指数复合型低频压电雾化喷头的设计研究

指数复合型低频压电雾化喷头的设计研究

冯建军

杭州宏华数码科技股份有限公司  310052

摘要：随着社会经济的不断发展，压电喷涂行业逐渐进入了发展快车道，压电喷涂法能够在应用中提高涂层制备能力与制备效率，压电喷涂能够在压电雾化喷头的设计与制作中发挥出不可替代的作用。本文对指数复合型低频压电雾化喷头进行分析，并对压电雾化喷头设计提出个人看法，希望为关注指数复合型低频压电雾化喷头设计的人群带来参考。

关键词：指数复合型低频压电雾化喷头；压电喷涂；喷头模型

引言：在如今的时代背景下，指数复合型低频压电雾化喷头正在随着科学技术的发展不断完善，DS10喷头作为全新喷头类型，在实际应用中可以凭借其优秀的性能满足应用需求。因此，有必要对指数复合型低频压电雾化喷头设计进行研究，以此来让指数复合型低频压电雾化喷头质量得到进一步提高。

1压电喷头雾化理论与喷头优势分析

1.1压电喷头雾化理论分析

压电陶瓷生产阶段所采用的材料大多属于晶粒随机取向多晶聚集体，这部分材料中的晶粒极化矢量倾向于混乱取向，混乱取向下的压电陶瓷在实际应用中不可以直接进行使用。为了确保施工效果，应该保障压电陶瓷具备良好的压电效应，因此压电陶瓷烧制完成后及时开展极化处理，即将陶瓷片引入强直流电场，此时的极化矢量能够沿着电场择优取向，而且在极化完成时，压电陶瓷电场将会取消，将会保留部分极性，压电陶瓷也将因此获得更多压电效应，借助极化陶瓷可以在压电喷头的运行中发挥出雾化作用。

强超声波的出现将会在液面上形成薄雾层，薄雾浓度和超声波有直接关系，随着超声波强度的变化，薄雾浓度将会发生改变。雾化现象中的雾滴是表面波在波峰中的喷出物，即压电雾化在超声波的帮助下对液体进行分散并自动化作雾滴。压电喷头超声雾化后的雾滴质量与喷头频率息息相关，一般情况下，随着压电雾化工作频率的增加，雾化粒径将会随之变小，因为雾化粒径存在明显差异性，压电喷涂领域各有不同，所以在应用中必须雾化流量等各种重要元素来选取工作频率更加适合的雾化喷头[1]。

1.2压电雾化喷头优势分析

以DS10喷头为例，作为全新的压电喷头，这种喷头的喷针单元将会以线性阵列组合的方式来实现均匀给液，压电雾化喷头带有单针、多针固定块等系统，具有非常光明的发展前景，只要能够结合实际需求主动分析喷头的性能需求，就可以让压电雾化喷头在应用中发挥出非常明显的优势。例如将该喷头应用在数字喷染领域，相对于传统染厂染缸染布而言，在压电雾化喷头的支持下，能够有效提高节水、节电与环保能力。而将压电雾化喷头应用在钙钛矿电池领域，则对比刮涂法、旋涂法、蒸镀等传统生产薄膜工艺，则能够提高生产阶段的成本控制能力与生产效率。在卷材功能涂层喷涂中采用压电雾化喷头，不仅有利于实现大规模大批量生产，还能让施工生产稳定性得到更多保障。因此单针喷头在应用中具有非常明显的工艺优势，只要能够结合需求加强对于压电雾化喷头的应用，就可以让压电雾化喷头在实际应用中真正实现价值最大化。压电雾化的本质就是利用极化压电陶瓷片的超声振动来促使液体实现雾化，陶瓷片能够出现周期性拉伸与收缩，通过从不同维度对压电雾化喷头进行分析，能够让压电雾化喷头在实际应用中真正实现价值最大化。图1为压电雾化图。

图 1 压电雾化图

2指数复合型低频压电雾化喷头设计

2.1压电雾化喷头结构设计

    2.1.1压电雾化喷头材料设计

为了让指数复合型压电雾化喷头设计效果变得更好，就应该主动探究压电雾化喷头设计细节，通过从不同维度分析压电雾化喷头的实际情况，能够让压电雾化喷头设计质量得到更多保障。压电雾化喷头在设计过程中，所采用的核心材料就是金属材料以及压电陶瓷材料，喷头材料性能可以在一定程度上对喷头使用效果造成影响，压电陶瓷片性能与工艺、成分有直接关系，所以在施工中应该结合用途情况来选择相对更加适合的压电陶瓷片。压电陶瓷作为绝缘材料，材料的导热性能偏弱，因此在大功率运行状态下，压电陶瓷很容易出现发热的问题，换能器能量转换效率将会受到发热所带来影响，所以在换能器设计中，要利用铝合金与钛合金来进行施工，这样便可以实现对换能器导热能力的全方位优化。为了能够让压电雾化喷头获得较大的振速比与刚度，所以还应该采取综合性能相对更好的材料来进行施工，只有结合实际需求主动加强材料性能管理，才能让压电雾化喷头结构质量得到更多保障。压电雾化喷头在运行期间，雾化流量与粒径作为核心性能，将会直接影响到喷头喷涂效率与精度，雾化流量过高证明喷涂效率会提高，而较小的雾化粒径则能够证明喷涂精度会更好。因为压电雾化喷头很难同时兼顾喷涂效率与精度，所以应该针对压电雾化喷头工作频率进行调整，以此来为压电雾化喷头的运行提供更多支持。

2.2压电雾化喷头结构设计

在压电雾化喷头结构设计期间，可以分析喷头模型与各个零部件之间的关联性，以此来为结构设计提供更多支持。压电雾化喷头由变幅杆、雾化圆盘等多个部分组成，雾化圆盘直径以及变幅杆直径等参数都将会对压电雾化喷头造成非常严重的影响。在压电雾化喷头结构设计中，需要结合涂层均匀性情况来开展雾化液滴均值控制，此时还能结合粒径方程实现对压电喷头频率的分析，通常压电喷头频率在100KHz左右。为了可以最大限度满足喷头振动强度、换能器性能要求，在设计期间可以更多采用适合的钛合金材料。而压电材料则应该选取多块圆环形压电陶瓷片来进行施工处理。在喷头中心位置，应该主动设置直通进液孔洞，孔洞的孔径大小能在一定程度上对雾化质量造成影响。因此进液孔设计期间，需要主动控制孔径，通过控制孔径的方式能够有效提高施工效率与质量

[2]。通常情况下，变幅杆前端圆盘可以助力雾化工作开展，而压电雾化喷头在运行中，则能够借助变幅杆来进一步增强液体能量，此时当溶液进入前端圆盘位置，就能够自动产生雾化效果。雾化圆盘直径、厚度都会对喷头阻抗、谐振频率带来影响，喷头在雾化期间还会发生纵向振动，所以在雾化圆盘设计中需要对外径参数进行控制，只要外径参数能够略大于激励源直径便可以满足作业需求。

结合半波长设计可以将指数复合型压电雾化喷头划分为多个组成部分来进行分别计算，变幅杆与换能器等组件都将成为设计压电雾化喷头时需要考虑的重要一环。为了让分析结果得到更多保障，在计算期间可以设定压电雾化喷头的换能器后盖板振速，因为换能器后表面在无负载状态下的负载与弹性力为零，所以还需通过分析频率的方式来提高设计质量。通过变幅杆放大倍数能够确定大端以及小端直径，结合压电雾化喷头零部件参数能够计算机过渡段的参数结构，因为后盖板能够在固定压电陶瓷片的同时提供一定程度的预紧力，因此后盖板外径与陶瓷片外径相同，通过分析压电雾化喷头设计频率并结合仿真分析对压电雾化喷头结构进行优化，可以让压电雾化喷头结构设计质量得到进一步提高。

2.3压电雾化喷头模态设计分析

为了让指数复合型压电雾化喷头设计质量得到更多保障，就应该针对喷头开展模态分析，通过模态分析可以进一步了解压电喷头的谐振频率与模态振型。科学利用模态分析结果，能够实现对喷头合理性的分析与检验。在针对压电喷头开展模态分析时，还应该在换能器压电陶瓷片上开展极化处理，极化后的压电陶瓷片能够让仿真结果精度得到提高，为了能够确保模型计算精度满足仿真分析需求，还应该在仿真参数设置期间适当忽略换能器粘结、电极片厚度等各种因素所带来的负面影响。

为了实现模态分析，在建立压电雾化喷头三维模型时，可以利用Solidworks2023来进行设计，在模型建立完成后需要保存IGS格式，此时可以将模型文件导入到仿真系统中，以此来实现对压电雾化喷头结构模型的分析。在仿真分析期间应该主动设计仿真参数，并在设计中明确压电陶瓷具备的压电属性[3]。压电陶瓷将会在一定程度上涉及电力耦合问题，所以在压电雾化喷头设计期间，需要针对变幅杆以及盖板等部件进行自由网格划分，压电陶瓷片则可以通过扫描的方式来开展网格划分，以此来确保仿真模型的最终数据结果满足实际需求。在网格划分完成后，应该针对压电雾化喷头模型开展轴向位移约束与陶瓷片电压加载，通过对压电雾化喷头模型开展模态分析并设置模态阶数，能够在模态分析过程中了解压电雾化喷头的运行参数。因为压电雾化喷头需要在运行期间利用换能器纵向振动打散液滴，所以在喷头频率属于固有频率时，此时的压电雾化喷头振动可以视为纯拉伸模态，进而为后续模态分析提供更多数据上的支持。

2.4压电雾化喷头谐响应设计分析

在压电雾化喷头设计期间，通过谐响应数据可以明确线性结构在承受正弦规律荷载变化时的稳态响应情况，在分析阶段一般只需要明确振动情况，无需额外考虑激振带来的瞬态振动。从效果层面进行研究，谐响应分析的核心目的就是获取不同频率下的响应值、频率曲线，通过在频率曲线的基础上了解峰值响应情况，可以实现对压电雾化喷头动力特性的持续性预测，并验证通过设计能否克服由共振等其他受迫性振动所出现的有害结果。压电喷头能够通过换能器与变幅杆振动来实现液体雾化，在喷头处于共振状态时，此时的变幅杆振幅将会出现大幅增加，通过确定变幅杆的振幅情况便可以直观了解到压电雾化喷头能否满足雾化需求。在喷头仿真过程中，无需过多了解自由度与振型的选择，可以借助谐响应设计分析来辅助压电雾化喷头仿真工作的开展。随着喷头频率的持续增加，喷头振动曲线将会出现先增加后下降的发展趋势，当增加频率与谐振频率相等时，振幅将会达到最大值。因为压电雾化喷头在雾化面振幅达到阈值后便可以实现雾化，结合变幅杆顶端与末端断面可以了解振幅放大倍数，通过对数据进行分析可以确定放大倍数能够满足设计需求，变幅杆放大效果能够得到应有的保障。

2.5压电雾化喷头气道设计

    压电雾化喷头中的气道可以促使液雾沿着特定方向进行喷涂，在气流的作用下，还能强化液雾分散能力，此时气道内部的流体质点速度以及压强等参数将会呈现出定常流动的发展趋势，气道流体则可以始终遵循守恒定律来开展方程计算，进而确保气道设计质量能够真正满足设计需求。一般情况下，压电雾化喷头大多都会选择使用通过型气道结构，溶液在雾化之后将会直接借助气流喷出，这种气道设计方式往往非常紧凑，喷雾角则会面对一些限制，为了让喷嘴与喷雾角设计质量得到更多保障，可以结合压电雾化喷头运行需求，主动设计扇形独立式分散结构，以此来达到提高设计质量的目的。这种结构设计方式，可以将喷头换能中的雾化部件与气道分隔，通过设计可以促使溶液雾化效果得到显著提高，喷雾角度也将随之扩大。在实际应用中，喷雾将会夹带喷嘴雾化表面气流共同产生扇形喷雾，喷雾流动时可以借助气流来实现速度控制，雾化液的下降速度也将受到空气流速度所带来的影响。在实际应用中，通过利用多个喷嘴进行串联作业，可以最大限度提高喷涂宽度。通过式气道与扇形气道的分散角度各不相同，为了让压电雾化喷头设计效果得到更多保障，就应该结合施工环境来进行设计优化，相较于通过式设计，扇形设计能够在一定程度上增强液雾的分散能力与雾化效果。在压电雾化喷头设计中，不同环节的设计需求各不相同，只有结合需求调整设计方案，才能让指数复合型压电雾化喷头设计质量得到更多保障

[4]。

结论：总而言之，指数复合型压电雾化喷头设计是压电喷头设计中的关键，通过从多个维度开展压电雾化喷头设计工作，可以在提高设计效率的同时保障设计质量。相信随着更多人意识到压电雾化喷头的价值，指数复合型压电雾化喷头设计与制作工艺将会更加完善。

参考文献：

[1] 靳振伟. 复合型压电雾化喷头的关键技术及应用研究[D]. 苏州大学, 2021.

[2] 靳振伟,储成智,谷森,等. 指数复合型低频压电雾化喷头的设计 [J]. 压电与声光, 2021, 41 (02): 225-228.

[3] 储成智. 压电雾化喷头的结构优化及应用研究[D]. 苏州大学, 2021.

[4] 高建民,滕悦. 低频弯振超声雾化喷头压电振子基频的预测模型 [J]. 农业工程学报, 2020, 31 (04): 55-62.