为了满足羟基磷灰石冷喷涂工艺对微量送粉的要求 开发了超声波送粉系统 并对其送粉原理和送粉能力进行了理论分析和试验研究 研究结果表明 系统送粉能力主要与驱动电源输出的电压和频率 压电陶瓷片的性能和结构参数以及输送管的长度和阻尼系数等因素有关 通过试验 获得了各因素对系统送粉速率的影响规律 本文的送粉系统对羟基磷灰石粉体的最小送粉速率约为０．００２ｇｓ 最大送粉速率约为０．２５ｇｓ 并且送粉过程响应迅速 可以满足微量送粉的要求。
关键词 机械制造工艺与设备 粉体输送 超声振动 衰减行波 羟基磷灰石
羟基磷灰石涂层作为生物医用涂层广泛地应于人工替代骨表面 目前其制备方法主要有热喷涂法、化学和电化学法 热喷涂法易造成涂层材料在高温下发生相变 影响涂层特性和强度化学 电化学法操作复杂 反应条件要求精确制备时间较长。
冷喷涂法制备羟基磷灰石涂层对送粉系统有着微量 连续送粉的要求３ 而传统的送粉机构很难满足这个要求 Ｔａｋｅｈｉｒｏ Ｔａｋａｎｏ等提出了一种利用衰减行波驱动粉体移动的新理论 并在此基础上搭建了试验样机 对金刚砂进行了初步的送粉试验研究４ － ６ Ｕ．Ｋüｈｎｅ等对不同种类的粉。
体进行了初步的送粉试验７ 张贵林等通过对金刚砂的送粉试验讨论了不同因素对送粉速率的影响８ 以上研究均是利用超声波实现粉体的输送 目前利用衰减行波实现羟基磷灰石粉体输送的研究尚未见报道本文提出了在常温下利用粉体气射流喷射制备羟基磷灰石涂层的冷喷涂方法 并针对羟基磷灰石粉体的物理特性 开发了一种超声波送粉系统 分析了送粉原理 并对羟基磷灰石粉体的输送能力进行了试验研究 获得了各因素对送粉速率的影响规律
１ 超声波送粉系统构成及工作原理
本文开发的超声波送粉系统如图１所示 主要由支架 环形压电陶瓷片 料杯 有机玻璃管 风扇 驱动电源以及直流电源等部件构成环形压电陶瓷片沿厚度方向极化 不分区 双面镀银电极 有机玻璃管的结构如图２所示 沿长度方向分为进料段 送料段和出料段 环形压电陶瓷片与有机玻璃管之间用胶粘结 送料段插入料杯中２ｍｍ送粉系统的工作原理如图２所示 压电陶瓷片受到高频正弦交流电激励时 发生径向收缩振动 当交流电的频率与压电陶瓷片的自然频率一致时 将激发出压电陶瓷片的径向收缩振动模态压电陶瓷片的径向振动传递给有机玻璃管并由接触部分以波的形式向两端传递 波沿有机玻璃管送料段传递时 受到管壁及粉体的吸振作用 能量发生衰减 使得波沿界面反射时 反射波的振幅大大减小 根据波叠加理论 管壁上不能形成驻波而是以衰减行波的形式由压电陶瓷片向进料段方向传递 衰减行波在传递过程中 有机玻璃管内壁上的质点在微观下做椭圆运动 在管的内部椭圆运动方向与波传递方向相反 从而驱动粉体由进料段向出料段移动 而在出料段 由于管长较短 吸振作用弱 波能量衰减较小 不足以形成衰减行波 粉体进入此段后靠后面粉体的推力流出
２ 超声波送粉理论分析
压电陶瓷片做径向伸缩振动 使得有机玻璃
管在接触点处也产生径向伸缩振动 以此接触点为原点 其振动方程为μ０ｔ ＝Ａ ｓｉｎω ｔ １０式中 Ａ 为压电陶瓷片径向收缩的振幅 ω为压电陶瓷片的振动频率 即为驱动电源输出的频率由于管壁以及粉体颗粒的吸振作用 使得超声波在传递的过程中能量衰减 与原点距离为ｘ的质点的振动方程为μ １ ｘｔ ＝Ａｅ ｓｉｎωｔ－ｘｃ １１式中 α为超声波在有机玻璃管中的能量耗散系数 是一个与阻尼系数及超声波频率ｆ有关的量ｃ为超声波在有机玻璃管中的传播速度假设超声波在有机玻璃管界面处垂直入射反射波的相位差为１８０° 没有纵波产生 由于有机玻璃管界面和料杯内粉体紧密接触 能量会耗散到粉体内 故振幅会减小 此反射波在ｘ点处的
３ 超声波送粉系统的仿真分析
３． １ 环形压电陶瓷片的谐响应分析
为了简化分析 在建立环形压电陶瓷片的有限元模型时 忽略了压电陶瓷片与输送管之间的接触力影响１ 模型建立与网格划分内径１２ｍｍ 外径３２ｍｍ 厚度２ｍｍ的环形压电陶瓷片的仿真模型如图４所示 取ｓｏｌｉｄ５单元对模型进行网格划分 共８６４个单元 １４４０个节点２ 施加约束环形压电陶瓷片的机械边界条件为两端面和内外圆自由 电学边界条件为一端接地 另一端加１００Ｖ激励电压３ 求解环形压电陶瓷片进行谐响应分析求解时采用的方法为 Ｆｕｌｌ法 Ｆｒｏｎｔａｌ求解器 阻尼系数选恒定阻尼比０．０１５ 频率搜索范围４０ ７０ｋＨｚ 计算步长０．５ｋＨｚＳｔｅ ｐｐ ｅｄ载荷４ 后处理用时间处理器对仿真结果进行分析 图５为压电陶瓷片内环上的任意质点径向振动的振幅与驱动频率的关系 由图５可知 环形压电陶瓷片内环质点径向振动振幅随着驱动频率趋近其谐振频率而逐渐增大 且在其谐振频率处达到最大值 最大振幅 简称谐振振幅 约为２．４８１１２×１０－６ｍ
３． ２ 有机玻璃管的谐响应分析
１ 模型建立和网格划分
简化后的有机玻璃管的仿真模型及网格划分如图７所示 有机玻璃管的尺寸为 内径８ｍｍ２ 施加载荷在有机玻璃管端面外圆各节点施加幅值为２．４８×１０－６ ｍ的径向周期性位移激励 如图８所示
３ 求解
有机玻璃管谐响应分析求解时采用Ｆｕｌｌ法求解器选用 Ｆｒｏｎｔａｌ 阻尼系数分别选择０．０１０．０１５０．０２０．０２５ 强制频率范围４８ ５２ｋＨｚ计算步长２００ＨｚＳｔｅ ｐｐ ｅｄ载荷步
４ 后处理
采用通用处理器查看仿真结果 图９为激励频率为５０．２ｋＨｚ时 不同阻尼系数的有机玻璃管的位移振型云图 图中径向振动激励加在左端外圆上 由图９可以看出 径向振动由左向右传播时振幅越来越小 且对比四个振型云图可知 有机玻璃管阻尼系数越大 径向振动的衰减越明显如果阻尼过大 将使振动衰减过快 影响振动的传播距离。
图１０为有机玻璃管内壁距左端不同距离各质点的径向振动振幅随激励频率的变化曲线 对比五条曲线可知 内壁各质点径向振动的振幅随着与左端点距离的增加而逐渐减小。
４ 超声波送粉系统试验
利用本文开发的超声波送粉系统进行送粉规律的试验研究 其中 压电陶瓷片的结构参数如表１所示 有机玻璃管的外径为１２ｍｍ 内径为８ｍｍ 沿轴线分为进料段 送料段和出料段３部分 各部分长度如表２所示
１ 驱动电压对送粉速率的影响图１１为该送粉系统在表３所示试验条件下得到的送粉速率随驱动电压的变化曲线由图１１可以看出 在谐振点附近系统送粉速率随驱动电压的升高而增大 当驱动电压低于１０Ｖ时 送粉速率很小 这是由于此时压电片陶瓷径向收缩的振幅很小 产生的衰减行波强度不足以驱动粉体移动 驱动电压也不能过高 过高的驱动电压会使压电陶瓷片发热严重 缩短压电陶瓷片的工作寿命 且易将压电陶瓷片击穿对比３条曲线可以看出 在相同驱动电压下外形尺寸越大的压电陶瓷片送粉能力越强 但发热量较大 送粉速率不够稳定 如图１１中３号曲线 外形尺寸较小的压电片送粉能力较弱 但由于压电片较薄 散热状态好 送粉速率较为稳定 且与驱动电压呈线性关系 如图１１中２号曲线 图１２为３号系统在不同驱动电压下的送料状态照片２ 驱动频率对送粉速率的影响图１３为３号送粉系统在表４所示的试验条件下 测得的送粉速率与驱动频率的关系曲线由图１３可以看出驱动频率对系统送粉速率的影响较大 在谐振频率附近此系统具有良好的送粉能力 且送粉速率在压电陶瓷片的谐振点处达到最大值
５ 结 论
１ 系统的送粉能力主要与驱动电源的输出电压和频率 压电陶瓷片的参数以及输送管的长度和阻尼系数等有关
２ 驱动电压 驱动频率 送料段长度对送料速率影响较大 在其他条件不变的情况下 送粉速率随驱动电压的升高而增大 在压电陶瓷片谐振点附近系统有较好的送粉能力 且在谐振点处送粉速率达到最大值 送粉速率随送料段的增长而减小 送料段过长时没有送粉能力
３ 所设计的超声波送粉系统能够达到冷喷涂设备对送粉系统微量连续送粉的要求
参考文献略
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