Koncentrátory a vlnovody ultrazvukových vibrací. Výpočet koncentrátorů pro instalace ultrazvukového mikrosvařování. Výpočet umělého osvětlení

PRÁCE #3

Objektivní:

stanovení optimálního tvaru a výpočet parametrů a geometrických rozměrů vlnovodů - koncentrátorů pro ultrazvukové zpracování materiálů.

Teoretická ustanovení

Stupeň materiálu	Průměr vstupního konce vlnovodu D (mm)	Průměr výstupního konce vlnovodu d (mm)	Rezonanční délka L	Uzlová rovina X 0	Získejte K y	Rezonanční frekvence (kHz)

Praktická část:

Výpočet krokového vlnovodu:

f je rezonanční frekvence.

V je rychlost zvuku.

X 0 \u003d L/2; X 0 - poloha uzlové roviny - místo uchycení vlnovodu

K y \u003d N 2 \u003d (D / d) 2, kde D a d jsou průměry vstupního a výstupního konce vlnovodu

Ocel: V= 5100

Titan: V= 5072

Řešení:

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

Závěr:

V této práci jsme se seznámili s ultrazvukovým koncentrátorem se stupňovitým vlnovodem. Vlnovod byl vypočten řešením diferenciální rovnice, která popisuje oscilační proces za předpokladu, že oscilace jsou harmonické povahy. V průběhu práce byly zjištěny průměry vstupního a výstupního konce vlnovodu. Koeficient zesílení signálu závisí na jeho průměrech.

Úkol #4

Vlnovody - koncentrátory - vysílače mechanické energie ultrazvukové frekvence do zóny zpracování materiálu

Objektivní:

stanovení optimálního tvaru a výpočet parametrů a geometrických rozměrů vlnovodů-koncentrátorů pro ultrazvukové zpracování materiálů.

Teoretická ustanovení

Vstup energie ultrazvukových vibrací do zpracovávaného materiálu je prováděn komplexem vlnovod-přístroj. Mechanismy interakce s materiálem jsou diskutovány níže, v další části. Tato část pojednává o typických metodách výpočtu nejběžnějších tvarů vlnovodů a typech nástrojů používaných při zpracování svarových spojů.

Z řady parametrů charakterizujících vlastnosti vlnovodů jsou nejdůležitější rychlost vibrací, napětí a výkon, které je nástroj schopen přenést do zóny zpracování. Podle zjednodušeného schématu se pro danou hodnotu amplitudy vibrační rychlosti výpočet vlnovodu redukuje na určení jeho rezonanční délky, vstupní a výstupní plochy a místa jeho uchycení.

Vzorec pro výpočet vlnovodů z řešení diferenciální rovnice popisující kmitavý proces za předpokladu, že kmity jsou harmonického charakteru, čelo vlny je ploché a vlna se šíří pouze podél osy vlnovodu beze ztrát.

Laboratorní vybavení a přístroje

Při provádění laboratorního workshopu pro seznámení studentů s vybavením a pro lepší pochopení principu fungování ultrazvukové stavebnice studenty mají laboratorní stojany široký výběr různých vlnovodů (hubů) používaných se snímači různých tvarů a výkonů.

Dostupné vlnovody představují skupinu 4 nejběžnějších tvarů a jsou vyrobeny z materiálů, které jsou akusticky transparentní a mají potřebné pevnostní charakteristiky.

Pro usnadnění vnímání materiálu jsou vlnovody vyrobeny s nasazeným pracovním nástrojem - hrotem a bez něj.

Praktická část:

Výpočet kuželového vlnovodu

L= λ /2 * kl/ , kde kl jsou kořeny rovnice

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

2П / λ = k – vlnové číslo

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

K y \u003d √1+ (2P * 1 / λ) 2

Řešení:

l = 94,4; λ = 94, 4 * 2= 188, 8

K=2*3,14/188,8=0,03

Kl = 0,03 x 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

Závěr:

V této práci jsme se seznámili s ultrazvukovým koncentrátorem s kuželovým vlnovodem. Vlnovod byl vypočten řešením diferenciální rovnice popisující oscilační proces za předpokladu, že oscilace jsou harmonické povahy. V průběhu práce byly zjištěny průměry vstupního a výstupního konce vlnovodu. Koeficient zesílení signálu závisí na jeho průměrech.

Tyto vlnovody jsou široce používány pro zpracování kovových konstrukcí v místech svarových spojů, proto je velmi důležité správně vypočítat parametry nástroje pro přenos požadované frekvence signálu.

K přenosu ultrazvukových vibrací z převodníku na pracovní nástroj nebo do pracovního prostředí v ultrazvukových instalacích se používají koncentrátory a vlnovody; posledně jmenované mají konstantní plochu průřezu a válcový tvar.

Vlnovody se používají tam, kde není potřeba zesilovat amplitudu kmitů převodníku. Rozbočovače jsou transformátory rychlosti; mají proměnnou plochu průřezu častěji válcové. Díky tomuto průřezu převádějí ultrazvukové vibrace s nízkou amplitudou hlášené převodníkem a koncentrované na jeho vstupním konci na vibrace s větší amplitudou na výstupním konci. Ty jsou hlášeny pracovnímu orgánu (přístroji) ultrazvukové jednotky. K zesílení amplitudy dochází v důsledku rozdílu v plochách vstupního a výstupního konce koncentrátoru - plocha prvního (vstupního) konce koncentrátoru je vždy více oblasti druhý.

Vlnovody a koncentrátory musí být rezonanční, tj. jejich délka musí být násobkem celého počtu půlvln (λ/2). Za těchto podmínek jsou vytvořeny nejlepší možnosti pro jejich sladění se zdrojem energie, oscilačním systémem jako celkem a hmotou k nim připojenou (pracovním nástrojem).

Rýže. 14. Půlvlnné koncentrátory

V ultrazvuku technologické instalace nejvíce se používají exponenciální (obr. 14, a), kuželové (obr. 14, b) a stupňovité koncentrátory. Ty se provádějí s přírubou (obr. 14, c) nebo bez ní (obr. 14, d). Existují také kónické koncentrátory s přírubou (např. u převodníku typu PMS-15A-18), stejně jako kombinované koncentrátory, u kterých jsou stupně různého tvaru.

Koncentrátory a vlnovody mohou být nedílnou součástí oscilačního systému nebo jeho vyměnitelným prvkem. V prvním případě jsou připájeny přímo k převodníku. Výměnné náboje jsou připojeny k oscilačnímu systému (například pomocí příruby adaptéru) pomocí závitu.

U koncentrátorů se plocha průřezu mění podle určitého vzoru. Jejich hlavní charakteristikou je teoretické zesílení K, které ukazuje, kolikrát je amplituda kmitání jeho výstupního konce větší než amplituda na vstupním konci. Tento koeficient závisí na poměru N průměrů vstupních konců D1 a výstupních D2 konce koncentrátoru: N=D1/D2.

Nejvyšší zesílení amplitudy pro stejnou hodnotu N zajišťuje stupňovitý koncentrátor. Má K=N2. To vysvětluje široké použití stupňovitých koncentrátorů v různých ultrazvukových zařízeních. Tyto koncentrátory jsou navíc jednodušší na výrobu než jiné, což je někdy nejdůležitější podmínkou úspěšné aplikace ultrazvukového zpracování. Výpočet stupňovitého koncentrátoru je mnohem jednodušší než u jiných typů koncentrátorů.

Hodnota amplitudového zesilovacího faktoru stupňovitého koncentrátoru je zohledněna s přihlédnutím k zamezení možnosti vzniku bočních vibrací, která je pozorována při vysokých zesilovacích faktorech (K> 8...10), a také k jeho pevnostním údajům. V praxi se předpokládá zisk stupňovitého náboje od čtyř do šesti.

Rezonanční délka stupňovitého koncentrátoru lp se určí z výrazu lp=a/2=C/2f, kde X je vlnová délka v tyči o konstantním průřezu, cm; С - rychlost podélné vlny (pro ocel С=5100 m/s); f - rezonanční frekvence, Hz.

Při instalaci drátových přívodů v SPP pro výkonovou elektroniku se používá především UZS. Hlavní parametry procesu s tímto způsobem mikrosvařování jsou: amplituda kmitů pracovního konce nástroje, která závisí na elektrickém výkonu měniče a konstrukci oscilačního systému; tlaková síla svařovaných prvků; doba trvání zahrnutí ultrazvukových vibrací (doba svařování).

Podstata metody USS spočívá ve výskytu tření na rozhraní mezi spojovanými prvky, což má za následek destrukci oxidových a adsorbovaných filmů, vytvoření fyzického kontaktu a vznik záchvatových center mezi spojovanými částmi.

Ultrazvukový koncentrátor je jedním z hlavních prvků oscilačních systémů mikrosvařovacích instalací. Koncentrátory jsou vyrobeny ve formě tyčových systémů s plynule se měnícím průřezem, protože vyzařovací plocha převodníku je vždy mnohem větší než plocha svařovaný spoj. Koncentrátor je připojen k převodníku s velkým vstupním průřezem a ultrazvukový přístroj je připojen k menšímu výstupnímu průřezu. Účelem koncentrátoru je přenos ultrazvukových vibrací z převodníku na ultrazvukový přístroj s nejmenší ztráta a nejúčinnější.

Známý v ultrazvukové technologii velký počet typy koncentrátorů. Nejpoužívanější jsou: stupňovitý, exponenciální, kónický, katenoid a koncentrátor typu „cylindr-katenoid“. V oscilačních systémech instalací se často používají kónické koncentrátory. To je způsobeno tím, že se snadno počítají a vyrábějí. Z pěti výše uvedených nábojů má však ten kónický největší ztráty vnitřním třením, odvádí nejvíce výkonu, a proto se více zahřívá. Nejlepší stabilitu mají koncentrátory s nejmenší hodnotou poměru vstupních a výstupních průměrů pro stejný zisk K y. Je také žádoucí, aby jeho "půlvlnná" délka byla nejmenší. Pro účely mikrosvařování se používají koncentrátory s 2

Materiál koncentrátoru by měl mít vysokou únavovou pevnost, nízké ztráty, dobrou pájitelnost natvrdo, snadné zpracování a měl by být relativně levný.

Výpočet ultrazvukového koncentrátoru je redukován na určení jeho délky, vstupní a výstupní části a tvaru profilu jeho bočních ploch. Při výpočtu jsou zavedeny následující předpoklady: a) podél koncentrátoru se šíří rovinná vlna; b) oscilace jsou harmonické povahy; c) náboj kmitá pouze podél středové osy; d) mechanické ztráty v koncentrátoru jsou malé a lineárně závisí na amplitudě kmitání (deformaci).

Teoretický zisk K u z výrazu se určí amplituda kmitů exponenciálního koncentrátoru

kde D0 a D1 jsou průměry vstupní a výstupní části koncentrátoru, v tomto pořadí, mm; N- poměr průměru vstupní části koncentrátoru k výstupu.

Délka koncentrátoru se vypočítá podle vzorce

(2)

kde S je rychlost šíření ultrazvukových vibrací v materiálu koncentrátoru, mm/s; F– pracovní frekvence, Hz.

Poloha uzlové roviny x 0(kde je připojen vlnovod) je vyjádřen vztahem

(3)

Tvořící čára profilu katenoidální části koncentrátoru se vypočítá pomocí rovnice

(4)

kde je tvarový faktor tvořící čáry; X– aktuální souřadnice podél délky koncentrátoru, mm.

V této práci byl vyvinut počítačový program pro výpočet parametrů pěti typů ultrazvukových koncentrátorů: exponenciálního, stupňovitého, kuželového, katenoidního a koncentrátoru „cylindr-katenoid“, implementovaný v Pascalu (překladač Turbo-Pascal-8.0). Výchozí údaje pro výpočty jsou: průměry vstupní a výstupní sekce ( D0 a D1), provozní frekvence ( F) a rychlost šíření ultrazvukových vibrací v materiálu koncentrátoru (c). Program umožňuje vypočítat délku, polohu uzlové roviny, zesílení, stejně jako pro exponenciální, katenoidu a koncentrátor "válec-katenoid" tvar tvořící čáry s daným krokem. Blokové schéma algoritmu pro výpočet exponenciálního koncentrátoru je znázorněno na Obr. 6.9.

Příklad výpočtu. Vypočítejte parametry půlvlnného exponenciálního koncentrátoru, pokud je uvedena pracovní frekvence F= 66 kHz; vstupní průměr D0= 18 mm, výstup D1= 6 mm; materiál koncentrátoru - ocel 30KhGSA (ultrazvuková rychlost v materiálu S= 5,2106 mm/s).

Podle vzorce (1) určíme zesílení koncentrátoru .

Rýže. 6.9. Strukturní diagram algoritmu pro výpočet exponenciálního koncentrátoru

V souladu s výrazy (2) a (3) délka koncentrátoru , poloha uzlové roviny mm.

Rovnice (4) pro výpočet tvaru profilu koncentrátoru má po substitucích následující podobu:

Výpočty pomocí počítačového programu profilu generické křivky exponenciálního koncentrátoru s krokem v parametru X, rovné 5 mm, jsou uvedeny v tabulce. 6.1. Podle tabulky. 6.1 je zkonstruován nábojový profil.

Tab. 6.1. Data výpočtu profilu koncentrátoru

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

V tabulce. 6.2 jsou uvedeny výsledky výpočtu parametrů různých typů ultrazvukových koncentrátorů z oceli 30KhGSA (s D0= 18 mm; D1= 6 mm; F= 66 kHz).

Tab. 6.2. Parametry ultrazvukových koncentrátorů

* l 1 a l 2 jsou délky válcové a katenoidní části koncentrátoru.

Vynález se týká ultrazvukové technologie, konkrétně konstrukcí ultrazvukových vibračních systémů. Technickým výsledkem vynálezu je zvýšení amplitudy kmitů při současném snížení spotřeby energie, snížení celkových rozměrů a hmotnosti. Ultrazvukový oscilační systém je tvořen balíky piezoelektrických prvků umístěných na povrchu koncentrátoru tvořících vibrace. Na obalech piezoelektrických prvků jsou reflexní podložky, jejichž povrch je oproti piezoelektrickým prvkům plochý nebo stupňovitě proměnlivý v průměru. Koncentrátor má připojovací bod a je zakončen ploškou s pracovním nástrojem. Tvarovací a vyzařovací plocha koncentrátoru mají v průřezu pravoúhlý tvar stejné délky a poměr jejich příčných rozměrů je volen z podmínky zajištění daného faktoru zesílení koncentrátoru. Celková délka reflexního obložení, svazku piezoelektrických prvků a průřezu koncentrátoru k připojovacímu bodu je rovna jedné šestině vlnové délky ultrazvukových vibrací. Délka sekce koncentrátoru, na které je proveden hladký radiální přechod, a sekce s příčnou velikostí odpovídající vyzařovací ploše se rovná jedné šestině vlnové délky ultrazvukových vibrací. 2 nemocný.

Výkresy k RF patentu 2284228

Vynález se týká ultrazvukové technologie, konkrétně konstrukce ultrazvukových oscilačních systémů, a lze jej použít v technologických zařízeních určených ke zpracování velkých objemů kapalných a kapalinou dispergovaných médií, aby bylo zajištěno, že velký povrch bude vystaven vysokoamplitudovým ultrazvukovým vibracím, například v průtočných zařízeních nebo při provádění lisovaného švového stupňovitého svařování (tvorba těsnicích švů velké délky).

Každý ultrazvukový technologický přístroj obsahuje zdroj vysokofrekvenčních elektrických oscilací (elektronický generátor) a ultrazvukový oscilační systém.

Ultrazvukový oscilační systém se skládá z piezoelektrického měniče a koncentrátoru s pracovním nástrojem. V ultrazvukovém měniči oscilačního systému se energie elektrických vibrací přeměňuje na energii elastických vibrací ultrazvukové frekvence. Koncentrátor je vyroben ve formě trojrozměrného obrazce proměnlivého průřezu z kovu, ve kterém poměr ploch ploch v kontaktu s převodníkem a končících pracovním nástrojem (vyzařující ultrazvukové vibrace) určuje požadovanou zesilovací faktor.

Známé ultrazvukové oscilační systémy s velkými plochami vyzařovacího povrchu. Všechny známé oscilační systémy jsou vyrobeny podle konstruktivního schématu, které kombinuje piezoelektrické nebo magnetostriktivní půlvlnné měniče a rezonanční (násobky poloviny vlnové délky ultrazvukových vibrací) koncentrátory ultrazvukových vibrací. Jejich podélná velikost odpovídá vlnové délce ultrazvukových vibrací a příčná velikost přesahuje polovinu délky ultrazvukových vibrací v materiálu koncentrátoru.

Nevýhodou analogů je složité rozložení amplitudy kmitání na vyzařovací ploše v důsledku Poissonova poměru materiálu koncentrátoru, který neumožňuje stejné působení ultrazvuku po celé vyzařovací ploše, např. při získání vysoce kvalitního prodloužený šev.

Technickou podstatou je navrhovanému technickému řešení nejblíže ultrazvukový vibrační systém podle US patentu 4363992 přijatý jako prototyp.

Ultrazvukový oscilační systém se skládá z několika půlvlnných piezoelektrických měničů instalovaných na jednom z povrchů (vytvářejících ultrazvukové vibrace) koncentrátoru, zakončených pracovním koncem (nástrojem) určitého tvaru a velikosti. Měniče jsou vyrobeny ve formě sériově montovaného a akusticky propojeného zadního frekvenčně redukujícího překryvu, paketu sudého počtu prstencových piezoelektrických prvků a frekvenčně redukujícího vyzařovacího překryvu. Vyzařovací povrch měniče je akusticky spojen s povrchem koncentrátoru, který tvoří ultrazvukové vibrace. Podélná velikost koncentrátoru odpovídá polovině vlnové délky ultrazvukových vibrací v materiálu koncentrátoru. Koncentrátor je vyroben ve formě trojrozměrného obrazce proměnlivého průřezu z kovu, ve kterém je poměr ploch ploch v kontaktu s měniči (vytvářející ultrazvukové vibrace) a končících pracovním nástrojem (vyzařující ultrazvuk vibrace) určuje požadovaný zisk.

Koncentrátor má průchozí drážky, které umožňují eliminovat nerovnoměrné rozložení amplitudy kmitání podél vyzařovací plochy koncentrátoru (tj. vyloučit deformaci koncentrátoru kolmo ke směru síly). To umožňuje zajistit stejný ultrazvukový efekt podél celé vyzařovací plochy.

Prototyp umožňuje částečně odstranit nedostatky známých oscilačních systémů, má však následující společné významné nevýhody.

1. Známý ultrazvukový oscilační systém, sestávající z ultrazvukových měničů a koncentrátoru, je rezonanční systém. Při shodě rezonančních frekvencí měničů a koncentrátoru je zajištěna maximální amplituda ultrazvukových vibrací pracovního nástroje a tím i maximální přísun energie do zpracovávaného média. Při realizaci technologických postupů jsou pracovní nástroj a část koncentrátoru ponořeny do různých technologických médií nebo vystaveny statickému tlaku na sálavou plochu. Vliv různých technologických médií nebo vnějšího tlaku je ekvivalentní vzhledu další připojené hmoty na vyzařovací ploše koncentrátoru a vede ke změně vlastní rezonanční frekvence koncentrátoru a celého oscilačního systému jako celku. V tomto případě je narušeno optimální frekvenční přizpůsobení převodníku a koncentrátoru. Nesoulad mezi ultrazvukovým měničem a koncentrátorem vede ke snížení amplitudy kmitů vyzařovací plochy (pracovního nástroje) a ke snížení energie vnesené do média.

Pro odstranění tohoto nedostatku se při návrhu a výrobě oscilačních systémů provede předběžný nesoulad měniče a koncentrátoru z hlediska rezonanční frekvence tak, aby při výskytu zátěže a poklesu vlastní frekvence koncentrátoru odpovídala přirozené frekvence měniče a zajišťuje maximální příkon energie. To výrazně omezuje rozsah takového ultrazvukového oscilačního systému a je nedostatečné, neboť ve většině realizovaných technologických procesů se mění hodnota přidané hmoty (např. přechod z vodního nebo olejového média na jejich emulzi, vznik a vývoj kavitační proces vedoucí k vytvoření oblaku plynoparních bublin a snížení přidané hmoty v libovolném kapalném médiu) při realizaci samotného procesu, což vede ke snížení účinnosti vstupu ultrazvukových vibrací.

2. Problém optimálního přizpůsobení měniče a koncentrátoru ve frekvenci je umocněn potřebou sladit vlnové impedance kapalného a kapalinou rozptýleného média s pevnými piezokeramickými materiály měničů. Pro optimální přizpůsobení by měl být zisk koncentrátoru 10-15. Takto vysokých zisků lze dosáhnout pouze se stupňovitými koncentrátory, ale při takových zesíleních zhoršují závislost vlastní rezonanční frekvence na zátěži, vyžadují malou výstupní sekci s významnou délkou (odpovídající čtvrtině vlnové délky ultrazvukových vibrací). v materiálu koncentrátoru), což vede ke zmenšení vyzařovací plochy, ztrátě dynamické stability a vzniku ohybových vibrací. Z tohoto důvodu mají v praxi používané oscilační systémy zesílení maximálně 3...5, což je činí nevhodnými pro poskytování vysoce intenzivních ultrazvukových efektů na různých technologických médiích.

Kromě hlavních nevýhod v důsledku použitého konstrukčního schématu pro konstrukci oscilačních systémů má prototyp několik nevýhod v důsledku technologických a provozních vlastností jejich výroby a použití.

1. Ultrazvukový vibrační systém se dvěma nebo více piezoelektrickými měniči (až do průměru 40...50 mm) může mít délku vyzařovací plochy větší než 200...250 mm a šířku větší než 5 mm. V tomto případě se vlastní rezonanční frekvence piezoelektrických měničů liší, což je způsobeno rozdíly v elektrických a geometrických parametrech piezoelektrických prvků, překryvy snižujícími frekvenci, rozdíly v kompresních silách během montáže měniče atd. jsou přípustné podle regulační a projektové dokumentace. V tomto případě je buzení mechanických vibrací rezonančního koncentrátoru prováděno měniči s různými pracovními frekvencemi, z nichž některé se neshodují s rezonanční frekvencí koncentrátoru. Obzvláště obtížné je provádět koordinaci v oscilačním systému s několika měniči různých frekvencí a stupňovitým koncentrátorem s maximálním ziskem. Protože to snižuje účinnost ultrazvukového ošetření, dokonce i ve srovnání s oscilačním systémem stejné velikosti, ale s jedním měničem.

2. Nemožnost provedení vyzařovací plochy složitého profilu (např. pro současné vytvoření dvou svarů a řezání materiálu mezi nimi), jelikož v tomto případě každý podélný rozměr určuje vlastní rezonanční frekvenci koncentrátoru, která nezpůsobuje odpovídají rezonanční frekvenci měničů (efektivně se provádí pouze jedna z operací - vytvoření švu nebo řezání materiálu).

3. Nemožnost vytvoření ultrazvukových oscilačních systémů s rozšířenou šířkou pásma ve srovnání s rezonančními systémy.

4. Půlvlnný oscilační systém s pracovní frekvencí 22 kHz má podélný rozměr nejméně 250 mm a při délce vyzařovací plochy 350 mm váží nejméně 10 kg. V tomto případě se montáž oscilačního systému provádí v oblasti minimálních vibrací: buď ve středu převodníku, nebo ve středu koncentrátoru. Toto upevnění vede k nízké mechanické stabilitě a nemožnosti zajistit přesnost dopadu. Optimální upevnění v těžišti nemůže být zajištěno z důvodu velkých amplitud mechanických kmitů a nevyhnutelného tlumení oscilačního systému.

Odhalené nedostatky prototypu způsobují jeho nedostatečnou efektivitu, omezují funkčnost, což jej činí nevhodným pro použití ve vysoce výkonné, automatizované výrobě.

Navržené technické řešení je zaměřeno na odstranění nedostatků stávajících oscilačních systémů a vytvoření nového oscilačního systému schopného zajistit vyzařování ultrazvukových vibrací s rovnoměrným rozložením amplitudy po vyzařovací ploše koncentrátoru (pracovního nástroje) s maximální účinností pro všechny možné zatížení a změny vlastností zpracovávaných médií a parametrů oscilačního systému, tedy v konečném důsledku poskytují zvýšení produktivity procesů spojených s expozicí ultrazvuku při současném snížení spotřeby energie.

Podstata navrhovaného technického řešení spočívá v tom, že ultrazvukový oscilační systém obsahující piezoelektrické prvky a koncentrátor je vyroben z koncentrátoru a paketů sudého počtu sériově instalovaných piezoelektrických prvků uspořádaných paralelně na povrchu koncentrátoru a akusticky spojených. k tomu. Na obalech piezoelektrických prvků jsou reflexní podložky akusticky spojené s piezoelektrickými prvky. Protilehlý povrch, který je v kontaktu s piezoelektrickými prvky, je vytvořen plochý nebo stupňovitě proměnný v průměru a rozměry a počet stupňů se volí z podmínky pro získání dané šířky pásma. Koncentrátor má upevňovací jednotku a je zakončen plochou vyzařující ultrazvukové vibrace s pracovním nástrojem. Tvarovací a vyzařovací plocha koncentrátoru mají v průřezu pravoúhlý tvar stejné délky a poměr jejich příčných rozměrů je volen z podmínky zajištění daného faktoru zesílení koncentrátoru. Celková délka reflexního obložení, svazku piezoelektrických prvků a části koncentrátoru až k bodu připojení je rovna jedné šestině vlnové délky ultrazvukových vibrací v materiálu koncentrátoru. Rozměry sekce koncentrátoru, na které je vytvořen plynulý přechod, a sekce s příčným rozměrem odpovídajícím vyzařovací ploše, se rovnají jedné šestině vlnové délky ultrazvukových vibrací v materiálu koncentrátoru a je vytvořen hladký přechod. radiální a jeho rozměry jsou vybrány z podmínky:

Analýza možných strukturních schémat pro konstrukci oscilačních systémů umožnila zjistit, že většinu základních omezení, která jsou vlastní dvoupůlvlnovému strukturnímu schématu oscilačního systému, lze odstranit použitím oscilačních systémů, které kombinují piezoelektrický měnič a koncentrátor. s vysokým faktorem zesílení a pracovním nástrojem jakékoli velikosti v půlvlnném strukturálním schématu.

Oscilační systém vyrobený podle půlvlnného konstruktivního schématu je jediným rezonančním oscilačním systémem a všechny změny jeho parametrů vedou pouze k nesouladu s elektronickým generátorem. Absence praktických návrhů takovýchto oscilačních systémů je dána nemožností jejich realizace na základě donedávna používaných magnetostrikčních měničů a složitostí praktické realizace založené na moderních piezokeramických prvcích z důvodu nutnosti jejich umístění v max. mechanickému namáhání a také kvůli nedostatku elektronických generátorů schopných poskytovat optimální režimy napájení pro takový oscilační systém se všemi možnými změnami jeho rezonanční frekvence (až 3...5 kHz).

Navržené technické řešení je znázorněno na obr.1, který schematicky znázorňuje ultrazvukový oscilační systém obsahující piezoelektrické prvky 1, reflexní rezonanční podložky 2 a koncentrátor 3. Konstrukčně je oscilační systém tvořen koncentrátorem 3 umístěným paralelně na ploše 4 tvořící ultrazvukové vibrace a akusticky s nimi spojené balíčky sudého počtu sériově instalovaných piezoelektrických prvků 1 (obrázek 1 ukazuje oscilační systém se dvěma balíčky piezoelektrických prvků). Na každém z pouzder, sestávajícím ze sudého počtu piezoelektrických prvků (obvykle dvou nebo čtyř), jsou k nim akusticky přiřazeny reflexní podložky 2, jejichž protilehlý povrch je v kontaktu s piezoelektrickými prvky je proveden jako plochý 5 nebo stupňovitě variabilní v délce 6 a rozměry a počet kroků 7 jsou vybrány z podmínek pro získání dané šířky pásma. Koncentrátor 3 má upevňovací jednotku 8 a je zakončen plochou 9 vydávající ultrazvukové vibrace s pracovním nástrojem 10. Tvarovací 4 a vysílací 9 plochy koncentrátoru mají obdélníkový tvar o stejné délce L a poměr jejich příčných rozměrů D 1 , D 2 se volí z podmínky zajištění daného faktoru zesílení koncentrátoru . Celková délka reflexního obložení 2, svazku piezoelektrických prvků 1 a průřezu koncentrátoru k bodu připojení je rovna jedné šestině vlnové délky ultrazvukových vibrací v materiálu koncentrátoru. Rozměry sekce koncentrátoru, na které probíhá plynulý přechod, a sekce s příčným rozměrem odpovídajícím vyzařovací ploše, odpovídají jedné šestině vlnové délky ultrazvukových vibrací v materiálu koncentrátoru a hladký přechod je proveden radiálně, a jeho rozměry jsou vybrány z podmínky:

kde Lz je délka hladkého přechodu; D 1 , D 2 - příčné rozměry formovací a vyzařovací plochy koncentrátoru.

Ultrazvukový oscilační systém funguje následovně.

Když je z generátoru elektrických oscilací ultrazvukové frekvence (neznázorněno na obrázku 1) přiváděno elektrické napájecí napětí na elektrody piezoelektrických prvků 1, energie elektrických oscilací se přeměňuje do ultrazvukových mechanických kmitů v důsledku piezoelektrického jevu. Tyto vibrace se šíří v opačných směrech a odrážejí se od hraničních ploch reflexního obložení a koncentrátoru (pracovního nástroje). Protože celá délka oscilačního systému odpovídá rezonanční velikosti (polovina vlnové délky ultrazvukových vibrací), uvolňují se mechanické vibrace na vlastní rezonanční frekvenci oscilačního systému. Přítomnost stupňovitého radiálního koncentrátoru umožňuje zvýšit amplitudu kmitů vyzařovací plochy ve srovnání s amplitudou kmitů na protilehlé ploše reflexního obložení v kontaktu s piezoelektrickými prvky. Velikost amplitudy kmitání na vyzařovací ploše závisí na zesílení koncentrátoru, které je definováno jako druhá mocnina poměru ploch tvořících a vyzařovacích ploch koncentrátoru, které mají pravoúhlý průřez o stejné délce.

Nástavec 8 náboj 3 (obrázek 1) je umístěn v oblasti v blízkosti uzlu minimálních mechanických ultrazvukových vibrací, čímž je zajištěno minimální tlumení ultrazvukového oscilačního systému, tzn. maximální amplituda kmitů vyzařovací plochy a nepřítomnost kmitů v místech připojení oscilačního systému ve výrobních linkách.

Vzhledem k tomu, že získání analytických poměrů geometrických rozměrů pro praktické výpočty při návrhu oscilačních systémů je obtížné z důvodu nedostatku řady přesných údajů o šíření ultrazvukových vibrací v tělesech s proměnným průřezem ze střídání různých materiálů, kdy při volbě parametrů oscilačního systému byly použity výsledky numerické simulace spolu s grafickými závislostmi praktického studia oscilačních systémů s různými poměry příčných rozměrů tvářecích a vyzařovacích ploch koncentrátoru D 1, D 2 a řezů oscilační systém s různými délkami. Experimentální studie umožnily stanovit, že maximální koeficient elektromechanické transformace je zajištěn za podmínky, že piezoelektrické prvky jsou posunuty z oblasti minimálních oscilací (maximálních mechanických napětí) takovým způsobem, že celková délka odrazného obložení, svazku piezoelementů a části koncentrátoru k bodu připojení se rovná jedné šestině vlnové délky ultrazvukových vibrací v materiálu koncentrátoru. Volba velikosti sekce koncentrátoru, na které je plynulý přechod rovný jedné šestině vlnové délky ultrazvukových vibrací v materiálu koncentrátoru a její tvar podle výše uvedeného vzorce poskytuje potřebný zisk a minimální mechanické napětí na přechodové hranici mezi hladkým přechodovým úsekem a úsekem s příčnou velikostí odpovídající vyzařovací ploše. Výsledky experimentálních studií oscilačních systémů s různými poměry příčných rozměrů tvářecích a vyzařovacích ploch koncentrátoru D 1, D 2 jsou uvedeny na obr.2 a, 6, c, na kterém jsou znázorněny grafy hlavních parametrů oscilační systém: změna vlastní rezonanční frekvence f(a), zesílení koeficientu Mp(b) a maximální mechanická napětí max (c) od poloměru hladkého přechodu. Ze získaných závislostí bylo zjištěno, že pro jakýkoli poměr příčných rozměrů tvářecích a vyzařovacích ploch koncentrátoru D 1, D 2 dochází k minimálnímu vlivu na vlastní rezonanční frekvenci při

V tomto případě se zisk blíží maximálnímu možnému a je zajištěno výrazné snížení mechanického namáhání v oblasti piezoelektrických prvků.

Provedené experimentální studie nám umožnily potvrdit správnost získaných výsledků a vyvinout praktické návrhy oscilačních systémů pro různé poměry příčných rozměrů tvářecích a vyzařovacích ploch koncentrátoru D 1 , D 2 .

V oscilačním systému s příčným rozměrem vyzařovací plochy rovným D 2 = 10 mm a s příčným rozměrem vibrotvorné plochy D 1 rovným 38 mm (tj. při použití nejpoužívanějších prstencových piezoelektrických prvků s vnějším průměrem 38 mm), vyvinutý oscilační systém poskytne zesílení ultrazvukových vibrací generovaných piezoelektrickými prvky, a to nejméně 11krát (viz obrázek 2).

Podobné výsledky byly získány také pro další hodnoty D2.

Takže při použití prstencových piezoelektrických prvků s vnějším průměrem 50 mm v navrhovaném oscilačním systému a poskytujícím zisk 10...15 může být příčná velikost vyzařovací plochy koncentrátoru D2 rovna 16 mm.

Pro získání zisku rovného 10 ... 15 ve vytvořeném oscilačním systému o velikosti D 2 \u003d 20 mm bude D 1 roven pouze 70 mm, což je také snadno implementováno v praxi (piezoelektrické prvky o průměru 70 mm jsou sériově vyráběny).

Takže při poskytování amplitudy oscilace sady dvou piezoelektrických prvků rovné 5 μm (napájecí napětí ne více než 500 ... 700 V), amplituda oscilace vyzařujícího povrchu oscilačního systému bude 50 ... režim rozvinuté kavitace při zpracování kapalných a kapalinou dispergovaných médií, provádění svařování polymerních materiálů a rozměrové zpracování pevných materiálů.

Vyvinutý ultrazvukový oscilační systém poskytoval účinnost (elektroakustický konverzní faktor) minimálně 75 % (při vyzařování do vody).

Implementace reflexního obložení s postupně se měnící podélnou velikostí (tj. realizace protilehlé plochy v kontaktu s piezoelektrickými prvky je stupňovitě proměnná v průměru), umožňuje vytvořit několik různých rezonančních velikostí po délce oscilačního systému. Každá z těchto rezonančních velikostí odpovídá vlastní rezonanční frekvenci mechanických vibrací. Volba počtu a velikosti stupňů umožňuje získat potřebnou šířku pásma (tj. zajistit provoz oscilačního systému ve frekvenčním rozsahu určeném maximálním a minimálním podélným rozměrem reflexního obložení).

Technický výsledek vynálezu je vyjádřen ve zvýšení účinnosti ultrazvukového oscilačního systému (zvýšení amplitudy oscilací zavedených do různých médií) zajištěním optimální koordinace s médiem a elektronickým generátorem. Podélný celkový rozměr oscilačního systému je snížen 2krát a hmotnost 4krát ve srovnání s prototypem.

Ultrazvukový oscilační systém vyvinutý v laboratoři akustických procesů a přístrojů Bijského technologického institutu Altajské státní technické univerzity prošel laboratorními a technickými zkouškami a byl prakticky implementován jako součást instalace pro zhotovení podélného švu dlouhého 360 mm při utěsňování sáčků pro balení volně ložených produktů.

Sériová výroba vytvořených oscilačních systémů je plánována na rok 2005.

Zdroje informací

1. Patent USA č. 3113225, 1963

2. Patent USA č. 4607185, 1986

3. Patent USA č. 4651043, 1987

4. Patent USA č. 4363992 (prototyp), 1982

5. Ultrazvuková technologie. Ed. B.A. Agranat. - M.: Hutnictví, 1974.

6. Khmelev V.N., Popova O.V. Multifunkční ultrazvukové přístroje a jejich aplikace v malovýrobě, zemědělství a domácnostech. Barnaul, Nakladatelství AltGTU, 1997, 160 s.

NÁROK

Ultrazvukový oscilační systém obsahující piezoelektrické prvky a koncentrátor, vyznačující se tím, že je vyroben z koncentrátoru rovnoběžně s povrchem vytvářejícím ultrazvukové vibrace a akusticky s ním spojených svazků sudého počtu piezoelektrických prvků instalovaných v sérii, na kterých jsou akusticky spojené odrazné desky jsou umístěny proti kontaktnímu piezoelektrickými prvky, jejichž povrch je plochý nebo stupňovitě proměnný v průměru a rozměry a počet stupňů jsou zvoleny z podmínky pro získání dané šířky pásma, koncentrátor má připojovací bod a konce s povrchem vyzařujícím ultrazvukové vibrace s pracovním nástrojem, tvarovací a vyzařovací povrchy koncentrátoru jsou obdélníkového průřezu o stejné délce a poměr jejich příčných rozměrů je zvolen z podmínky poskytnutí daného zisku faktor koncentrátoru, celková délka odrazného n obložení, svazku piezoelektrických prvků a průřezu koncentrátoru k připojovacímu bodu se rovná jedné šestině vlnové délky ultrazvukových vibrací v materiálu koncentrátoru, rozměrům části koncentrátoru, na které je plynulý přechod, a úsek s příčným rozměrem odpovídajícím vyzařovací ploše odpovídá šestině vlnové délky ultrazvukových vibrací v koncentrátoru materiálu a hladký přechod je proveden radiálně a jeho rozměry jsou vybrány z podmínky

kde Lz je délka hladkého přechodu;

D1, D2 - příčné rozměry tvářecích a vyzařovacích ploch koncentrátoru.

Pro výpočet ultrazvukového transformátoru otáček, jehož roli v uvažovaném schématu hraje stupňovitý koncentrátor, použijeme obecný tvar rovnice podélných kmitů (2.1). Protože i v tomto případě platí předpoklad, že koncentrátor má vlastní frekvenci a provádí harmonické kmity, lze řešení rovnice (2.1) znázornit jako

Podobně pro válec hmotnostně ekvivalentní diamantové leštící hlavě s upevňovacími prvky ke koncentrátoru vibrací můžeme napsat

, (2.18)

kde od 4- rychlost zvuku v materiálu válce, hmotnostně ekvivalentní hladicímu nástroji se spojovacími prvky.

Okrajové podmínky pro oscilační systém s počátkem v bodě Ó 2 lze napsat jako

V ; (2,19)

v ; (2,20)

pro , (2.21)

kde E 4 - modul pružnosti v tahu materiálu konstrukčního prvku vyhlazovací hlavy; S 3 a S 4 jsou plochy příčného řezu patky koncentrátoru malého průměru a ekvivalentního válce; a 2- délka stupně malého průměru koncentrátoru; b je výška ekvivalentního válce.

Za podmínky (2.19) z rovnice (2.17) dostaneme

;

. (2.22)

Vezmeme-li v úvahu první část podmínky (2.20), z rovnic (2.17) a (2.18) získáme

Druhou část podmínky (2.20) lze převést do formuláře

. (2.24)

Délka stupně většího průměru koncentrátoru se určí z výrazu (2.27) s přihlédnutím k tomu, že v důsledku absence zátěže v podobě diamantové leštící hlavy s upevňovacími prvky na konci stupňovitého koncentrátoru, a :

. (2.28)

Pro rychlostní transformátor s 1/2 vlnovým akustickým systémem, kdy délka jednoho kroku je 1/4 a , máme

Pro válec hmotnostně ekvivalentní hladicí hlavě se spojovacími prvky můžeme psát

. (2.30)

. (2.31)

b) 3/4 - vlnový ultrazvukový vibrační pohon

Oscilační systém takového pohonu má jeden možný upevňovací bod, který umožňuje snížit délku pohonu o 1/4 akustické vlny. Pro možnost tuhého upevnění bývá piezoelektrický kompozitní měnič v takovém obvodu vyroben asymetricky (obr. 2.3). V tomto případě je stupeň menšího průměru rychlostního transformátoru s leštícím nástrojem připojen přímo na oscilační antinodu, která je umístěna na konci kompozitního měniče. Proto by měl být tento krok považován za zatížení piezoelektrického měniče, což v souladu s tím ukládá vlastnosti výpočtu jednoho z jeho překryvů snižujících frekvenci.

Pro případ harmonických kmitů pohonu lze v souladu s návrhovým schématem (obr. 2.3) řešení obecné rovnice (2.1) podélných kmitů zapsat jako

, (2.32)

. (2.33)

Okrajové podmínky v souladu s návrhovým schématem mohou být reprezentovány jako