超声波粉体输送装置及其应用

　　引言

　　超声波粉体输送装置是超声马达技术的延伸,在原理上完全不同于传统的粉体输送装置[1]。由于它利用压电超声振动在细管管壁上产生的衰减行波推动粉体移动,具有结构简单、尺寸小、输送速率小、易控制等优点,非常适合于少量或微量粉体物料的精确定量输送,是化工、食品、制药等工业领域迫切需要的新型粉体输送装置。

　　日本最早开始研究超声波粉体输送装置,在实验研究和应用方面处于领先地位[2]。但是,由于超声波粉体输送装置所涉及的学科领域非常多,以及结构和过程的复杂性,还未见有关于输送速率和功率消耗数学模型的研究报告。在国内,除南京航空航天大学研制出一台原理性实验样机外,还未见其他样机出现,也未见有关的研究论文或成果公开发表。

　　1　结构与机理

　　图1是南京航空航天大学研制的基于径向伸缩模态的超声波粉体输送装置。该装置主要由2片环形压电陶瓷、有机玻璃细管、料斗等组成。

　　压电陶瓷和细管的结构及其安装关系如图2所示,其中压电陶瓷片的内径11mm,外径32mm,厚度2mm,沿厚度方向极化,全电极,双面镀银。细管的内径为8mm,外径12mm,输送段长度14cm,进料段长6cm。为保证粉体顺利进入输送段,进料段加工成半圆筒形。压电陶瓷的内径与细管前端外径采用紧配合,以保证良好的接触。两片压电陶瓷通过螺栓和固定压板安装在细管的前端,压电陶瓷片两侧放置铜板电极,通过引线与驱动电源相连。工作时,将进料段插入装满粉体的料斗底部,开口朝上。

　　根据对环形压电陶瓷模态分析的结果,某一频率下会产生径向伸缩的(R,1)共振模态。当施加在环形压电陶瓷片上的交变电压的频率与压电陶瓷片的固有共振频率相同时,压电陶瓷片进入径向伸缩的共振状态,此时压电陶瓷片伸缩振动的振幅最大[3]。由于有机玻璃细管前端与压电陶瓷片的内圆紧密接触,接触部分会受到压电陶瓷片内径变化的激励产生径向伸缩振动[4]。在这种振动以应力波的形式沿细管轴线向进料端传播的过程中,管壁材料的能量耗散作用和管内粉体的能量吸收作用使机械波的能量逐渐衰减,而料斗内进料段周围粉体又吸收了一部分振动能量,所以从进料端反射回来的机械波大大减弱。于是,根据波的迭加原理,细管管壁的振动不会形成完整的柱波,而是从前端向进料端行进的衰减行波,如图2(b)所示。

　　当行波在细管中传播时,细管内壁各点做如图2所示的微观椭圆运动,且椭圆运动上部微小位移的方向与行波的前进方向相反[5,6]。正是椭圆运动的微小位移的存在,推动了粉体沿行波传递的反方向移动,从而实现了粉体从进料端至出料端的输送。