本发明属于粉体输送技术领域，具体涉及一种微米级粉体颗粒超声波精准送料装置及方法。
背景技术：
粉体输送是粉体加工过程中的关键工艺步骤。微米级粉体在生物制药、食品加工、3d打印、新能源电池、国防军事等领域有着重要用途。在相关的工艺过程中，必须保证粉体颗粒送料量的精准和稳定，但微米级粉体颗粒比表面积大、表面活性高、颗粒极易发生团聚现象，给微米级颗粒的精准送料造成了困难。在粉体输送领域，常见的方法有气力输送法、水力输送法、超声振动输送法等。气力输送法借助载气的流动和管道两端压力差实现散状颗粒物料的输送，设备能耗高、送料过程不稳定且难以准确控制送料量。水力输送法借助低速流体的流态化现象使微粒沉淀以实现微粉送料，但输送过程中粉体颗粒易团聚、适用范围小。超声振动输送法借助高频机械振动对粉体颗粒施加微量位移，能够较好的实现微米级尺度粉体颗粒的精准送料，但现有的超细粉体颗粒超声振动输送装置存在如下缺点：
1.公开号为cn103618026a《一种在微加热器上涂覆敏感材料的设备及方法》的专利中提供的微量进料装置和方法无法实现自动连续进料、粉体出料量不精确不稳定。该装置使用压电驱动器产生纵向超声振动，将载料套筒内部填充的涂料颗粒振落在微加热器上。使用该装置时每次进料都需要拆卸物料管并手动装填，无法实现自动连续送料，影响了生产效率；另外该装置未考虑到粉体颗粒的团聚现象，在送料过程中团聚颗粒会堵塞小直径针头的出口，严重影响送料精度，无法实现稳定精准地粉体输送出料。
2.公开号为cn107840096a《微纳米黏性粉体微量稳定输送装置及方法》的专利中提供的微粉输送装置和方法，其装置装置抗干扰性差、结构复杂。该装置使用超声驱动器产生纵向振动波，采用了传统的轴向上下振动方式振落微粉颗粒，这使得安装出料喷嘴时需要满足很高的垂直度和安装精度，否则会造成出料喷嘴的偏振，影响出料精度。该装置还在锥形微喷嘴底部设置了一个超声驻波场，超声驻波场的加入有利于微粉颗粒的解聚，在一定程度上提高了微粉送料精度。但是该装置使用了堆栈式超声换能器和超声驻波设备共两套超声波发生装置，为了产生惯性振动和超声驻波场，需要使用脉冲信号和正弦波信号两种超声信号源，装置结构复杂。另外该装置还要求出料喷头尖端精准处于超声驻波场的波节点位置，稍有毫米级的偏移便会影响颗粒解聚效果，装置的安装要求高、抗干扰性差、难以保证送料量的精准稳定。
因此，提高粉体送料流程的连续性、提高微米级颗粒的送料精度和稳定性、保证颗粒有效解聚、简化装置结构、提高装置抗干扰性是目前微米级粉体颗粒超声振动送料装置亟待解决的问题。
技术实现要素：
[技术问题]
本发明的技术问题为：现有的超声振动输送方法和装置送料装置进料不连续、出料量不精确不稳定，粉体颗粒易团聚、装置结构复杂、装置抗干扰性差。
[技术方案]
本发明的目的是提供一种微米级粉体颗粒超声波精准送料方法及装置，以克服现有的超声振动输送方法和装置在微米级粉体颗粒送料过程中存在的进料不连续、出料量不精确不稳定、粉体颗粒易团聚、装置结构复杂、装置抗干扰性差等问题。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：
一种微米级粉体颗粒超声波精准送料装置，包括进料筒和微粉出料喷嘴，微粉出料喷嘴位于进料筒下方，还包括出料喷嘴支架和超声换能器，微粉出料喷嘴固定在喷嘴支架上部，超声换能器固定在喷嘴支架中部区域，所述超声换能器下部还具有圆锥式变幅杆，圆锥式变幅杆的尖端朝向微粉出料喷嘴下端。
在本发明的一个实施方式中，所述出料喷嘴支架和所述超声换能器均为两个，两个出料喷嘴支架和两个超声换能器在所述微粉出料喷嘴两侧对称分布，两个出料喷嘴支架上各有一个超声换能器。
在本发明的一个实施方式中，所述两个超声换能器的中轴线分别与所述微粉出料喷嘴的中轴线呈45°角。
在本发明的一个实施方式中，所述每两个超声换能器上部都还具有散热风扇。
在本发明的一个实施方式中，所述两个超声换能器是两组堆栈式超声换能器，两组堆栈式超声换能器的压电陶瓷片的极化方向反向设置，两组堆栈式超声换能器上施加相同的电信号，换能器末端发出超声辐射，同时可以使装置整体发生宏观振动，此宏观振动具体表现为以装置轴心线为中心进行微小幅度的左右两侧对称晃动。
在本发明的一个实施方式中，所述进料筒为旋风进料筒，旋风进料筒的下部与所述微粉出料喷嘴的上部通过减震密封支架连接在一起，旋风进料筒的下端伸入微粉出料喷嘴内腔；旋风进料筒的筒体分为上部圆筒段和下部圆锥段，圆筒段顶部开设出风口，圆锥段底部安装有挡灰盘，挡灰盘与之间圆锥段底部具有微粉出口。
在本发明的一个实施方式中，所述减震密封支架包括位于上部的金属密封圈和位于下部的金属波纹管，所述微粉出料喷嘴顶部具有波纹管安装槽，金属密封圈固定于所述旋风进料筒的底部外壁，金属波纹管与所述微粉出料喷嘴顶部的波纹管安装槽连接。
在本发明的一个实施方式中，还包括有机玻璃针头，所述微粉出料喷嘴是上宽下窄的锥桶状，有机玻璃针头安装在所述微粉出料喷嘴的下端。
在本发明的一个实施方式中，所述微粉出料喷嘴的下端外壁具有环形卡槽，环形卡槽上安装有金属卡扣，金属卡扣上具有调节螺栓。
本发明还提供了上述微米级粉体颗粒超声波精准送料装置的送料方法，包括以下步骤：
s1：使用悬浮气力输送方法将微粉送入旋风进料筒，微粉沿切向方向进入旋风进料筒并在其内壁形成回转气流，载气最终从顶部出风口离开，同时给微粉颗粒提供一部分出料动力，微粉沿旋风进料筒内壁滚落入微粉出料喷嘴内腔；
s2：微粉下落过程中形成微粉团聚体，之后微粉团聚体堵塞在有机玻璃针头的末端，当微粉团聚体在机玻璃针头内沉积一定量后，开启两组堆栈式超声换能器，堆栈式超声换能器带动微粉出料喷嘴做周期性对称晃动，同时堆栈式超声换能器产生的超声波通过圆锥变幅杆放大后作用在有机玻璃针头处，对有机玻璃针头内的微粉团聚体进行破碎；
s3：通过改变堆栈式超声换能器的工作状态调整微粉出料喷嘴的振动幅度和有机玻璃针头处的超声解聚效果，从而准确控制微粉下落速度以满足精准送料要求
[有益效果]
1.将出料喷嘴的振动方式从沿轴向的上下振动改变为左右晃动，提高了微粉出料的稳定性、提高了装置抗干扰性。传统的微粉送料装置，使用超声换能器产生的竖直振动来振落微粉颗粒，这种出料喷嘴沿轴向上下振动的出料方式，对出料喷嘴的安装垂直度要求非常高，若出料口中心线与超声振源水平面不能做到准确垂直，微粉颗粒会在出料管内形成堵塞，严重影响微粉颗粒出料的稳定性，故传统微粉送料装置对各零部件的制造加工精度和安装精度要求都很高、工作时需要严格避免外界干扰。本发明使用两个与水平面呈45°设置的堆栈式换能器，并将两个换能器对应位置处的压电陶瓷片极化方向反向安装，在两个换能器上施加任一电信号，都能保证在一个换能器做收缩形变的同时、另一个换能器做伸长形变，从而带动装置做机械振动，此振动具体表现为以装置轴心线为中心进行微小幅度的左右两侧对称晃动。本发明将微粉出料喷嘴的振动方式从沿轴向上下的振动变为左右方向的晃动，从根本上避免了轴向振动出料的弊端，能够有效避免微粉堵塞出料喷嘴、提高微粉出料的稳定性、降低装置的安装精度要求、提高装置的抗干扰性。
2.可实现连续自动进料，能够提高出料动力、使出料更顺畅。本发明使用悬浮气力输送和旋风分离方法将微粉连续送入喷嘴内腔，通过控制气力输送料气比可以控制微粉的进料速度，若要更换物料也不需要拆卸物料管，实现了连续自动进料。另外，本发明使用的旋风进料装置不仅可以保证进料的连续性，旋风进料筒内部产生的气压还可以为微粉的出料提供部分出料动力。传统装置仅使用超声惯性振动作为出料动力，与此相比，本发明的出料动力从原有的单一机械振动变为机械振动和气体推动的复合动力，使装置出料更顺畅。
3.合并了超声振动与机械振动，使装置结构更加合理。传统的设备为了产生机械振动和超声场，需要使用脉冲和正弦波两种超声信号源，装置结构复杂操作繁琐。本发明将微粉出料喷嘴、出料喷嘴支架、堆栈式超声换能器和减震密封支架结构整合成了一个整体的振动结构，可以使用一组超声换能器同时产生超声场和机械振动，在实现超声解聚功能的同时还可以振落粉末，使本装置的结构更加合理、操作更加方便。
4.微粉颗粒有效解聚，能够提高微粉输送稳定性。本发明利用超声换能器和变幅杆产生超声波，两束对称的超声波在有机玻璃针头处聚焦生成超声场，对堵塞在针头处的颗粒团聚体进行解聚破碎。使用此方法生成的超声场的作用范围覆盖了整个出料针头，即使出料针头的安装位置存在少量偏差、或工作过程中有外界干扰，本装置依然能保证良好的超声解聚效果，避免了出料针头的安装误差，有效提高了微粉输送的稳定性。
5.送料量精准连续可控。改变超声换能器的驱动电源电压和超声信号频率可以改变微粉颗粒的解聚效果和振动下落的速度，从而实现微粉送料量的精准控制；由于驱动电压和超声频率都可以在规定范围内连续变化，故本装置还可以实现微粉送料量的连续控制。
附图说明
图1为本发明实施例1中的微米级粉体颗粒超声波精准送料装置的整体结构半剖图。
图2为实施例1的旋风进料筒的剖面图和俯视图。
图3为实施例1的堆栈式超声换能器和出料喷嘴支架的剖面图。
图4为实施例1的微粉出料喷嘴和减震密封支架的剖面图。
图5为实施例1的有机玻璃针头的安装结构示意图。
图6为实施例1的一种超声信号输入波形图。
图7为实施例1的堆栈式换能器振动方向示意图。
1微粉气力输送管道、2旋风进料筒、210进风口、220出风口、230挡灰盘、240微粉出口、3旋风筒体支架、4减震密封支架、410金属密封圈、420金属波纹管、5微粉出料喷嘴、510波纹管安装槽、520环形卡槽、530金属卡扣、540调节螺栓、6出料喷嘴支架、610、散热风扇、620、凹槽、7堆栈式超声换能器、710压电陶瓷片、720圆锥变幅杆、730平面工具头、740换能器引线、8基础支架、9有机玻璃针头、10超声驱动信号源、1010超声信号发生器、1020信号放大器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种微米级粉体颗粒超声波精准送料装置，包括微粉气力输送管道1、旋风进料筒2、旋风筒体支架3、减震密封支架4、微粉出料喷嘴5、出料喷嘴支架6、堆栈式超声换能器7、基础支架8和有机玻璃针头9。微粉气力输送管道1连通旋风进料筒2；旋风进料筒2两侧对称安装旋风筒体支架3，旋风筒体支架3上部与旋风进料筒2相接处还具有增加稳固性的肋板；减震密封支架4安装于微粉出料喷嘴5和旋风进料筒2的连接处；旋风进料筒2的底端伸入微粉出料喷嘴5内腔；微粉出料喷嘴5两侧对称安装出料喷嘴支架6；堆栈式超声换能器7固定在出料喷嘴支架6中部区域；旋风筒体支架3和出料喷嘴支架6均固定在基础支架8上；有机玻璃针头9安装在微粉出料喷嘴5底部。
如图2所示，微粉气力输送管道1沿旋风进料筒2横截面的切线方向安装；微粉和载气通过微粉气力输送管道1和进风口210被输送进旋风进料筒2；旋风进料筒2的筒体外径与筒体高度的比例为1:1.3～1.6；旋风进料筒2筒体分为上部圆筒段和下部圆锥段，圆筒段高度与圆锥段高度的比例为1:2.4～2.8；筒体顶部开设出风口220；筒体底部安装有挡灰盘230以改善粉体输送效果，筒体底部与挡灰盘230之间是微粉出口240。
如图3所示，出料喷嘴支架6的中部开设凹槽620；凹槽620能够降低出料喷嘴支架6整体的抗弯截面系数、增大微粉出料喷嘴5的振幅、并留出散热风扇610的安装空间；堆栈式超声换能器7由3～6片压电陶瓷片710堆叠组成，换能器7以凹槽620部分为上盖板，换能器7下部安装圆锥式变幅杆720，变幅杆底部720为平面工具头730；超声换能器7的中轴线与水平呈45°角；堆栈式超声换能器7的内部，单片压电陶瓷片710一侧表面连接电源正极，另一侧表面连接电源负极，两片相邻的压电陶瓷片710共用一根换能器引线；在压电陶瓷片710的极化方向上施加同向电场可以使压电片发生伸长形变，施加反向电场可以使其发生缩短形变。
如图4、图5所示，微粉出料喷嘴5顶部有波纹管安装槽510，微粉出料喷嘴5整体呈锥形收缩至小端，小端处开有环形卡槽520；小端内直径为3～10mm；减震密封支架4安装微粉出料喷嘴5顶部；减震密封支架4分为上部金属密封圈410和下部金属波纹管420；金属密封圈410与旋风进料筒2的底部外壁表面紧密连接，金属波纹管420与微粉出料喷嘴5顶部的波纹管安装槽510连接；减震密封支架4可以将微粉出料喷嘴5的内腔与外界分隔，在工作过程中还可以减轻微粉出料喷嘴5的振动对其他结构的影响。有机玻璃针头9的小端内径为30～100μm，长度5～20mm；有机玻璃针头9通过卡扣、胶接等方式固定在微粉出料喷嘴5底部小端；在微粉出料喷嘴5底部的卡槽520处安装金属卡扣530和调节螺栓540。
如图6、图7所示，2组堆栈式超声换能器7对应位置处压电陶瓷片710的极化方向相反设置(每片压电陶瓷片的极化方向已在图7中使用箭头标出)；可选地，在施加如图6所示的正弦电压信号时，2组堆栈式超声换能器7的形变相反，从而带动微粉出料喷嘴5做周期性振动。可选地，超声信号发生器1010产生频率20khz正弦波信号，信号放大器1020将正弦波信号的输出电压稳定放大为36v并施加于压电陶瓷片710上。
实施例2
本实施例是实施例1中的送料装置的送料方法，包括以下步骤：
步骤一：开启进料装置。使用悬浮气力输送方法将微粉通过微粉气力输送管道1送入旋风进料筒2，带有微粉的气流通过进风口210，沿切向方向进入旋风进料筒2并在其内壁形成回转气流，载气最终从顶部出风口220离开，微粉颗粒沿旋风进料筒2内壁滚落入微粉出料喷嘴5内腔。
步骤二：观察有机玻璃针头9，等待微粉不断下落。在微粉下落过程中，颗粒间的摩擦、颗粒与针头内壁间的摩擦和颗粒的团聚现象会导致微粉颗粒形成微粉团聚体堵塞在有机玻璃针头9的末端，观察有机玻璃针头9直到其内部超过2/3被微粉填满。
步骤三：开启散热风扇610和超声驱动信号源10。使用信号发生器1010产生超声波信号，激励信号通过信号放大器1020施加在两组堆栈式换能器7上。由于两组堆栈式换能器7对应位置的压电陶瓷片710极化方向反向设置，在施加同一电信号时，两组换能器的位移方向相反，带动微粉出料喷嘴5做周期性晃动。当使用频率20khz、输入电压36v的正弦波作为超声激励信号时，微粉出料喷嘴在装置轴心线左右各0～380μm的范围内做对称晃动。另外两侧换能器产生的超声波可以通过圆锥变幅杆720的放大作用在有机玻璃针头9处，将针头处的微粉团聚体破碎还原成微粉颗粒，使颗粒顺利落下。
步骤四：在装置正常工作过程中，由于堆栈式超声换能器7处于空振状态，释放出的大量热能可能会融化相邻压电陶瓷片710中的绝缘胶，导致整个换能器的损坏，故必须保证两侧的散热风扇610一直处于正常工作状态、保证每组超声换能器7的功率低于300w、并在其连续工作30s后至少有30s的停机散热时间。
步骤五：调整超声频率和驱动电压，以此改变微粉出料喷嘴5的振动幅度和有机玻璃针头9处的超声解聚效果，从而准确控制微粉下落速度以满足精准送料要求。
本发明使用平均中值粒径为8.3μm的硅粉颗粒，使用36v、20khz频率的正弦波信号作为超声波激励信号，选用内径80μm的有机玻璃针头进行颗粒送料实验，通过不断收集从有机玻璃针头9出口处落下的硅粉颗粒进行检测，得到硅粉微粉的平均输送量为0.4mg/s，相对标准偏差约为10.8％，送料精确度较高、送料效果稳定、重复性较好。
本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够做出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种微米级粉体颗粒超声波精准送料装置，包括进料筒和微粉出料喷嘴，微粉出料喷嘴位于进料筒下方，其特征在于，还包括出料喷嘴支架和超声换能器，微粉出料喷嘴固定在喷嘴支架上部，超声换能器固定在喷嘴支架中部区域，所述超声换能器下部还具有圆锥式变幅杆，圆锥式变幅杆的尖端朝向微粉出料喷嘴下端。
2.根据权利要求1所述的一种微米级粉体颗粒超声波精准送料装置，其特征在于，所述出料喷嘴支架和所述超声换能器均为两个，两个出料喷嘴支架和两个超声换能器在所述微粉出料喷嘴两侧对称分布，两个出料喷嘴支架上各有一个超声换能器。
3.根据权利要求2所述的一种微米级粉体颗粒超声波精准送料装置，其特征在于，所述两个超声换能器的中线分别与所述微粉出料喷嘴的中线呈45°角。
4.根据权利要求1所述的一种微米级粉体颗粒超声波精准送料装置，其特征在于，所述超声换能器上部还具有散热风扇。
5.根据权利要求4所述的一种微米级粉体颗粒超声波精准送料装置，其特征在于，所述两个超声换能器是两组堆栈式超声换能器，两组堆栈式超声换能器的压电陶瓷片的极化反向设置，两组堆栈式超声换能器的输入电信号为同一电信号。
6.根据权利要求1所述的一种微米级粉体颗粒超声波精准送料装置，其特征在于，所述进料筒为旋风进料筒，旋风进料筒的下部与所述微粉出料喷嘴的上部通过减震密封支架连接在一起，旋风进料筒的下端伸入微粉出料喷嘴内腔；旋风进料筒的筒体分为上部圆筒段和下部圆锥段，圆筒段顶部开设出风口，圆锥段底部安装有挡灰盘，挡灰盘与之间圆锥段底部具有微粉出口。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种微米级粉体颗粒超声波精准送料装置，其特征在于，所述减震密封支架包括位于上部的金属密封圈和位于下部的金属波纹管，所述微粉出料喷嘴顶部具有波纹管安装槽，金属密封圈固定于所述旋风进料筒的底部外壁，金属波纹管与所述微粉出料喷嘴顶部的波纹管安装槽连接。
8.根据权利要求7所述的一种微米级粉体颗粒超声波精准送料装置，其特征在于，还包括有机玻璃针头，所述微粉出料喷嘴是上宽下窄的锥桶状，有机玻璃针头安装在所述微粉出料喷嘴的下端。
9.根据权利要求8所述的一种微米级粉体颗粒超声波精准送料装置，其特征在于，所述微粉出料喷嘴的下端外壁具有环形卡槽，环形卡槽上安装有金属卡扣，金属卡扣上具有调节螺栓。
10.权利要求9中的微米级颗粒精准送料装置的送料方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：使用悬浮气力输送方法将微粉送入旋风进料筒，微粉沿切向方向进入旋风进料筒并在其内壁形成回转气流，载气最终从顶部出风口离开，微粉沿旋风进料筒内壁滚落入微粉出料喷嘴内腔；
s2：微粉下落过程中形成微粉团聚体，之后微粉团聚体堵塞在有机玻璃针头的末端，当微粉团聚体在机玻璃针头内沉积一定量后，开启两组堆栈式超声换能器，堆栈式超声换能器带动微粉出料喷嘴以装置轴心线为中心进行微小幅度的左右对称晃动；
同时堆栈式超声换能器产生的超声波通过圆锥变幅杆放大后作用在有机玻璃针头处，对有机玻璃针头内的微粉团聚体进行破碎；
s3：通过改变堆栈式超声换能器的工作状态调整微粉出料喷嘴的振动幅度和有机玻璃针头处的超声解聚效果，从而准确控制微粉下落速度以满足精准送料要求。
技术总结