Концентратори и вълноводи на ултразвукови вибрации. Изчисляване на концентратори за инсталации за ултразвуково микрозаваряване. Изчисляване на изкуствена светлина

РАБОТА #3

Обективен:

определяне на оптималната форма и изчисляване на параметрите и геометричните размери на вълноводи - концентратори за ултразвукова обработка на материали.

Теоретични положения

Степен на материала	Краен диаметър на входа на вълновода D (mm)	Изходен краен диаметър на вълновода d (mm)	Резонансна дължина L	Нодална равнина X 0	Печалба K y	Резонансна честота (KHz)

Практическа част:

Изчисляване на стъпков вълновод:

f е резонансната честота.

V е скоростта на звука.

X 0 \u003d L / 2; X 0 - позиция на възловата равнина - мястото на закрепване на вълновода

K y \u003d N 2 \u003d (D / d) 2, където D и d са диаметрите на входния и изходния край на вълновода

Стомана: V= 5100

Титан: V= 5072

Решение:

L 1 \u003d 5200/2 * 27 \u003d 5100 / 54 \u003d 94,4 (mm)

L 2 \u003d 5200 / 54 \u003d 96,2 (mm)

L 3 \u003d 5072 / 54 \u003d 93,9 (mm)

X 01 =94,4/2 =47,2 (mm)

X 02=96,2/2=48,1 (mm)

X 03 =93,9/2=46,9 (mm)

K y \u003d (1,2) 2 \u003d 1,4

Заключение:

В тази работа се запознахме с ултразвуков концентратор със стъпаловиден вълновод. Вълноводът беше изчислен чрез решаване на диференциално уравнение, което описва осцилаторния процес, при условие че трептенията са хармонични по природа. В процеса на работа бяха намерени диаметрите на входния и изходния край на вълновода. Коефициентът на усилване на сигнала зависи от неговите диаметри.

Работа #4

Вълноводи - концентратори - предаватели на механична енергия с ултразвукова честота към зоната за обработка на материала

Обективен:

определяне на оптималната форма и изчисляване на параметрите и геометричните размери на вълноводи-концентратори за ултразвукова обработка на материали.

Теоретични положения

Въвеждането на енергията на ултразвуковите вибрации в обработвания материал се осъществява от вълноводно-инструментален комплекс. Механизмите на взаимодействие с материала са обсъдени по-долу, в следващия раздел. Този раздел обсъжда типичните методи за изчисляване на най-често срещаните вълноводни форми и видовете инструменти, използвани при обработката на заварени съединения.

От редица параметри, характеризиращи свойствата на вълноводите, най-важните са скоростта на вибрациите, напрежението и мощността, които инструментът може да прехвърли в зоната на обработка. Съгласно опростена схема, за дадена стойност на амплитудата на вибрационната скорост, изчисляването на вълновода се свежда до определяне на неговата резонансна дължина, входната и изходната зона и мястото на закрепването му.

Формулата за изчисляване на вълноводи от решения на диференциално уравнение, описващо осцилаторния процес, при условие че трептенията са хармонични по природа, фронтът на вълната е плосък и вълната се разпространява само по оста на вълновода без загуби.

Лабораторно оборудване и инструменти

При извършване на лабораторен семинар за запознаване на студентите с оборудването и по-добро разбиране на принципа на работа на ултразвуковия комплект от студентите, лабораторните стендове имат богат избор от различни вълноводи (хъбове), използвани с преобразуватели с различни форми и мощности.

Наличните вълноводи представляват група от 4 най-често срещани форми и са изработени от материали, които са акустично прозрачни и имат необходимите якостни характеристики.

За по-лесно възприемане на материала, вълноводите са направени с работен инструмент, фиксиран върху него - връх и без него.

Практическа част:

Изчисляване на коничен вълновод

L= λ /2 * kl/ , където kl са корените на уравнението

tgkl = kl/1 + (kl) 2 N(1-N) 2

2П / λ = k – вълново число

X 0 \u003d 1 / k * arctg (kl / a), където a \u003d 1 / N-1

K y \u003d √1+ (2P * 1 / λ) 2

Решение:

l = 94,4; λ = 94, 4 * 2= 188, 8

К=2*3,14/188,8=0,03

Kl = 0,03 * 94,4 = 2,8

tgkl = 2,8 / 1+ (2,8) 2 * 1,2(1-1,2) 2 = 2

a \u003d 1 / 1,2-1 \u003d 5

X 0 \u003d 1 / 0,03 * arctg (2,8 / 5) \u003d 0,3

K y \u003d √1 + (2 * 3,14 * 1 / 188,8) 2 \u003d 1

Заключение:

В тази работа се запознахме с ултразвуков концентратор с коничен вълновод. Вълноводът беше изчислен чрез решаване на диференциално уравнение, описващо осцилаторния процес, при условие че трептенията са хармонични по природа. В процеса на работа бяха намерени диаметрите на входния и изходния край на вълновода. Коефициентът на усилване на сигнала зависи от неговите диаметри.

Тези вълноводи се използват широко за обработка на метални конструкции в местата на заварени съединения, така че е много важно правилно да се изчислят параметрите на инструмента за предаване на желаната честота на сигнала.

За предаване на ултразвукови вибрации от преобразувателя към работния инструмент или към работната среда в ултразвукови инсталации се използват концентратори и вълноводи; последните имат постоянна площ на напречното сечение и цилиндрична форма.

Вълноводите се използват, когато не е необходимо да се усилва амплитудата на трептенията на преобразувателя. Хъбовете са скоростни трансформатори; те имат променлива площ на напречното сечение, по-често цилиндрична. Благодарение на това напречно сечение те преобразуват ултразвукови вибрации с ниска амплитуда, докладвани от преобразувателя и концентрирани в неговия входен край, във вибрации с по-голяма амплитуда в изходния край. Последните се отчитат на работния орган (уред) на ултразвуковия блок. Усилването на амплитудата се дължи на разликата в площите на входния и изходния край на концентратора - площта на първия (входния) край на концентратора винаги е повече площвторо.

Вълноводите и концентраторите трябва да са резонансни, т.е. дължината им трябва да е кратна на цял брой полувълни (λ/2). При това условие се създават най-добри възможности за съгласуването им с източника на енергия, трептящата система като цяло и прикрепената към тях маса (работен инструмент).

Ориз. 14. Полувълнови концентратори

В ултразвук технологични инсталацииекспоненциалните (фиг. 14, а), коничните (фиг. 14, б) и стъпаловидни концентратори са най-широко използвани. Последните се изпълняват с фланец (фиг. 14, c) или без него (фиг. 14, d). Има и конични концентратори с фланец (например в преобразувателя тип PMS-15A-18), както и комбинирани концентратори, в които стъпалата са с различна форма.

Концентраторите и вълноводите могат да бъдат неразделна част от осцилаторната система или неин сменяем елемент. В първия случай те са запоени директно към преобразувателя. Сменяемите главини са свързани към осцилаторната система (например с адаптерен фланец) с помощта на резба.

При концентраторите площта на напречното сечение се променя по определен модел. Тяхната основна характеристика е теоретичното усилване K, показващо колко пъти амплитудата на трептенията на изходния му край е по-голяма от амплитудата на входния край. Този коефициент зависи от съотношението N на диаметрите на входния D1 и изходния D2 краища на концентратора: N=D1/D2.

Най-голямото усилване на амплитудата за същата стойност на N се осигурява от стъпаловиден концентратор. Той има K=N2. Това обяснява широкото използване на стъпаловидни концентратори в различни ултразвукови устройства. В допълнение, тези концентратори са по-лесни за производство от други, което понякога е най-важното условие за успешното прилагане на ултразвукова обработка. Изчисляването на стъпаловиден концентратор е много по-просто от другите видове концентратори.

Стойността на коефициента на усилване на амплитудата на стъпаловиден концентратор се взема предвид предотвратяването на възможността от странични вибрации, което се наблюдава при високи коефициенти на усилване (K> 8...10), както и данните за неговата якост. На практика усилването на стъпаловиден хъб се приема от четири до шест.

Резонансната дължина на стъпаловиден концентратор lp се определя от израза lp=a/2=C/2f, където X е дължината на вълната в пръта с постоянно напречно сечение, cm; С - скорост на надлъжната вълна (за стомана С=5100 m/s); f - резонансна честота, Hz.

При монтажа на проводници в SPP за силова електроника се използва основно UZS. Основните параметри на процеса при този метод на микрозаваряване са: амплитудата на трептенията на работния край на инструмента, която зависи от електрическата мощност на преобразувателя и конструкцията на осцилаторната система; сила на натиск на заварени елементи; продължителността на включването на ултразвукови вибрации (време за заваряване).

Същността на метода USS се състои в възникването на триене на интерфейса между елементите, които трябва да се съединят, което води до разрушаване на оксидните и адсорбираните филми, образуване на физически контакт и развитие на центрове за захващане между частите, които трябва да се съединят.

Ултразвуковият концентратор е един от основните елементи на осцилаторните системи на инсталациите за микрозаваряване. Концентраторите са направени под формата на прътови системи с плавно променящо се напречно сечение, тъй като зоната на излъчване на преобразувателя винаги е много по-голяма от площта заварено съединение. Концентраторът е свързан към трансдюсера с голямо входно сечение, а към по-малкото изходно сечение е прикрепен ултразвуков инструмент. Целта на концентратора е предаването на ултразвукови вибрации от трансдюсера към ултразвуков инструмент с най-малка загубаи най-ефективният.

Известен в ултразвуковата технология голям бройвидове концентратори. Най-широко разпространени са: стъпаловидни, експоненциални, конични, катеноидни и концентратори от типа “цилиндър-катеноид”. В осцилаторните системи на инсталациите често се използват конични концентратори. Това се дължи на факта, че те са лесни за изчисляване и производство. Но от петте изброени по-горе главини, конусната има най-големи загуби от вътрешно триене, разсейва най-много мощност и следователно загрява повече. Концентраторите с най-малка стойност на съотношението на входния и изходния диаметър при едно и също усилване K y имат най-добра стабилност. Също така е желателно нейната дължина на "половин вълна" да бъде най-малка. За целите на микрозаваряването концентратори с 2

Материалът на концентратора трябва да има висока якост на умора, ниски загуби, добра способност за запояване, лесна обработка и относително евтин.

Изчисляването на ултразвуков концентратор се свежда до определяне на неговата дължина, входни и изходни секции и формата на профила на страничните му повърхности. При изчислението се въвеждат следните допускания: а) по концентратора се разпространява плоска вълна; б) трептенията имат хармоничен характер; в) главината осцилира само по централната линия; г) механичните загуби в концентратора са малки и линейно зависят от амплитудата на трептене (деформация).

Теоретична печалба K yамплитудата на трептенията на експоненциалния концентратор се определя от израза

където D0и D1са диаметрите съответно на входното и изходното сечение на концентратора, mm; н- съотношението на диаметъра на входната секция на концентратора към изхода.

Дължината на концентратора се изчислява по формулата

(2)

където се скоростта на разпространение на ултразвукови вибрации в материала на концентратора, mm/s; f– работна честота, Hz.

Положение на възловата равнина х 0(където е прикрепен вълноводът) се изразява чрез отношението

(3)

Образуващата на профила на катеноидната част на концентратора се изчислява по уравнението

(4)

където е коефициентът на формата на образуващата; х– текуща координата по дължината на концентратора, mm.

В тази работа е разработена компютърна програма за изчисляване на параметрите на пет вида ултразвукови концентратори: експоненциален, стъпаловиден, коничен, катеноидален и „цилиндър-катеноиден“ концентратор, реализирани в Pascal (компилатор Turbo-Pascal-8.0). Първоначалните данни за изчисленията са: диаметри на входните и изходните секции ( D0и D1), работна честота ( f) и скоростта на разпространение на ултразвукови вибрации в материала на концентратора (c). Програмата ви позволява да изчислите дължината, позицията на нодалната равнина, усилването, както и за експоненциалния, катеноидния и концентраторния "цилиндър-катеноид" формата на образуващата с дадена стъпка. Блоковата схема на алгоритъма за изчисляване на експоненциалния концентратор е показана на фиг. 6.9.

Пример за изчисление.Изчислете параметрите на полувълнов експоненциален концентратор, ако е дадена работната честота f= 66 kHz; диаметър на входа D0= 18 mm, изход D1=6 mm; материал на концентратора - стомана 30KhGSA (скорост на ултразвука в материала с= 5,2 10 6 mm/s).

По формула (1) определяме усилването на концентратора.

Ориз. 6.9. Структурна схема на алгоритъма за изчисляване на експоненциалния концентратор

В съответствие с изрази (2) и (3), дължината на концентратора , позиция на нодалната равнина мм.

Уравнение (4) за изчисляване на формата на профила на концентратора приема следната форма след замествания:

Изчисления с помощта на компютърна програма на профила на генериращата на експоненциален концентратор със стъпка в параметър х, равни на 5 mm, са дадени в табл. 6.1. Според табл. 6.1 е конструиран профил на главина.

Раздел. 6.1. Данни за изчисление на профила на концентратора

x, mm
D x, mm		15,7	13,8		10,6	9,3	8,2	7,2	6,3

В табл. 6.2 показва резултатите от изчисляването на параметрите на различни видове ултразвукови концентратори, изработени от стомана 30KhGSA (с D0= 18 mm; D1= 6 mm; f= 66 kHz).

Раздел. 6.2. Параметри на ултразвукови концентратори

* l 1и l 2са дължините съответно на цилиндричната и катеноидалната част на концентратора.

Изобретението се отнася до ултразвуковата технология, а именно до структурите на ултразвукови вибрационни системи. Техническият резултат от изобретението е увеличаване на амплитудата на трептенията при намаляване на консумацията на енергия, намаляване на общите размери и тегло. Ултразвуковата осцилаторна система е съставена от пакети от пиезоелектрични елементи, разположени на повърхността на концентратора, образуващи вибрации. На опаковките на пиезоелектричните елементи има отразяващи подложки, чиято повърхност, противоположна на пиезоелектричните елементи, е направена плоска или стъпаловидно променлива по диаметър. Концентраторът има точка на закрепване и завършва с повърхност с работен инструмент. Формиращите и излъчващите повърхности на концентратора имат правоъгълна форма с еднаква дължина в напречно сечение, а съотношението на техните напречни размери се избира от условието за осигуряване на даден коефициент на усилване на концентратора. Общата дължина на отразяващата облицовка, пакета от пиезоелектрични елементи и сечението на концентратора до точката на закрепване е равна на една шеста от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации. Дължината на участъка на концентратора, върху който се осъществява плавен радиален преход, и участъка с напречен размер, съответстващ на излъчващата повърхност, са равни на една шеста от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации. 2 болен.

Чертежи към RF патент 2284228

Изобретението се отнася до ултразвукова технология, а именно до проектиране на ултразвукови осцилационни системи и може да се използва в технологични устройства, предназначени за обработка на големи обеми течни и течно-диспергирани среди, за да се гарантира, че голяма повърхност е изложена на ултразвукови вибрации с висока амплитуда, например в поточни устройства или при изпълнение на пресово стъпково заваряване (образуване на уплътнителни шевове с голяма дължина).

Всеки ултразвуков технологичен апарат включва източник на високочестотни електрически трептения (електронен генератор) и ултразвукова осцилаторна система.

Ултразвуковата осцилаторна система се състои от пиезоелектричен преобразувател и концентратор с работен инструмент. В ултразвуковия преобразувател на осцилаторната система енергията на електрическите вибрации се преобразува в енергията на еластичните вибрации с ултразвукова честота. Концентраторът е направен под формата на триизмерна фигура с променливо напречно сечение, изработена от метал, в която съотношението на площите на повърхностите, контактуващи с преобразувателя и завършващи с работния инструмент (излъчващ ултразвукови вибрации), определя необходимия фактор на усилване.

Известни ултразвукови колебателни системи с големи площи на излъчващата повърхност. Всички известни осцилаторни системи са направени по конструктивна схема, която комбинира пиезоелектрични или магнитострикционни полувълнови преобразуватели и резонансни (кратни на половината от дължината на вълната на ултразвукови вибрации) концентратори на ултразвукови вибрации. Техният надлъжен размер съответства на дължината на вълната на ултразвуковите вибрации, а напречният размер надвишава половината от дължината на ултразвуковите вибрации в материала на концентратора.

Недостатъкът на аналозите е сложното разпределение на амплитудата на трептенията върху излъчващата повърхност поради съотношението на Поасон на материала на концентратора, което не позволява едно и също ултразвуково действие по цялата излъчваща повърхност, например при получаване на висококачествено удължен шев.

Най-близка по техническа същност до предложеното техническо решение е ултразвукова вибрационна система съгласно патент на САЩ 4363992, приет като прототип.

Ултразвукова осцилаторна система се състои от няколко полувълнови пиезоелектрични преобразуватели, монтирани на една от повърхностите (формиращи ултразвукови вибрации) на концентратора, завършващи с работен край (инструмент) с определена форма и размер. Преобразувателите са направени под формата на последователно монтирани и акустично свързани помежду си заден честотно-намаляващ слой, пакет от четен брой пръстеновидни пиезоелектрични елементи и честотно-намаляващ излъчващ слой. Излъчващата повърхност на трансдюсера е акустично свързана с повърхността на концентратора, който формира ултразвуковите вибрации. Надлъжният размер на концентратора съответства на половината от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации в материала на концентратора. Концентраторът е направен под формата на триизмерна фигура с променливо напречно сечение, изработена от метал, в която съотношението на площите на повърхностите в контакт с преобразувателите (формиращи ултразвукови вибрации) и завършващи с работен инструмент (излъчващ ултразвук вибрации) определя необходимото усилване.

Концентраторът има проходни канали, които позволяват да се елиминира неравномерното разпределение на амплитудата на трептене по протежение на излъчващата повърхност на концентратора (т.е. да се изключи деформацията на концентратора, перпендикулярна на посоката на силата). Това дава възможност да се осигури еднакъв ултразвуков ефект по цялата излъчваща повърхност.

Прототипът ви позволява частично да премахнете недостатъците на известните осцилаторни системи, но има следните общи значителни недостатъци.

1. Добре известната ултразвукова осцилаторна система, състояща се от ултразвукови преобразуватели и концентратор, е резонансна система. Когато резонансните честоти на преобразувателите и концентратора съвпадат, се осигурява максимална амплитуда на ултразвуковите вибрации на работния инструмент и съответно максималното влагане на енергия в обработваната среда. При изпълнение на технологични процеси работният инструмент и част от концентратора се потапят в различни технологични среди или се подлагат на статично налягане върху излъчващата повърхност. Въздействието на различни технологични среди или външно налягане е еквивалентно на появата на допълнителна прикрепена маса към излъчващата повърхност на концентратора и води до промяна на собствената резонансна честота на концентратора и цялата осцилаторна система като цяло. В този случай се нарушава оптималното честотно съгласуване на преобразувателя и концентратора. Несъответствието между ултразвуковия преобразувател и концентратора води до намаляване на амплитудата на трептенията на излъчващата повърхност (работен инструмент) и намаляване на енергията, въведена в средата.

За да се отстрани този недостатък, при проектирането и производството на осцилаторни системи се извършва предварително несъответствие на преобразувателя и концентратора по отношение на резонансната честота, така че когато се появи товар и естествената честота на концентратора намалява, тя съответства на естествената честота на преобразувателя и осигурява максимална вложена енергия. Това значително ограничава обхвата на такава ултразвукова осцилираща система и е недостатъчно, тъй като в повечето от изпълняваните технологични процеси стойността на добавената маса се променя (например преходът от водна или маслена среда към тяхната емулсия, появата и развитието на кавитационен процес, водещ до образуване на облак от мехурчета газ-пари и намаляване на добавената маса във всяка течна среда) по време на осъществяването на самия процес, което води до намаляване на ефективността на въвеждане на ултразвукови вибрации.

2. Проблемът с оптималното съгласуване на преобразувателя и концентратора по честота се изостря от необходимостта да се съгласуват вълновите импеданси на течни и течно-диспергирани среди с твърди пиезокерамични материали на преобразувателите. За оптимално съвпадение усилването на концентратора трябва да бъде 10-15. Такива високи печалби могат да бъдат получени само със стъпаловидни концентратори, но при такива печалби те изострят зависимостта на естествената резонансна честота от товара, изискват малка изходна секция със значителна дължина (съответстваща на една четвърт от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации в материала на концентратора), което води до намаляване на излъчващата повърхност, загуба на динамична стабилност и поява на огъващи вибрации. По тази причина използваните в практиката осцилационни системи имат коефициент на усилване не повече от 3...5, което ги прави неподходящи за осигуряване на високоинтензивно ултразвуково въздействие върху различни технологични среди.

В допълнение към основните недостатъци, дължащи се на приложената конструктивна схема за изграждане на осцилаторни системи, прототипът има няколко недостатъка, дължащи се на технологичните и експлоатационни особености на тяхното производство и използване.

1. Ултразвукова вибрираща система с два или повече пиезоелектрични преобразувателя (с диаметър до 40...50 mm) може да има дължина на излъчващата повърхност над 200...250 mm и ширина над 5 mm. В този случай собствените резонансни честоти на пиезоелектричните преобразуватели се различават, което се дължи на разликите в електрическите и геометричните параметри на пиезоелектричните елементи, понижаващи честотата наслагвания, разликите в силите на натиск по време на монтажа на преобразувателя и др., които са допустими съгласно нормативната и проектната документация. В този случай възбуждането на механичните вибрации на резонансния концентратор се осъществява от преобразуватели с различни работни честоти, някои от които не съвпадат с резонансната честота на концентратора. Особено трудно е да се извърши координация в осцилаторна система с няколко конвертора с различни честоти и стъпаловиден концентратор с максимално усилване. Тъй като това намалява ефективността на ултразвуковата обработка, дори в сравнение с осцилаторна система със същия размер, но с един преобразувател.

2. Невъзможността за създаване на излъчваща повърхност със сложен профил (например за едновременно образуване на две заварки и рязане на материала между тях), тъй като в този случай всеки надлъжен размер определя собствената си резонансна честота на концентратора, която не съответстват на резонансната честота на преобразувателите (ефективно се извършва само една от операциите - формиране на шев или рязане на материал).

3. Невъзможността за създаване на ултразвукови колебателни системи с разширена честотна лента в сравнение с резонансните системи.

4. Двуполовълнова осцилаторна система с работна честота 22 kHz има надлъжен размер най-малко 250 mm и с дължина на излъчващата повърхност 350 mm тежи най-малко 10 kg. В този случай монтирането на осцилаторната система се извършва в зоната на минимални вибрации: или в центъра на преобразувателя, или в центъра на концентратора. Това закрепване води до ниска механична стабилност и невъзможност за осигуряване на точност на удара. Оптималното закрепване в центъра на масата не може да бъде осигурено поради големите амплитуди на механичните трептения и неизбежното затихване на трептящата система.

Разкритите недостатъци на прототипа причиняват неговата недостатъчна ефективност, ограничават функционалността, което го прави неподходящ за използване във високопроизводително, автоматизирано производство.

Предложеното техническо решение е насочено към премахване на недостатъците на съществуващите осцилаторни системи и създаване на нова осцилаторна система, способна да осигури излъчване на ултразвукови вибрации с равномерно амплитудно разпределение по дължината на излъчващата повърхност на концентратора (работен инструмент) с максимална ефективност за всички възможни натоварвания и промени в свойствата на обработваната среда и параметрите на осцилаторната система, т.е. в крайна сметка осигуряват увеличаване на производителността на процесите, свързани с ултразвуковото излагане, като същевременно намаляват потреблението на енергия.

Същността на предложеното техническо решение се състои в това, че ултразвуковата осцилаторна система, съдържаща пиезоелектрични елементи и концентратор, се състои от концентратор и пакети от четен брой последователно монтирани пиезоелектрични елементи, разположени успоредно на повърхността на концентратора и свързани акустично. към него. Върху опаковките на пиезоелементите има отразяващи подложки, акустично свързани с пиезоелементите. Противоположната повърхност, контактуваща с пиезоелектричните елементи, се прави плоска или стъпаловидно с променлив диаметър, като размерите и броят на стъпките се избират от условието за получаване на дадена честотна лента. Концентраторът е със закрепващ възел и завършва с повърхност, излъчваща ултразвукови вибрации с работен инструмент. Формиращите и излъчващите повърхности на концентратора имат правоъгълна форма с еднаква дължина в напречно сечение, а съотношението на техните напречни размери се избира от условието за осигуряване на даден коефициент на усилване на концентратора. Общата дължина на отразяващата облицовка, пакета от пиезоелектрични елементи и секцията на концентратора до точката на закрепване е равна на една шеста от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации в материала на концентратора. Размерите на участъка на концентратора, върху който се прави плавен преход, и участъка с напречен размер, съответстващ на излъчващата повърхност, са равни на една шеста от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации в материала на концентратора и се извършва плавен преход радиален, а размерите му се избират от условието:

Анализът на възможните структурни схеми за конструиране на осцилаторни системи даде възможност да се установи, че повечето от фундаменталните ограничения, присъщи на структурната схема с две половин вълни на осцилаторна система, могат да бъдат елиминирани чрез използване на осцилаторни системи, които комбинират пиезоелектричен преобразувател и концентратор с висок коефициент на усилване и всякакъв размер работен инструмент в полувълнова структурна схема.

Осцилаторна система, направена по полувълнова конструктивна схема, е единична резонансна осцилаторна система и всички промени в нейните параметри водят само до несъответствие с електронен генератор. Липсата на практически конструкции на такива осцилационни системи се дължи на невъзможността за тяхното реализиране на базата на използваните доскоро магнитострикционни преобразуватели и сложността на практическото имплементиране на базата на съвременни пиезокерамични елементи поради необходимостта от поставянето им в максимална степен. механично напрежение, а също и поради липсата на електронни генератори, способни да осигурят оптимални режими на захранване на такава осцилаторна система с всички възможни промени в нейната резонансна честота (до 3...5 kHz).

Предложеното техническо решение е илюстрирано на фиг.1, която схематично показва ултразвукова осцилаторна система, съдържаща пиезоелектрични елементи 1, отразяващи резонансни подложки 2 и концентратор 3. Конструктивно, осцилаторната система е изградена от концентратор 3, разположен успоредно на повърхността 4, образуваща ултразвукови вибрации и акустично свързани с тях пакети от четен брой последователно монтирани пиезоелектрични елементи 1 (фигура 1 показва осцилаторна система с два пакета пиезоелектрични елементи). На всеки от пакетите, състоящ се от четен брой пиезоелектрични елементи (обикновено два или четири), има отразяващи подложки 2, акустично свързани с тях, противоположната повърхност на която е в контакт с пиезоелектричните елементи, е направена плоска 5 или стъпаловидно променлива с дължина 6, а размерите и броят на стъпките 7 се избират от условията за получаване на дадена честотна лента. Концентраторът 3 има закрепващ елемент 8 и завършва с повърхност 9, излъчваща ултразвукови вибрации с работен инструмент 10. Формиращите 4 и излъчващите 9 повърхности на концентратора имат правоъгълна форма с еднаква дължина L и съотношението на техните напречни размери D 1 , D 2 се избира от условието за осигуряване на даден коефициент на усилване на концентратора . Общата дължина на отразяващата облицовка 2, пакета от пиезоелектрични елементи 1 и сечението на концентратора до точката на закрепване е равна на една шеста от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации в материала на концентратора. Размерите на участъка на концентратора, върху който се осъществява плавният преход, и участъка с напречен размер, съответстващ на излъчващата повърхност, съответстват на една шеста от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации в материала на концентратора, а плавният преход е направен радиален, и размерите му се избират от условието:

където L z е дължината на плавния преход; D 1 , D 2 - напречни размери на формиращата и излъчващата повърхност на концентратора.

Ултразвуковата осцилаторна система работи по следния начин.

Когато електрическо захранващо напрежение се подава от генератора на електрически трептения с ултразвукова честота (не е показано на фигура 1), съответстващ на естествената честота на осцилаторната система, към електродите на пиезоелектричните елементи 1, енергията на електрическите трептения се преобразува в ултразвукови механични трептения поради пиезоелектричния ефект. Тези вибрации се разпространяват в противоположни посоки и се отразяват от граничните повърхности на отразяващата облицовка и концентратора (работен инструмент). Тъй като цялата дължина на осцилаторната система съответства на резонансния размер (половината от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации), механичните вибрации се освобождават при естествената резонансна честота на осцилаторната система. Наличието на стъпаловидно-радиален концентратор позволява да се увеличи амплитудата на трептенията на излъчващата повърхност в сравнение с амплитудата на трептенията на противоположната повърхност на отразяващата облицовка в контакт с пиезоелектричните елементи. Големината на амплитудата на трептене върху излъчващата повърхност зависи от усилването на концентратора, което се определя като квадрат на съотношението на площите на формиращите и излъчващите повърхности на концентратора, които имат правоъгълно напречно сечение с еднаква дължина.

Приставка 8 главина 3 (фигура 1) е разположена в зоната близо до възела на минималните механични ултразвукови вибрации, което осигурява минимално затихване на ултразвуковата осцилираща система, т.е. максималната амплитуда на трептенията на излъчващата повърхност и отсъствието на трептения в точките на закрепване на осцилаторната система в производствените линии.

Поради факта, че получаването на аналитични съотношения на геометричните размери за практически изчисления при проектирането на осцилаторни системи е трудно поради липсата на редица точни данни за разпространението на ултразвукови вибрации в тела с променливо напречно сечение от редуващи се различни материали, когато при избора на параметрите на осцилаторна система бяха използвани резултатите от численото симулиране, заедно с графични зависимости от практическо изследване на осцилаторни системи с различни съотношения на напречните размери на формиращите и излъчващите повърхности на концентратора D 1, D 2 и секциите на колебателната система с различни дължини . Експерименталните изследвания позволиха да се установи, че максималният коефициент на електромеханична трансформация се осигурява при условие, че пиезоелектричните елементи са изместени от зоната на минимални трептения (максимални механични напрежения) по такъв начин, че общата дължина на отражателя облицовката, пакетът от пиезоелементи и секцията на концентратора до точката на закрепване е равна на една шеста от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации в материала на концентратора. Изборът на размера на секцията на концентратора, върху която се извършва плавен преход, равен на една шеста от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации в материала на концентратора и неговата форма, съгласно горната формула, осигурява необходимото усилване и минимално механично напрежения на преходната граница между гладкия преходен участък и участъка с напречен размер, съответстващ на излъчващата повърхност. Резултатите от експерименталните изследвания на осцилаторни системи с различни съотношения на напречните размери на формиращите и излъчващите повърхности на концентратора D 1 , D 2 са представени на фиг.2 a, 6, c, където са показани графиките на основните параметри на осцилаторната система: промяна в собствената резонансна честота f(a), коефициент на усилване M p (b) и максимални механични напрежения max (c) от радиуса на плавния преход. От получените зависимости беше установено, че за всяко съотношение на напречните размери на формиращите и излъчващите повърхности на концентратора D 1 , D 2 , минималният ефект върху естествената резонансна честота възниква при

В този случай усилването се доближава до максимално възможното и се осигурява значително намаляване на механичните напрежения в областта на пиезоелектричните елементи.

Проведените експериментални изследвания ни позволиха да потвърдим правилността на получените резултати и да разработим практически конструкции на осцилаторни системи за различни съотношения на напречните размери на формиращите и излъчващите повърхности на концентратора D 1 , D 2 .

По този начин, в осцилаторна система с напречен размер на излъчващата повърхност, равен на D 2 = 10 mm, и с напречен размер на повърхността, формираща вибрации D 1, равен на 38 mm (т.е. при използване на най-широко използваните пръстеновидни пиезоелектрични елементи с външен диаметър 38 mm), разработената осцилаторна система ще осигури усилване на ултразвуковите вибрации, генерирани от пиезоелектричните елементи, не по-малко от 11 пъти (виж фигура 2).

Подобни резултати са получени и за други стойности на D 2 .

Така че, когато се използват пръстеновидни пиезоелектрични елементи с външен диаметър 50 mm в предложената осцилаторна система и осигуряване на печалба от 10 ... 15, напречният размер на излъчващата повърхност на концентратора D 2 може да бъде равен на 16 mm.

За да се получи печалба, равна на 10 ... 15 в създадената осцилаторна система с размер D 2 \u003d 20 mm, D 1 ще бъде равна само на 70 mm, което също лесно се прилага на практика (пиезоелектрични елементи с диаметър 70 мм се произвеждат масово).

По този начин, при осигуряване на амплитудата на трептене на пакет от два пиезоелектрични елемента, равна на 5 μm (захранващо напрежение не повече от 500 ... 700 V), амплитудата на трептене на излъчващата повърхност на осцилаторната система ще бъде 50 ... режим на развитата кавитация при обработката на течни и течно-дисперсни среди, изпълнението на заваряване на полимерни материали и обработка на размери на твърди материали.

Разработената ултразвукова осцилаторна система осигурява ефективност (коефициент на електроакустично преобразуване) от най-малко 75% (при излъчване във вода).

Изпълнението на отразяващата облицовка със стъпаловидно променящ се надлъжен размер (т.е. изпълнението на противоположната повърхност в контакт с пиезоелектричните елементи е стъпаловидно променлив диаметър), ви позволява да създадете няколко различни резонансни размера по дължината на осцилаторната система. Всеки от тези резонансни размери съответства на собствената си резонансна честота на механични вибрации. Изборът на броя и размера на стъпките позволява да се получи необходимата честотна лента (т.е. да се осигури работата на осцилаторната система в честотния диапазон, определен от максималните и минималните надлъжни размери на отразяващата облицовка).

Техническият резултат от изобретението се изразява в повишаване на ефективността на ултразвуковата осцилаторна система (увеличаване на амплитудата на трептенията, въведени в различни среди) чрез осигуряване на оптимална координация със средата и електронния генератор. Надлъжният габаритен размер на осцилаторната система е намален 2 пъти, а теглото - 4 пъти в сравнение с прототипа.

Ултразвуковата осцилаторна система, разработена в лабораторията за акустични процеси и апарати на Бийския технологичен институт на Алтайския държавен технически университет, премина лабораторни и технически тестове и беше практически внедрена като част от инсталация за направа на надлъжен шев с дължина 360 mm при запечатване на торби за опаковане на насипни продукти.

Серийното производство на създадените колебателни системи е планирано за 2005 г.

Източници на информация

1. Патент на САЩ № 3113225, 1963 г

2. Патент на САЩ № 4607185, 1986 г

3. Патент на САЩ № 4651043, 1987 г

4. Патент на САЩ № 4363992 (прототип), 1982 г

5. Ултразвукова технология. Изд. B.A. Agranat. - М.: Металургия, 1974.

6. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункционални ултразвукови устройства и приложението им в дребно производство, селско стопанство и бита. Барнаул, Издателство АлтГТУ, 1997, 160 с.

ИСК

Ултразвукова осцилаторна система, съдържаща пиезоелектрични елементи и концентратор, характеризираща се с това, че е направена от концентратор, успореден на повърхността, образуващ ултразвукови вибрации, и акустично свързани с него пакети от четен брой пиезоелектрични елементи, монтирани последователно, върху които отразяващи плочи, акустично свързани с те са разположени противоположно на контактната с пиезоелектрични елементи, чиято повърхност е плоска или стъпаловидно с променлив диаметър, а размерите и броят на стъпките се избират от условието за получаване на дадена честотна лента, концентраторът има точка на закрепване и завършва с повърхност, излъчваща ултразвукови вибрации с работен инструмент, формиращите и излъчващите повърхности на концентратора са правоъгълни в напречно сечение с еднаква дължина и съотношението на техните напречни размери се избира от условието за осигуряване на дадено усилване коефициент на концентратора, общата дължина на отразяващия n облицовка, пакет от пиезоелектрични елементи и участък от концентратора към точката на закрепване е равен на една шеста от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации в материала на концентратора, размерите на участъка на концентратора, върху който се прави плавен преход, и участъкът с напречен размер, съответстващ на излъчващата повърхност, съответства на една шеста от дължината на вълната на ултразвуковите вибрации в концентратора на материала, а плавният преход се прави радиално и размерите му се избират от условието

където L z е дължината на плавния преход;

D1, D2 - напречни размери на формиращите и излъчващите повърхности на концентратора.

За да изчислим ултразвуковия скоростен трансформатор, ролята на който в разглежданата схема се играе от стъпаловиден концентратор, ще използваме общата форма на уравнението на надлъжните вибрации (2.1). Тъй като предположението, че концентраторът има собствена честота и извършва хармонични трептения, е валидно и в този случай, решението на уравнение (2.1) може да бъде представено като

По същия начин, за цилиндър, еквивалентен по маса на диамантена полираща глава със закрепващи елементи към вибрационния концентратор, можем да запишем

, (2.18)

където от 4- скоростта на звука в материала на цилиндъра, еквивалентен по маса на изглаждащия инструмент с крепежни елементи.

Гранични условия за трептяща система с начало в точка О 2 може да се напише като

В ; (2.19)

в ; (2,20)

за , (2.21)

където д 4 - модул на опън на материала на конструктивния елемент на изглаждащата глава; С 3 и С 4 са площите на напречното сечение на стъпалото на концентратора, съответно с малък диаметър и еквивалентния цилиндър; а 2- дължина на стъпалото с малък диаметър на концентратора; bе височината на еквивалентния цилиндър.

При условие (2.19), от уравнение (2.17) получаваме

;

. (2.22)

Като вземем предвид първата част на условие (2.20), от уравнения (2.17) и (2.18) получаваме

Втората част на условие (2.20) може да се преобразува във формата

. (2.24)

Дължината на стъпка с по-голям диаметър на концентратора се определя от израза (2.27), като се има предвид, че поради липсата на товар под формата на диамантена полираща глава с крепежни елементи в края на стъпаловиден концентратор, и :

. (2.28)

За скоростен трансформатор с 1/2 вълнова акустична система, когато дължината на една стъпка е 1/4 и , имаме

За цилиндър, еквивалентен по маса на изглаждаща глава с крепежни елементи, можем да напишем

. (2.30)

. (2.31)

б) 3/4 - вълново ултразвуково вибрационно задвижване

Осцилаторната система на такова задвижване има една възможна точка на закрепване, което позволява да се намали дължината на задвижването с 1/4 от акустичната вълна. За възможността за твърдо закрепване пиезоелектричният композитен преобразувател в такава верига обикновено се прави асиметричен (фиг. 2.3). В този случай стъпало с по-малък диаметър на скоростния трансформатор с инструмент за полиране е свързано директно към антинода на трептене, който се намира в края на композитния преобразувател. Следователно тази стъпка трябва да се разглежда като натоварване на пиезоелектричния преобразувател, което съответно налага характеристики върху изчисляването на едно от неговите наслагвания за намаляване на честотата.

За случай на хармонични трептения на задвижването, в съответствие с проектната схема (фиг. 2.3), решението на общото уравнение (2.1) на надлъжните трептения може да бъде записано като

, (2.32)

. (2.33)

Граничните условия в съответствие с проектната схема могат да бъдат представени като