Koncentratori i valovod ultrazvučnih vibracija. Proračun koncentratora za instalacije ultrazvučnog mikrozavarivanja. Proračun umjetne rasvjete

RAD #3

Cilj:

određivanje optimalnog oblika i proračun parametara i geometrijskih dimenzija valovoda – koncentratora za ultrazvučnu obradu materijala.

Teorijske odredbe

Grade materijala	Promjer krajnjeg ulaza valovoda D (mm)	Promjer izlaznog kraja valovoda d (mm)	Duljina rezonancije L	Nodalna ravnina X 0	Dobitak K y	Rezonantna frekvencija (KHz)

Praktični dio:

Izračun koraka valovoda:

f je rezonantna frekvencija.

V je brzina zvuka.

X 0 \u003d L / 2; X 0 - položaj nodalne ravnine - mjesto pričvršćivanja valovoda

K y \u003d N 2 \u003d (D / d) 2, gdje su D i d promjeri ulaznog i izlaznog kraja valovoda

Čelik: V= 5100

Titan: V= 5072

Riješenje:

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

Zaključak:

U ovom radu upoznali smo se s ultrazvučnim koncentratorom sa stepenastim valovodom. Valovod je izračunat rješavanjem diferencijalne jednadžbe koja opisuje oscilatorni proces, pod uvjetom da su oscilacije harmonijske prirode. U procesu rada pronađeni su promjeri ulaznog i izlaznog kraja valovoda. Koeficijent pojačanja signala ovisi o njegovim promjerima.

Posao #4

Valovodi – koncentratori – odašiljači mehaničke energije ultrazvučne frekvencije u zonu obrade materijala

Cilj:

određivanje optimalnog oblika i proračun parametara i geometrijskih dimenzija valovoda-koncentratora za ultrazvučnu obradu materijala.

Teorijske odredbe

Unos energije ultrazvučnih vibracija u materijal koji se obrađuje provodi se valovodno-instrumentalnim kompleksom. O mehanizmima interakcije s materijalom raspravlja se u nastavku, u sljedećem odjeljku. Ovaj odjeljak govori o tipičnim metodama proračuna najčešćih oblika valovoda i vrstama alata koji se koriste u obradi zavarenih spojeva.

Od niza parametara koji karakteriziraju svojstva valovoda, najvažniji su vibracijska brzina, napon i snaga koju alat može prenijeti u zonu obrade. Prema pojednostavljenoj shemi, za zadanu vrijednost amplitude vibracijske brzine, proračun valovoda svodi se na određivanje njegove rezonantne duljine, ulaznog i izlaznog područja i mjesta njegovog pričvršćivanja.

Formula za izračun valovoda iz rješenja diferencijalne jednadžbe koja opisuje oscilatorni proces, pod uvjetom da su oscilacije harmonijske prirode, da je valna fronta ravna i da se val širi samo duž osi valovoda bez gubitaka.

Laboratorijska oprema i instrumenti

Prilikom izvođenja laboratorijske radionice radi upoznavanja studenata s opremom i boljeg razumijevanja principa rada ultrazvučnog seta od strane studenata, na laboratorijskim stalcima nalazi se širok izbor različitih valovoda (hubova) koji se koriste s pretvaračima različitih oblika i snaga.

Valovodi koji su na raspolaganju predstavljaju skupinu od 4 najčešća oblika i izrađeni su od materijala koji su akustički propusni i imaju potrebne karakteristike čvrstoće.

Radi praktičnosti percepcije materijala, valovod se izrađuje s radnim alatom pričvršćenim na njega - vrhom i bez njega.

Praktični dio:

Proračun stožastog valovoda

L= λ /2 * kl/ , gdje su kl korijeni jednadžbe

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

2P / λ = k – valni broj

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

K y \u003d √1+ (2P * 1 / λ) 2

Riješenje:

l = 94,4; λ = 94, 4 * 2= 188, 8

K=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

Zaključak:

U ovom smo se radu upoznali s ultrazvučnim koncentratorom s konusnim valovodom. Valovod je izračunat rješavanjem diferencijalne jednadžbe koja opisuje oscilatorni proces, pod uvjetom da su oscilacije harmonijske prirode. U procesu rada pronađeni su promjeri ulaznog i izlaznog kraja valovoda. Koeficijent pojačanja signala ovisi o njegovim promjerima.

Ovi valovodi naširoko se koriste za obradu metalnih konstrukcija na mjestima zavarenih spojeva, stoga je vrlo važno pravilno izračunati parametre alata za prijenos željene frekvencije signala.

Za prijenos ultrazvučnih vibracija od pretvornika do radnog alata ili radne okoline u ultrazvučnim instalacijama koriste se koncentratori i valovodi; potonji imaju konstantnu površinu poprečnog presjeka i cilindričan oblik.

Valovodi se koriste kada nema potrebe za pojačavanjem amplitude oscilacija pretvarača. Čvorišta su transformatori brzine; imaju promjenjivu površinu presjeka češće cilindrične. Zbog ovog poprečnog presjeka, oni pretvaraju ultrazvučne vibracije male amplitude koje javlja sonda i koncentrirane na njegovom ulaznom kraju u vibracije veće amplitude na izlaznom kraju. Potonji se prijavljuju radnom tijelu (instrumentu) ultrazvučne jedinice. Pojačanje amplitude nastaje zbog razlike u područjima ulaznog i izlaznog kraja koncentratora - područje prvog (ulaznog) kraja koncentratora uvijek je više površine drugi.

Valovodi i koncentratori moraju biti rezonantni, tj. njihova duljina mora biti višekratnik cijelog broja poluvalova (λ/2). Pod tim uvjetom stvaraju se najbolje mogućnosti za njihovo usklađivanje s izvorom energije, oscilatornim sustavom u cjelini i masom koja im je pridružena (radni alat).

Riža. 14. Koncentratori poluvalne duljine

U ultrazvučnom tehnološke instalacije najviše se koriste eksponencijalni (Sl. 14, a), konusni (Sl. 14, b) i stepenasti koncentratori. Potonji se izvode s prirubnicom (slika 14, c) ili bez nje (slika 14, d). Postoje i konusni koncentratori s prirubnicom (na primjer, u pretvaraču tipa PMS-15A-18), kao i kombinirani koncentratori, u kojima su stepenice različitih oblika.

Koncentratori i valovod mogu biti sastavni dio oscilatornog sustava ili njegov zamjenjivi element. U prvom slučaju, oni su lemljeni izravno na pretvarač. Zamjenjive glavčine spojene su na oscilatorni sustav (na primjer, s prirubnicom adaptera) pomoću navoja.

Za koncentratore se površina poprečnog presjeka mijenja prema određenom obrascu. Njihova glavna karakteristika je teoretsko pojačanje K, koje pokazuje koliko je puta amplituda titranja njegovog izlaznog kraja veća od amplitude na ulaznom kraju. Ovaj koeficijent ovisi o omjeru N promjera ulaznog D1 i izlaznog D2 kraja koncentratora: N=D1/D2.

Najveće pojačanje amplitude za istu vrijednost N osigurava stepenasti koncentrator. On ima K=N2. To objašnjava široku upotrebu koncentratora stupnjevitog tipa u raznim ultrazvučnim uređajima. Osim toga, ove koncentratore je lakše proizvesti od drugih, što je ponekad najvažniji uvjet za uspješnu primjenu ultrazvučne obrade. Proračun stepenastog koncentratora mnogo je jednostavniji od ostalih tipova koncentratora.

Vrijednost faktora pojačanja amplitude stepenastog koncentratora uzima se u obzir sprječavanje mogućnosti bočnih vibracija, što se opaža pri visokim faktorima pojačanja (K> 8...10), kao i podaci o njegovoj čvrstoći. U praksi se pretpostavlja da je pojačanje stepenaste glavčine od četiri do šest.

Rezonantna duljina stepenastog koncentratora lp određena je iz izraza lp=a/2=C/2f, gdje je X valna duljina u štapu konstantnog presjeka, cm; S - brzina uzdužnog vala (za čelik S=5100 m/s); f - rezonantna frekvencija, Hz.

U instalaciji žičanih izvoda u SPP za energetsku elektroniku uglavnom se koristi UZS. Glavni parametri procesa kod ove metode mikrozavarivanja su: amplituda oscilacija radnog kraja alata, koja ovisi o električnoj snazi ​​pretvarača i dizajnu oscilatornog sustava; sila kompresije zavarenih elemenata; trajanje uključivanja ultrazvučnih vibracija (vrijeme zavarivanja).

Bit USS metode leži u pojavi trenja na površini između elemenata koji se spajaju, što rezultira uništavanjem oksidnih i adsorbiranih filmova, stvaranjem fizičkog kontakta i razvojem žarišta stvrdnjavanja između dijelova koji se spajaju. .

Ultrazvučni koncentrator jedan je od glavnih elemenata oscilatornih sustava instalacija za mikrozavarivanje. Koncentratori su izrađeni u obliku štapnih sustava s glatko promjenjivim presjekom, budući da je područje zračenja pretvarača uvijek mnogo veće od područja zavareni spoj. Koncentrator je pričvršćen na pretvornik velikog ulaznog presjeka, a ultrazvučni instrument na manji izlazni presjek. Namjena koncentratora je prijenos ultrazvučnih vibracija od sonde do ultrazvučnog instrumenta s najmanji gubitak i najučinkovitiji.

Poznat u ultrazvučnoj tehnologiji veliki broj vrste koncentratora. Najviše se koriste: stepenasti, eksponencijalni, konusni, katenoidni i koncentrator tipa "cilindar-katenoid". U oscilatornim sustavima instalacija često se koriste konusni koncentratori. To je zbog činjenice da ih je lako izračunati i proizvesti. Međutim, od pet gore navedenih glavčina, konusna ima najveće gubitke zbog unutarnjeg trenja, rasipa najveću snagu, pa se stoga više zagrijava. Najbolju stabilnost imaju koncentratori s najmanjom vrijednošću omjera ulaznog i izlaznog promjera za isto pojačanje K y. Također je poželjno da njegova duljina "polu valne duljine" bude najmanja. Za potrebe mikrozavarivanja, koncentratori sa 2

Materijal koncentratora treba imati visoku čvrstoću na zamor, niske gubitke, dobru sposobnost lemljenja, laku obradu i biti relativno jeftin.

Proračun ultrazvučnog koncentratora svodi se na određivanje njegove duljine, ulaznog i izlaznog presjeka te oblika profila bočnih površina. Pri proračunu se uvode sljedeće pretpostavke: a) duž koncentratora se širi ravni val; b) oscilacije su harmonijske prirode; c) glavčina oscilira samo duž središnje linije; d) mehanički gubici u koncentratoru su mali i linearno ovise o amplitudi titranja (deformacija).

Teoretski dobitak K y amplituda oscilacija eksponencijalnog koncentratora određuje se iz izraza

gdje D0 i D1 su promjeri ulaznog i izlaznog dijela koncentratora, mm; N- omjer promjera ulaznog dijela koncentratora prema izlazu.

Duljina koncentratora izračunava se formulom

(2)

gdje S je brzina širenja ultrazvučnih vibracija u materijalu koncentratora, mm/s; f– radna frekvencija, Hz.

Položaj nodalne ravnine x 0(gdje je valovod pričvršćen) izražava se relacijom

(3)

Generatrisa profila katenoidnog dijela koncentratora izračunava se jednadžbom

(4)

gdje je faktor oblika generatrise; x– koordinata struje duž duljine koncentratora, mm.

U ovom radu razvijen je računalni program za izračunavanje parametara pet tipova ultrazvučnih koncentratora: eksponencijalni, stepenasti, konusni, katenoidni i „cilindarsko-katenoidni” koncentrator, implementiran u Pascalu (Turbo-Pascal-8.0 kompajler). Početni podaci za proračun su: promjeri ulaznog i izlaznog dijela ( D0 i D1), radna frekvencija ( f) i brzina širenja ultrazvučnih vibracija u materijalu koncentratora (c). Program vam omogućuje izračunavanje duljine, položaja nodalne ravnine, dobitka, kao i za eksponencijalni, katenoid i koncentrator "cilindar-katenoid" oblik generatrise sa zadanim korakom. Blok dijagram algoritma za izračunavanje eksponencijalnog koncentratora prikazan je na sl. 6.9.

Primjer izračuna. Izračunajte parametre poluvalnog eksponencijalnog koncentratora ako je zadana radna frekvencija f= 66 kHz; promjer ulaza D0= 18 mm, izlaz D1=6 mm; materijal koncentratora - čelik 30KhGSA (brzina ultrazvuka u materijalu S= 5,2 10 6 mm/s).

Prema formuli (1) određujemo pojačanje koncentratora .

Riža. 6.9. Strukturni dijagram algoritma za izračun eksponencijalnog koncentratora

U skladu s izrazima (2) i (3), duljina koncentratora , položaj nodalne ravnine mm.

Jednadžba (4) za izračun oblika profila koncentratora nakon zamjena poprima sljedeći oblik:

Izračuni pomoću računalnog programa profila generatrise eksponencijalnog koncentratora s korakom u parametru x, jednako 5 mm, dani su u tablici. 6.1. Prema tablici. 6.1, konstruiran je profil glavčine.

tab. 6.1. Podaci o proračunu profila koncentratora

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

U tablici. 6.2 prikazuje rezultate proračuna parametara različitih tipova ultrazvučnih koncentratora od čelika 30KhGSA (s D0= 18 mm; D1= 6 mm; f= 66 kHz).

tab. 6.2. Parametri ultrazvučnih koncentratora

* l 1 i l 2 su duljine cilindričnog i katenoidnog dijela koncentratora.

Izum se odnosi na ultrazvučnu tehnologiju, odnosno na strukture ultrazvučnih vibracijskih sustava. Tehnički rezultat izuma je povećanje amplitude oscilacija uz smanjenje potrošnje energije, smanjenje ukupnih dimenzija i težine. Ultrazvučni oscilatorni sustav sastoji se od paketa piezoelektričnih elemenata smještenih na površini koncentratora koji stvaraju vibracije. Na paketima piezoelektričnih elemenata nalaze se reflektirajući jastučići, čija je površina, nasuprot piezoelektričnim elementima, ravna ili stepenasto promjenjivog promjera. Koncentrator ima pričvrsnu točku i završava površinom s radnim alatom. Oblikna i zračna površina koncentratora imaju pravokutni oblik iste duljine u poprečnom presjeku, a omjer njihovih poprečnih dimenzija odabire se iz uvjeta osiguranja zadanog faktora pojačanja koncentratora. Ukupna duljina reflektirajuće obloge, paketa piezoelektričnih elemenata i presjeka koncentratora do točke pričvršćenja jednaka je jednoj šestini valne duljine ultrazvučnih vibracija. Duljina dijela koncentratora, na kojem se izvodi glatki radijalni prijelaz, i presjeka s poprečnom dimenzijom koja odgovara površini zračenja, jednaki su jednoj šestini valne duljine ultrazvučnih vibracija. 2 ilustr.

Nacrti RF patenta 2284228

Izum se odnosi na ultrazvučnu tehnologiju, točnije na dizajn ultrazvučnih oscilatornih sustava, i može se koristiti u tehnološkim uređajima dizajniranim za obradu velikih količina tekućina i tekućih raspršenih medija, kako bi se osiguralo da velika površina bude izložena ultrazvučnim vibracijama visoke amplitude , na primjer, u protočnim uređajima ili u provedbi zavarivanje koraka šava (formiranje brtvenih šavova velike duljine).

Svaki ultrazvučni tehnološki uređaj uključuje izvor visokofrekventnih električnih oscilacija (elektronički generator) i ultrazvučni oscilatorni sustav.

Ultrazvučni oscilatorni sustav sastoji se od piezoelektričnog pretvarača i koncentratora s radnim alatom. U ultrazvučnom pretvaraču oscilatornog sustava energija električnih vibracija pretvara se u energiju elastičnih vibracija ultrazvučne frekvencije. Koncentrator je izrađen u obliku trodimenzionalne figure promjenjivog poprečnog presjeka izrađene od metala, u kojoj omjer površina u kontaktu s pretvaračem i završava s radnim alatom (zrači ultrazvučne vibracije) određuje potrebne dobiti.

Poznati ultrazvučni oscilatorni sustavi s velikim površinama površine zračenja. Svi poznati oscilatorni sustavi izrađeni su prema konstruktivnoj shemi koja kombinira piezoelektrične ili magnetostrikcijske poluvalne pretvarače i rezonantne (višekratnike polovice valne duljine ultrazvučnih vibracija) koncentratore ultrazvučnih vibracija. Njihova uzdužna veličina odgovara valnoj duljini ultrazvučnih vibracija, a poprečna veličina prelazi polovicu duljine ultrazvučnih vibracija u materijalu koncentratora.

Nedostatak analoga je složena raspodjela amplitude oscilacija na površini zračenja zbog Poissonovog omjera materijala koncentratora, koji ne dopušta isto ultrazvučno djelovanje duž cijele površine zračenja, na primjer, pri dobivanju visokokvalitetnog prošireni šav.

Najbliži, u tehničkom smislu, predloženom tehničkom rješenju je ultrazvučni vibracijski sustav prema US patentu 4363992 koji je usvojen kao prototip.

Ultrazvučni oscilatorni sustav sastoji se od nekoliko poluvalnih piezoelektričnih pretvarača ugrađenih na jednu od površina (formirajući ultrazvučne vibracije) koncentratora, završavajući radnim krajem (alatom) određenog oblika i veličine. Pretvornici su izrađeni u obliku serijski ugrađenih i akustički međusobno povezanih stražnjih frekvencijski reducirajućih preklopa, paketa od parnog broja prstenastih piezoelektričnih elemenata i frekvencijski redukcijskih zračećih preklopa. Zračna površina pretvornika akustički je povezana s površinom koncentratora koji stvara ultrazvučne vibracije. Uzdužna veličina koncentratora odgovara polovici valne duljine ultrazvučnih vibracija u materijalu koncentratora. Koncentrator je izrađen u obliku trodimenzionalne figure promjenjivog presjeka izrađenog od metala, u kojem je omjer površina u kontaktu s pretvaračima (formirajući ultrazvučne vibracije) i završava s radnim alatom (zrači ultrazvuk vibracije) određuje potrebno pojačanje.

Koncentrator ima prolazne utore, koji omogućuju uklanjanje neravnomjerne raspodjele amplitude oscilacija duž površine zračenja koncentratora (tj. Isključivanje deformacije koncentratora okomito na smjer sile). To omogućuje isti ultrazvučni učinak duž cijele površine zračenja.

Prototip vam omogućuje djelomično uklanjanje nedostataka poznatih oscilatornih sustava, ali ima sljedeće zajedničke značajne nedostatke.

1. Dobro poznati ultrazvučni oscilatorni sustav, koji se sastoji od ultrazvučnih pretvarača i koncentratora, je rezonantni sustav. Kada se rezonantne frekvencije pretvarača i koncentratora podudaraju, osigurava se maksimalna amplituda ultrazvučnih vibracija radnog alata i, sukladno tome, maksimalni unos energije u obrađeni medij. Pri izvođenju tehnoloških procesa radni alat i dio koncentratora uronjeni su u razne tehnološke medije ili podvrgnuti statičkom pritisku na površinu zračenja. Utjecaj različitih tehnoloških medija ili vanjskog tlaka ekvivalentan je pojavi dodatne pričvršćene mase na površinu zračenja koncentratora i dovodi do promjene vlastite rezonantne frekvencije koncentratora i cijelog oscilatornog sustava u cjelini. U tom slučaju narušena je optimalna usklađenost frekvencije pretvarača i koncentratora. Neusklađenost ultrazvučnog pretvornika i koncentratora dovodi do smanjenja amplitude oscilacija zračne površine (radnog alata) i smanjenja energije unesene u medij.

Da bi se uklonio ovaj nedostatak, u projektiranju i proizvodnji oscilatornih sustava provodi se preliminarna neusklađenost pretvarača i koncentratora u smislu rezonantne frekvencije, tako da kada se pojavi opterećenje i smanji vlastita frekvencija koncentratora, to odgovara vlastitu frekvenciju pretvarača i osigurava maksimalni unos energije. To značajno ograničava opseg ovakvog ultrazvučnog oscilirajućeg sustava i nedovoljno je, jer se u većini izvedenih tehnoloških procesa mijenja vrijednost dodane mase (primjerice, prijelaz iz vodenog ili uljnog medija u njihovu emulziju, nastanak i razvoj proces kavitacije koji dovodi do stvaranja oblaka mjehurića plin-pare i smanjenja dodane mase u bilo kojem tekućem mediju) tijekom provedbe samog procesa, što dovodi do smanjenja učinkovitosti unosa ultrazvučnih vibracija.

2. Problem optimalnog usklađivanja pretvornika i koncentratora po frekvenciji pogoršan je potrebom usklađivanja valnih impedancija tekućih i tekućih raspršenih medija s čvrstim piezokeramičkim materijalima pretvornika. Za optimalno usklađivanje pojačanje koncentratora mora biti 10-15. Takva velika pojačanja mogu se dobiti samo sa stepenastim koncentratorima, ali s takvim pojačanjima oni pogoršavaju ovisnost prirodne rezonantne frekvencije o opterećenju, zahtijevaju mali izlazni dio značajne duljine (što odgovara četvrtini valne duljine ultrazvučnih vibracija). u materijalu koncentratora), što dovodi do smanjenja površine zračenja, gubitka dinamičke stabilnosti i pojave vibracija savijanja. Iz tog razloga oscilatorni sustavi koji se koriste u praksi imaju pojačanje ne veće od 3...5, što ih čini neprikladnim za pružanje ultrazvučnih učinaka visokog intenziteta na različite tehnološke medije.

Uz glavne nedostatke zbog primijenjene projektne sheme za konstrukciju oscilatornih sustava, prototip ima nekoliko nedostataka zbog tehnoloških i operativnih značajki njihove izrade i uporabe.

1. Ultrazvučni vibracijski sustav s dva ili više piezoelektričnih pretvornika (promjera do 40...50 mm) može imati duljinu površine zračenja veću od 200...250 mm i širinu veću od 5 mm. U ovom slučaju se vlastite rezonantne frekvencije piezoelektričnih pretvarača razlikuju, što je posljedica dopuštenih razlika u električnim i geometrijskim parametrima piezoelektričnih elemenata, prekrivača za snižavanje frekvencije, razlika u kompresijskim silama tijekom sklopa pretvarača itd., koji su dopušteni prema regulatornoj i projektnoj dokumentaciji. U ovom slučaju, pobudu mehaničkih vibracija rezonantnog koncentratora provode pretvarači s različitim radnim frekvencijama, od kojih se neke ne podudaraju s rezonantnom frekvencijom koncentratora. Posebno je teško izvesti usklađivanje u oscilatornom sustavu s više pretvarača različitih frekvencija i stepenastim koncentratorom s maksimalnim pojačanjem. Budući da to smanjuje učinkovitost ultrazvučnog tretmana, čak iu usporedbi s oscilatornim sustavom iste veličine, ali s jednim pretvaračem.

2. Nemogućnost izrade zračne površine složenog profila (na primjer, za istovremeno stvaranje dvaju zavara i rezanje materijala između njih), jer u ovom slučaju svaka uzdužna dimenzija određuje svoju rezonantnu frekvenciju koncentratora, koja ne odgovaraju rezonantnoj frekvenciji pretvarača (učinkovito se izvodi samo jedna od operacija - oblikovanje šava ili rezanje materijala).

3. Nemogućnost stvaranja ultrazvučnih oscilatornih sustava s proširenim propusnim opsegom u usporedbi s rezonantnim sustavima.

4. Dvopolvalni oscilatorni sustav s radnom frekvencijom od 22 kHz ima uzdužnu dimenziju od najmanje 250 mm i, s duljinom površine zračenja od 350 mm, teži najmanje 10 kg. U ovom slučaju, montaža oscilatornog sustava provodi se u području minimalnih vibracija: bilo u središtu pretvarača, bilo u središtu koncentratora. Ovo pričvršćivanje dovodi do niske mehaničke stabilnosti i nemogućnosti osiguranja točnosti udara. Optimalno učvršćenje u središtu mase nije moguće osigurati zbog velikih amplituda mehaničkih oscilacija i neizbježnog prigušenja oscilatornog sustava.

Otkriveni nedostaci prototipa uzrokuju njegovu nedovoljnu učinkovitost, ograničavaju funkcionalnost, što ga čini neprikladnim za korištenje u visokoučinkovitoj, automatiziranoj proizvodnji.

Predloženo tehničko rješenje ima za cilj otkloniti nedostatke postojećih oscilatornih sustava i stvoriti novi oscilatorni sustav sposoban osigurati zračenje ultrazvučnih vibracija s ravnomjernom raspodjelom amplitude duž površine zračenja koncentratora (radnog alata) s maksimalnom učinkovitošću za sve moguće opterećenja i promjene svojstava obrađenih medija i parametara oscilatornog sustava, tj. u konačnici, osiguravaju povećanje produktivnosti procesa povezanih s ultrazvučnim izlaganjem uz smanjenje potrošnje energije.

Suština predloženog tehničkog rješenja leži u činjenici da je ultrazvučni oscilatorni sustav koji sadrži piezoelektrične elemente i koncentrator sačinjen od paralelno smještenih na površini koncentratora koji tvore ultrazvučne vibracije i akustički povezanih paketa parnog broja serijski ugrađenih piezoelektričnih elemenata. Na pakiranjima piezoelektričnih elemenata nalaze se reflektirajuće pločice akustično povezane s piezoelektričnim elementima. Suprotna površina koja dolazi u kontakt s piezoelektričnim elementima je ravna ili stepenasto promjenjivog promjera, a dimenzije i broj koraka se odabiru iz uvjeta za dobivanje zadane širine pojasa. Koncentrator ima jedinicu za pričvršćivanje i završava površinom koja emitira ultrazvučne vibracije s radnim alatom. Oblikna i zračna površina koncentratora imaju pravokutni oblik iste duljine u poprečnom presjeku, a omjer njihovih poprečnih dimenzija odabire se iz uvjeta osiguranja zadanog faktora pojačanja koncentratora. Ukupna duljina reflektirajuće obloge, paketa piezoelektričnih elemenata i dijela koncentratora do točke pričvršćenja jednaka je jednoj šestini valne duljine ultrazvučnih vibracija u materijalu koncentratora. Dimenzije presjeka koncentratora na kojem se odvija glatki prijelaz i presjeka s poprečnom dimenzijom koja odgovara površini zračenja jednake su jednoj šestini valne duljine ultrazvučnih vibracija u materijalu koncentratora, a glatki prijelaz je radijalan. , a njegove dimenzije su odabrane iz uvjeta:

Analiza mogućih strukturnih shema za konstrukciju oscilatornih sustava omogućila je utvrđivanje da se većina temeljnih ograničenja svojstvenih dvopolvalnoj strukturnoj shemi oscilatornog sustava može eliminirati korištenjem oscilatornih sustava koji kombiniraju piezoelektrični pretvarač i koncentrator. s visokim faktorom pojačanja i radnim alatom bilo koje veličine u poluvalnoj strukturnoj shemi.

Oscilatorni sustav izrađen prema poluvalnoj konstruktivnoj shemi je jedan rezonantni oscilatorni sustav i sve promjene njegovih parametara dovode samo do neusklađenosti s elektroničkim generatorom. Nepostojanje praktičnih dizajna ovakvih oscilatornih sustava posljedica je nemogućnosti njihove implementacije na temelju donedavno korištenih magnetostrikcijskih pretvarača te složenosti praktične implementacije temeljene na suvremenim piezokeramičkim elementima zbog potrebe njihovog postavljanja u maksimalno mehaničko naprezanje, a također i zbog nedostatka elektroničkih generatora sposobnih osigurati optimalne načine napajanja za takav oscilatorni sustav sa svim mogućim promjenama njegove rezonantne frekvencije (do 3...5 kHz).

Predloženo tehničko rješenje ilustrirano je na Sl.1, koja shematski prikazuje ultrazvučni oscilatorni sustav koji sadrži piezoelektrične elemente 1, reflektirajuće rezonantne jastučiće 2 i koncentrator 3. Strukturno, oscilatorni sustav se sastoji od koncentratora 3 koji se nalazi paralelno s površinom 4 tvoreći ultrazvuk. vibracije, a s njim akustički povezane pakete parnog broja serijski postavljenih piezoelektričnih elemenata 1 (slika 1 prikazuje oscilatorni sustav s dva paketa piezoelemenata). Na svakom pakiranju, koje se sastoji od parnog broja piezoelektričnih elemenata (obično dva ili četiri), nalaze se s njima akustički povezane reflektirajuće pločice 2, čija je suprotna površina u kontaktu s piezoelektričnim elementima ravna 5 ili postupno promjenjiva u duljini 6, a dimenzije i broj koraka 7 biraju se iz uvjeta za dobivanje zadane propusnosti. Koncentrator 3 ima pričvrsnu točku 8 i završava površinom 9 koja emitira ultrazvučne vibracije s radnim alatom 10. Oblikujuća 4 i zračeća 9 površina koncentratora imaju pravokutni oblik iste duljine L, a omjer njihovih poprečnih dimenzija D 1 , D 2 se odabire iz uvjeta osiguravanja zadanog dobitka koncentratora. Ukupna duljina reflektirajuće obloge 2, paketa piezoelektričnih elemenata 1 i presjeka koncentratora do točke pričvršćenja jednaka je jednoj šestini valne duljine ultrazvučnih vibracija u materijalu koncentratora. Dimenzije presjeka koncentratora, na kojem je napravljen glatki prijelaz, i presjeka s poprečnom dimenzijom koja odgovara površini zračenja, odgovaraju jednoj šestini valne duljine ultrazvučnih vibracija u materijalu koncentratora, a glatki prijelaz je napravljen radijalno. , a njegove dimenzije su odabrane iz uvjeta:

gdje je L z duljina glatkog prijelaza; D 1 , D 2 - poprečne dimenzije tvorne i zračne površine koncentratora.

Ultrazvučni oscilatorni sustav radi na sljedeći način.

Kada se električni napon napajanja dovodi iz generatora električnih oscilacija ultrazvučne frekvencije (nije prikazan na slici 1), koji odgovara prirodnoj frekvenciji oscilatornog sustava, na elektrode piezoelektričnih elemenata 1, energija električnih oscilacija se pretvara u u ultrazvučne mehaničke oscilacije zbog piezoelektričnog efekta. Te se vibracije šire u suprotnim smjerovima i odbijaju od graničnih površina reflektirajuće obloge i koncentratora (radnog alata). Budući da cijela duljina oscilatornog sustava odgovara rezonantnoj veličini (polovica valne duljine ultrazvučnih vibracija), mehaničke vibracije se oslobađaju na prirodnoj rezonantnoj frekvenciji oscilatornog sustava. Prisutnost stepenasto-radijalnog koncentratora omogućuje povećanje amplitude oscilacija površine zračenja, u usporedbi s amplitudom oscilacija, na suprotnoj površini reflektirajuće obloge u kontaktu s piezoelektričnim elementima. Veličina amplitude titranja na zračećoj površini ovisi o pojačanju koncentratora, koje se definira kao kvadrat omjera površina tvorne i zračne površine koncentratora, koje imaju pravokutni presjek iste duljine.

Attachment 8 hub 3 (slika 1) nalazi se u području blizu čvora minimalnih mehaničkih ultrazvučnih vibracija, čime se osigurava minimalno prigušenje ultrazvučnog oscilatornog sustava, tj. maksimalnu amplitudu oscilacija površine zračenja i odsutnost oscilacija na mjestima pričvršćenja oscilatornog sustava u proizvodnim linijama.

Zbog činjenice da je dobivanje analitičkih omjera geometrijskih dimenzija za praktične proračune u dizajnu oscilatornih sustava teško zbog nedostatka niza točnih podataka o širenju ultrazvučnih vibracija u tijelima promjenjivog presjeka od izmjeničnih različitih materijala, kada pri izboru parametara oscilatornog sustava korišteni su rezultati numeričke simulacije, zajedno s grafičkim ovisnostima praktičnog proučavanja oscilatornih sustava s različitim omjerima poprečnih dimenzija tvorne i zračne površine koncentratora D 1 , D 2 i presjeka oscilatora. oscilatorni sustav s različitim duljinama . Eksperimentalne studije su omogućile da se utvrdi da je maksimalni koeficijent elektromehaničke pretvorbe osiguran pod uvjetom da su piezoelektrični elementi pomaknuti iz područja minimalnih vibracija (maksimalnih mehaničkih naprezanja) na takav način da je ukupna duljina reflektirajućeg elementa. obloge, paketa piezoelemenata i sekcije koncentratora do točke pričvršćenja jednaka je jednoj šestini valne duljine ultrazvučnih vibracija u materijalu koncentratora. Odabir veličine dijela koncentratora, na kojem je napravljen glatki prijelaz jednak jednoj šestini valne duljine ultrazvučnih vibracija u materijalu koncentratora i njegov oblik, prema gornjoj formuli, osigurava potrebno pojačanje i minimalni mehanički naprezanja na prijelaznoj granici između glatkog prijelaznog dijela i presjeka s poprečnom veličinom koja odgovara površini emitiranja. Rezultati eksperimentalnih istraživanja oscilatornih sustava s različitim omjerima poprečnih dimenzija formirajućih i zračećih površina koncentratora D 1 , D 2 prikazani su na sl. 2 a, 6, c, koji prikazuje grafikone glavnih parametara oscilatorni sustav: promjena vlastite rezonantne frekvencije f(a), dobitak koeficijenta M p (b) i najveća mehanička naprezanja max (c) od polumjera glatkog prijelaza. Iz dobivenih ovisnosti utvrđeno je da se za bilo koji omjer poprečnih dimenzija formirajuće i zračne površine koncentratora D 1 , D 2 , minimalni učinak na vlastitu rezonantnu frekvenciju javlja pri

U ovom slučaju, dobitak se približava maksimalnom mogućem, a osigurano je značajno smanjenje mehaničkih naprezanja u području piezoelektričnih elemenata.

Provedena eksperimentalna istraživanja omogućila su nam da potvrdimo točnost dobivenih rezultata i da razvijemo praktične dizajne oscilatornih sustava za različite omjere poprečnih dimenzija oblikovnih i radijacijskih površina koncentratora D 1 , D 2 .

Dakle, u oscilatornom sustavu s poprečnom dimenzijom površine zračenja jednakom D 2 = 10 mm i s poprečnom dimenzijom površine koja stvara vibracije D 1 jednakom 38 mm (tj., kada se koriste najčešće korišteni prstenasti piezoelektrični elementi s vanjskim promjerom od 38 mm), razvijeni oscilatorni sustav će osigurati pojačanje ultrazvučnih vibracija koje stvaraju piezoelektrični elementi, ne manje od 11 puta (vidi sliku 2).

Slični rezultati dobiveni su i za druge vrijednosti D 2 .

Dakle, kada se koriste prstenasti piezoelektrični elementi s vanjskim promjerom od 50 mm u predloženom oscilatornom sustavu i osiguravaju pojačanje od 10 ... 15, poprečna veličina površine zračenja koncentratora D 2 može biti jednaka 16 mm.

Da bi se dobio dobitak od 10 ... 15 u stvorenom oscilatornom sustavu veličine D 2 \u003d 20 mm, D 1 će biti jednak samo 70 mm, što se također lako provodi u praksi (piezoelektrični elementi promjera 70 mm se masovno proizvode).

Dakle, uz osiguravanje amplitude oscilacije paketa od dva piezoelektrična elementa jednake 5 μm (napon napajanja ne više od 500 ... 700 V), amplituda oscilacija površine zračenja oscilatornog sustava bit će 50 ... način razvijene kavitacije u obradi tekućih i kapljevito dispergiranih medija, provedbi zavarivanja polimernih materijala i dimenzijskoj obradi čvrstih materijala.

Razvijeni ultrazvučni oscilatorni sustav omogućio je učinkovitost (faktor elektroakustičke pretvorbe) od najmanje 75% (pri zračenju u vodu).

Implementacija reflektirajuće obloge s postupno promjenjivom uzdužnom veličinom (tj. izvedba suprotne površine u kontaktu s piezoelektričnim elementima je postupno promjenjivog promjera), omogućuje vam stvaranje nekoliko različitih rezonantnih veličina duž duljine oscilatornog sustava. Svaka od ovih rezonantnih veličina odgovara vlastitoj rezonantnoj frekvenciji mehaničkih vibracija. Izborom broja i veličine koraka moguće je dobiti potrebnu propusnost (tj. osigurati rad oscilatornog sustava u frekvencijskom području određenom najvećim i najmanjim uzdužnim dimenzijama reflektirajuće obloge).

Tehnički rezultat izuma izražava se u povećanju učinkovitosti ultrazvučnog oscilatornog sustava (povećanje amplitude oscilacija unesenih u različite medije) osiguravanjem optimalne koordinacije s medijem i elektroničkim generatorom. Ukupna uzdužna dimenzija oscilatornog sustava smanjena je 2 puta, a težina 4 puta u usporedbi s prototipom.

Ultrazvučni oscilatorni sustav razvijen u laboratoriju akustičkih procesa i aparata Tehnološkog instituta Biysk Državnog tehničkog sveučilišta Altai prošao je laboratorijska i tehnička ispitivanja i praktično je implementiran kao dio instalacije za izradu uzdužnog šava duljine 360 ​​mm pri pečaćenju vrećica za pakiranje rasutih proizvoda.

Serijska proizvodnja stvorenih oscilatornih sustava planirana je za 2005. godinu.

Izvori informacija

1. US patent br. 3113225, 1963

2. US patent br. 4607185, 1986

3. US patent br. 4651043, 1987

4. US patent br. 4363992 (prototip), 1982

5. Ultrazvučna tehnologija. ur. B.A. Agranat. - M.: Metalurgija, 1974.

6. Khmelev V.N., Popova O.V. Višenamjenski ultrazvučni uređaji i njihova primjena u maloj proizvodnji, poljoprivredi i kućanstvu. Barnaul, Izdavačka kuća AltGTU, 1997., 160 str.

ZAHTJEV

Ultrazvučni oscilatorni sustav koji sadrži piezoelektrične elemente i koncentrator, naznačen time što se sastoji od koncentratora paralelnog s površinom koji stvara ultrazvučne vibracije i akustički povezanih paketa parnog broja piezoelektričnih elemenata ugrađenih u seriju, na kojima se nalaze reflektirajuće pločice akustično povezane s njih, nasuprot kontaktnoj.s piezoelektričnim elementima, čija je površina izrađena ravnom ili stepenasto promjenjivog promjera, a dimenzije i broj koraka odabrani su iz uvjeta za dobivanje zadane širine pojasa, koncentrator ima točku pričvršćenja. i završava s površinom koja emitira ultrazvučne vibracije s radnim alatom, formirajuća i zračna površina koncentratora su pravokutnog presjeka iste duljine, a omjer njihovih poprečnih dimenzija odabran je iz uvjeta osiguravanja zadanog faktora pojačanja od koncentrator, ukupna duljina reflektirajućeg n obloge, paketa piezoelektričnih elemenata i presjeka koncentratora na točku pričvršćenja jednaka je jednoj šestini valne duljine ultrazvučnih vibracija u materijalu koncentratora, dimenzija sekcije koncentratora, na kojoj je napravljen glatki prijelaz, i presjek s poprečnom dimenzijom koja odgovara površini koja zrači, odgovara šestini valne duljine ultrazvučnih vibracija u koncentratoru materijala, a glatki prijelaz je radijalan, a njegove dimenzije su odabrane iz uvjeta

gdje je L z duljina glatkog prijelaza;

D1, D2 - poprečne dimenzije tvorbenih i zračećih površina koncentratora.

Za proračun ultrazvučnog transformatora brzine, čiju ulogu u razmatranoj shemi ima stepenasti koncentrator, koristit ćemo se općim oblikom jednadžbe za uzdužne vibracije (2.1). Budući da i u ovom slučaju vrijedi pretpostavka da koncentrator ima vlastitu frekvenciju i da izvodi harmonijske oscilacije, rješenje jednadžbe (2.1) može se prikazati kao

Slično, za cilindar koji je po masi ekvivalentan dijamantnoj glavi za poliranje s elementima za pričvršćivanje na koncentrator vibracija, možemo napisati

, (2.18)

gdje od 4- brzina zvuka u materijalu cilindra, ekvivalentna masi alata za glačanje sa spojnicama.

Rubni uvjeti za oscilatorni sustav s ishodištem u točki O 2 može se napisati kao

Na ; (2.19)

u ; (2,20)

za , (2.21)

gdje E 4 - vlačni modul materijala konstrukcijskog elementa glave za glačanje; S 3 i S 4 su površine poprečnog presjeka stope koncentratora, malog promjera, odnosno ekvivalentnog cilindra; a 2- duljina stupnja malog promjera koncentratora; b je visina ekvivalentnog cilindra.

Pod uvjetom (2.19) iz jednadžbe (2.17) dobivamo

;

. (2.22)

Uzimajući u obzir prvi dio uvjeta (2.20), iz jednadžbi (2.17) i (2.18) dobivamo

Drugi dio uvjeta (2.20) može se transformirati u oblik

. (2.24)

Duljina koraka većeg promjera koncentratora određuje se iz izraza (2.27), uzimajući u obzir da, zbog nepostojanja opterećenja u obliku dijamantne glave za poliranje sa spojnicama na kraju stepenastog koncentratora, i :

. (2.28)

Za transformator brzine s 1/2-valnim akustičnim sustavom, kada je duljina jednog koraka 1/4 i , imamo

Za cilindar koji je po masi ekvivalentan glavi za glačanje sa spojnicama, možemo napisati

. (2.30)

. (2.31)

b) 3/4 - valni ultrazvučni pogon vibracija

Oscilatorni sustav takvog pogona ima jednu moguću točku pričvršćivanja, koja omogućuje smanjenje duljine pogona za 1/4 akustičnog vala. Radi mogućnosti krutog pričvršćivanja, piezoelektrični kompozitni pretvornik u takvom krugu obično se izrađuje asimetrično (slika 2.3). U ovom slučaju stupanj manjeg promjera transformatora brzine s alatom za glačanje spojen je izravno na oscilacijski antinod koji se nalazi na kraju kompozitnog pretvarača. Stoga se ovaj stupanj treba smatrati opterećenjem piezoelektričnog pretvarača, što, prema tome, nameće značajke proračunu jednog od njegovih slojeva za smanjenje frekvencije.

Za slučaj harmonijskih oscilacija pogona, u skladu s projektnom shemom (sl. 2.3), rješenje opće jednadžbe (2.1) uzdužnih oscilacija može se napisati kao

, (2.32)

. (2.33)

Rubni uvjeti u skladu s projektnom shemom mogu se prikazati kao