调 整为 一 ５ 。物 料 １０ ；
为大米 ；装置倾角
调整 为 １ｏ ２。 （） 据分 析 ２数 分析 图 ２ 以得 出两 方 面信 息 ： 可 ．
ｌ ｓ ０。
由此可见 ， 对于两点式压电给料装置 ， 驱动信号 的相
位差超前时 ， 可以提高物料传送速率。 为了保证压电给料 相位差为 ０时 ，工作 电源频率与装置给料速率之间 装置能够稳定高效的工作 ，压 电陶瓷驱动电源两路输 出 。 的关系曲线如图 ２ 所示 。 电压信号的相位差应该有足够的调整范围。
３５ 装 置倾 角Ｏ 的影 响 ． Ｌ
使给料趋于平稳。
由此可见 ， 对于豆类物料 ， 可以通过改变料槽底板 的 压电陶瓷驱动电源输 出频率调整为 ４ ０ ｚ ５ Ｈ ；相位差 材质来抑制物料的流动性 ， 实现定量传送。 调整为 １０ ； ５ 。不断改变料槽倾角， 对大米 、 板蓝根颗粒 、 洗 ４ 结 语
率 和 料 槽 倾 角
Ｏ 基 本 呈 线 性 ／ 关 系 ， 给 料 速 即
（） ２ 给料装置的料槽倾角和底板板材应该方便调整
或更换 ， 以适应对多种物料的精确传送。 （） ３ 压电陶瓷驱 动电源输 出电压 的幅值可以作为装 置给料速率的控制信号 ，实现对物料给送的定量和精确
控制。 压 电振动 给 料装 置 采 用 的是 一种 新 兴技 术 ，它必 将 成 为 传统 振 动 给料 装置 的换代 产 品 ， 很好 的发展 前景 。 有 对 于 在实 验 中 出现 的 不足 之处 ，有待 在 今后 的研 制过 程 中进 行改 进 。
字木交流
理论 ， 发 ， 计 ， 研 设 翻造
物料高度相同 、 限高板高度不变 ， 考查输入信号 的频率及
（） ２ 数据分析 由图 ２ 可知 ， 当频率为 ４ ０ ｚ ３ Ｈ 固定不变时 ， 两路驱动
相位差 、 工作电压 、 物料种类 、 料槽倾角和底板材质等 因
素对装置给料速率的影响。
动 性 适 中 的物 料 颗 粒 ， 比如大 米 、 盐 、 蓝 根 颗 粒 和 洗 食 板 呈 抛 物线 运 动形 式 。对 于 豆类 物 料 ， 当底 板光 滑 时 ， 料 物 在 重力 加 速 度 的作 用 下 ， 动越 来 越快 ， 以实 现 定量 给 运 难 衣粉等。 对于流动性太好或太差的物料 ， 装置的给料速率 料 ； 当底板 带 有 与给 料方 向垂直 的横 纹 时 ， 重力 对 物料 颗 波动 较大 ， 很难 实 现定 量 给料 。 粒运动的影响减弱 ， 底板 的振动对物料运动起决定作用 ，
收 稿 日期 ：０ １ ０ — ０ ２１－５２
（） １实验 数 据
对于豆类物料 ， 因为物料之间摩擦力小 ， 物料流动性
１ 机械工程师 ２１ 年第８ ６ ０１ 期
材和倾角 ， 反复调整压电陶瓷驱动电源输 出电压的频率、 幅值及相位差。 通过对实验数据的分析和总结， 可以得出
下 面 的结论 ：
当 料 槽 倾 角 小 于 １。 ， ４时 装 置 的 给 料 速
（） １压电陶瓷驱动 电源多路输 出信号 的频率和相差
要 有一 定 的 调整 范 围 ，以 满足 压 电振 动 给料 装 置工 作 的 可 靠性 。
压 电陶瓷驱动
电压 与压 电振 动 给
①压 电振动给料装置工作频率有一定范围。当驱动
电源频率低 于 ２０ ｚ ６Ｈ 或大于 ６ ０ ｚ ， ０ Ｈ 时 装置几乎不能传
送物料。
料速率的关系曲线如图 ４ 所示。
（） 据分 析 ２数
分析图４可得出给料速率和驱动信号电压－ 间的关系： ， 之 当压 电陶瓷驱动电源的输出电压低于 ２ Ｖ时，给料 ０ 速率很低 ，无法实现物料均匀传送 ；当驱动信号电压在
３２ 相 位 差 的影响 ． （ ） 验数 据 １实
由此可见 ， 在一定范围内， 装置给料速率与驱 动信号
电压满足线性关系 ， 因此 ， 可以利用调整工作 电压实现对 装置给料速率的控制。
３４ 物料 种 类的 影响 ．
频率 为 ４ ０ ｚ ３Ｈ ，压 电振动给料装置的给料速率随两
路 驱 动 电源相 位 差变 化 而变 化 的 曲线 如 图 ３ 所示 。
定性 也 好 ； 于 流 动性 不 好 的物 料 （ 对 比如 洗 衣粉 ）它 的输 ，
出 ，将料槽底 板改 为 带 有 横 纹 的 板
材 ， 振动给料时 ， 在
试验次数 （ Ｎ次 ） 第
图 ７ 两种材质料槽底 板的
给 料 速 率 曲线
送速率和稳定性都略有下降。
②物料颗粒 的大小对振动给料装置 的给料性能没有 能够基本实现定量给料 。 分析振动给料的工作机理 ， 物料 直 接关 系 。 受到重力和底板的支持力作用 ， 当料槽振动 时， 物料颗粒 由此可知 ，多点压 电振动给料装置 比较适合传送流
（） １实验 数据 工 作 频 率 调 整 为 ４ ０ ｚ相 位 差 调 整 为一 ５ 。装 置 ５Ｈ ； １０ ；
倾 角 ｌ 。 ２。
为了考察不同物料颗粒的传送速率 ，依次选择了大 豆、 大米 、 洗衣粉 、 板蓝根颗粒 、 盐和淀粉这六种流动性和
颗粒大小各异的物料进行测试。 实验结果表明， 大豆颗粒 之间的摩擦力小 、 流动性强 ， 无法实现定量给料 ； 淀粉 的 流动性太差 ， 也无法实现稳定输送 。其余 四种物料 ， 在保 证相同实验条件下 ，对每种物料的传输速率测量 １ 次 ， ０ 得到的曲线如图 ５ 所示 。
３６ 底板板 材 的影 响 ．
２ — ６． ３２
（ 辑 明 涛） 编
作者 简介 ： 国辉（ ９ ０ ） 男， 师， 陈 １８ 一 ， 讲 硕士研 究生 ， 主要从事机械设计 及农业 电气化与 自动化方面的研 究。
３ 实验 研 究与 分 析 ３ ． 工作 频 率 的影 响
弹力 和 自身重力的作用 ，二力的合力产生行波推动物料 颗粒克服料槽及颗粒之间的摩擦力 向出料 口方向做抛物
线运 动 。 当相 位差 超 前 时 ，行波 沿 出料 口方 向 的分 量增
（） １实验 数据
将 压电陶瓷驱动电源输 出电压 的幅值设为 ８Ｖ， ０ 将 强 ， 促进 了物料 的输送 ； 当相位差滞后时 ， 行波沿出料 口 两路输 出分别接在两个驱动压 电片上 ；装置倾角 设为 方向的分量减弱 ， 阻碍 了物料的输送。 １。选择大米作为给送物料 ； ２； 信号输出时间 固定为每次
可 以通 过 调 整驱 动 电源 的 输 出进 行 调 节 ；选 择 大 豆 、 大
信号相比较 ， 后端压 电陶瓷片驱动信号相位超前时 ， 装置
工作频率 、工作电压和输入信号相位差这三个参数 的给料速率总体偏高 ； 后端驱动信号相位滞后时 ， 装置 的 给料速率总体偏低 ； 当相位差为一 Ｏ左右时， ９。 给料速率最 米、 洗衣 粉 、 蓝 根 颗 粒 、 、 粉这 六 种 物 料 进 行 比较 ； 大 。 板 盐 淀 结合振动给料装置的工作机理分析 ， 电陶瓷片作为 压 装置倾 角及底板材质可以手动调整。 振动源， 将能量通过料槽传递给物料 ， 物料颗粒受到料槽
（） ２数据分析
机械工程师 ２１ 年第８ １ ０１ 期ｉ ５
学木交ｉ ｉ ； ｉ
理论 ， 发 ， 计 ， 遁 研 设 翩
强 ， 以实 现定量给料 。 出设想 ， 难 提 通过改变料槽底板板材来
抑制物料的流动性 ， 进而实现定量给料。实验条件如下 ： 工作频率设定 为 ５０ ｚ相位差 １０ ， ０Ｈ ， ８ 。电压 ８ Ｖ； ０ 料 槽倾角 １。物料为大豆； ２， 料槽底板材质有两种 。 保证 其它实验
［ 参考文献］
率 随 着 装 置 倾
角 的 增 大 而
线性增 大。但倾角不能过 大 ， 因为 当倾角 过大时 ， 颗粒
受 到 的 重 力 沿 料 槽 底 板方 向 的 分 量 大 于 颗 粒 受 到 的 摩
擦 力 ， 粒 将 加 速 下 滑 ， 无 法 通 过 振 动 实 现 对 物 料 移 颗 就 动 的 控 制 了 。装 置 料 槽 倾 角 的大 小 直 接 影 响振 动 给 料 装 置 的 给 料 性 能 ， 且 对 不 同 的物 料 ， 置 料 槽 的 最 佳 而 装
倾 角也不相 同。
［］ 江兴娥 ． １ 超声行 波微流体驱动 与控制技术 的基 础性研究 ［ ］ Ｄ． 济
尽管料槽倾 角对给料速率 的影响符合线性关系 ， 但 南： 山东大学 ，０ ６ ２０． ２ Ｊ． 传感 ２０， ４： ０ 是因为料槽倾角在实验过程中是通过人工调节 的，调节 Ｅ ］ 焦其伟压 电式振动给料器 的研制 ［］ 器技术 ，０ １２ （ ）
４ ～ ０ Ｖ范 围 内变 化 时 ，给料 速 率和 驱 动 电压 基 本呈 线 ０ １０
②装置存在 两个谐振频率 点。 当驱动 电源频率在
３ ０ ｚ ４ ０ ｚ 近时 ，压 电振动 给 料装 置 的 振 动 幅度 ２Ｈ 或 ２Ｈ 附
明显加强 ，即驱动电源频率接近装置谐振频率 ，引起共 振。这时 ， 振动给料速率达到最大值。
衣 粉三 种 流 动性 不 同 的物 料进 行 物 料给 送 实验 。图 ６ 所 示 为装 置料 槽 倾角 Ｏ和 装置 给料 速 率 的关 系 曲线 。 ／ （ ） 据分 析 ２数
通 过对 图 ６进 行分 析 ， 以看 出 ： 可
（ ） 验数 据 １实
在试 验 过 程 中 ，不断 改 变压 电给料 装 置料 槽 底 板板
性关系 ； 当驱动信号 电压高于 １０ ２ Ｖ时， 装置给料 速率不 再增加， 而是趋于水平。
由此可见 ， 压电振动给料装置工作在谐振状态时 ， 装 置的给料速率最大 ， 能量转换效率最高。 为了保证压电给 料装置能够稳定高效地工作 ，压电陶瓷驱动电源的输出 频率应该有足够 的调整宽度 。
条 件 不 变 ，每 种 材 质送料 １ ０次 ， 到 得 了二 种 板 材 的 给料
褂
曲线 ， 如图 ７ 所示 。
通 过 图 ５四条 曲线 的 比较 ， 出 ： 得
婪 （） ２ 数ຫໍສະໝຸດ 分析 从 图 ７可 以 看
①物料颗粒的流动性对振动给料装置的传输性能有 很 大影响。流动性好 的物料 （ 比如盐 ）其输送速率高， ， 稳
３３ 工 作 电压 的 影 响 ．
（ ） 验数 据 １实
驱 动 电源 的两
路 输 出信 号工 作 频
率 ４０ ｚ ０ Ｈ ；相位 差
调 整为 一 ５ 。物 料 １０ ；
为大米 ；装置倾角
调整 为 １ｏ ２。 （） 据分 析 ２数 分析 图 ２ 以得 出两 方 面信 息 ： 可 ．
ｌ ｓ ０。
由此可见 ， 对于两点式压电给料装置 ， 驱动信号 的相
位差超前时 ， 可以提高物料传送速率。 为了保证压电给料 相位差为 ０时 ，工作 电源频率与装置给料速率之间 装置能够稳定高效的工作 ，压 电陶瓷驱动电源两路输 出 。 的关系曲线如图 ２ 所示 。 电压信号的相位差应该有足够的调整范围。
３５ 装 置倾 角Ｏ 的影 响 ． Ｌ
使给料趋于平稳。
由此可见 ， 对于豆类物料 ， 可以通过改变料槽底板 的 压电陶瓷驱动电源输 出频率调整为 ４ ０ ｚ ５ Ｈ ；相位差 材质来抑制物料的流动性 ， 实现定量传送。 调整为 １０ ； ５ 。不断改变料槽倾角， 对大米 、 板蓝根颗粒 、 洗 ４ 结 语
率 和 料 槽 倾 角
Ｏ 基 本 呈 线 性 ／ 关 系 ， 给 料 速 即
（） ２ 给料装置的料槽倾角和底板板材应该方便调整
或更换 ， 以适应对多种物料的精确传送。 （） ３ 压电陶瓷驱 动电源输 出电压 的幅值可以作为装 置给料速率的控制信号 ，实现对物料给送的定量和精确
控制。 压 电振动 给 料装 置 采 用 的是 一种 新 兴技 术 ，它必 将 成 为 传统 振 动 给料 装置 的换代 产 品 ， 很好 的发展 前景 。 有 对 于 在实 验 中 出现 的 不足 之处 ，有待 在 今后 的研 制过 程 中进 行改 进 。
字木交流
理论 ， 发 ， 计 ， 研 设 翻造
物料高度相同 、 限高板高度不变 ， 考查输入信号 的频率及
（） ２ 数据分析 由图 ２ 可知 ， 当频率为 ４ ０ ｚ ３ Ｈ 固定不变时 ， 两路驱动
相位差 、 工作电压 、 物料种类 、 料槽倾角和底板材质等 因
素对装置给料速率的影响。
动 性 适 中 的物 料 颗 粒 ， 比如大 米 、 盐 、 蓝 根 颗 粒 和 洗 食 板 呈 抛 物线 运 动形 式 。对 于 豆类 物 料 ， 当底 板光 滑 时 ， 料 物 在 重力 加 速 度 的作 用 下 ， 动越 来 越快 ， 以实 现 定量 给 运 难 衣粉等。 对于流动性太好或太差的物料 ， 装置的给料速率 料 ； 当底板 带 有 与给 料方 向垂直 的横 纹 时 ， 重力 对 物料 颗 波动 较大 ， 很难 实 现定 量 给料 。 粒运动的影响减弱 ， 底板 的振动对物料运动起决定作用 ，
收 稿 日期 ：０ １ ０ — ０ ２１－５２
（） １实验 数 据
对于豆类物料 ， 因为物料之间摩擦力小 ， 物料流动性
１ 机械工程师 ２１ 年第８ ６ ０１ 期
材和倾角 ， 反复调整压电陶瓷驱动电源输 出电压的频率、 幅值及相位差。 通过对实验数据的分析和总结， 可以得出
下 面 的结论 ：
当 料 槽 倾 角 小 于 １。 ， ４时 装 置 的 给 料 速
（） １压电陶瓷驱动 电源多路输 出信号 的频率和相差
要 有一 定 的 调整 范 围 ，以 满足 压 电振 动 给料 装 置工 作 的 可 靠性 。
压 电陶瓷驱动
电压 与压 电振 动 给
①压 电振动给料装置工作频率有一定范围。当驱动
电源频率低 于 ２０ ｚ ６Ｈ 或大于 ６ ０ ｚ ， ０ Ｈ 时 装置几乎不能传
送物料。
料速率的关系曲线如图 ４ 所示。
（） 据分 析 ２数
分析图４可得出给料速率和驱动信号电压－ 间的关系： ， 之 当压 电陶瓷驱动电源的输出电压低于 ２ Ｖ时，给料 ０ 速率很低 ，无法实现物料均匀传送 ；当驱动信号电压在
３２ 相 位 差 的影响 ． （ ） 验数 据 １实
由此可见 ， 在一定范围内， 装置给料速率与驱 动信号
电压满足线性关系 ， 因此 ， 可以利用调整工作 电压实现对 装置给料速率的控制。
３４ 物料 种 类的 影响 ．
频率 为 ４ ０ ｚ ３Ｈ ，压 电振动给料装置的给料速率随两
路 驱 动 电源相 位 差变 化 而变 化 的 曲线 如 图 ３ 所示 。
定性 也 好 ； 于 流 动性 不 好 的物 料 （ 对 比如 洗 衣粉 ）它 的输 ，
出 ，将料槽底 板改 为 带 有 横 纹 的 板
材 ， 振动给料时 ， 在
试验次数 （ Ｎ次 ） 第
图 ７ 两种材质料槽底 板的
给 料 速 率 曲线
送速率和稳定性都略有下降。
②物料颗粒 的大小对振动给料装置 的给料性能没有 能够基本实现定量给料 。 分析振动给料的工作机理 ， 物料 直 接关 系 。 受到重力和底板的支持力作用 ， 当料槽振动 时， 物料颗粒 由此可知 ，多点压 电振动给料装置 比较适合传送流
（） １实验 数据 工 作 频 率 调 整 为 ４ ０ ｚ相 位 差 调 整 为一 ５ 。装 置 ５Ｈ ； １０ ；
倾 角 ｌ 。 ２。
为了考察不同物料颗粒的传送速率 ，依次选择了大 豆、 大米 、 洗衣粉 、 板蓝根颗粒 、 盐和淀粉这六种流动性和
颗粒大小各异的物料进行测试。 实验结果表明， 大豆颗粒 之间的摩擦力小 、 流动性强 ， 无法实现定量给料 ； 淀粉 的 流动性太差 ， 也无法实现稳定输送 。其余 四种物料 ， 在保 证相同实验条件下 ，对每种物料的传输速率测量 １ 次 ， ０ 得到的曲线如图 ５ 所示 。