Konsentrator dan pandu gelombang getaran ultrasonik. Perhitungan konsentrator untuk instalasi pengelasan mikro ultrasonik. Perhitungan iluminasi buatan

KERJA #3

Objektif:

penentuan bentuk optimal dan perhitungan parameter dan dimensi geometris pandu gelombang - konsentrator untuk pemrosesan bahan ultrasonik.

Ketentuan Teoritis

Kelas Bahan	Diameter ujung input pandu gelombang D (mm)	Diameter ujung keluaran pandu gelombang d (mm)	Panjang resonansi L	Bidang nodal X 0	Dapatkan K y	Frekuensi resonansi (KHz)

Bagian praktis:

Langkah perhitungan pandu gelombang:

f adalah frekuensi resonansi.

V adalah kecepatan suara.

X 0 \u003d L / 2; X 0 - posisi bidang nodal - tempat perlekatan pandu gelombang

K y \u003d N 2 \u003d (D / d) 2, di mana D dan d adalah diameter ujung input dan output dari pandu gelombang

Baja: V = 5100

Titanium: V = 5072

Larutan:

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

Kesimpulan:

Dalam karya ini, kami berkenalan dengan konsentrator ultrasonik dengan pandu gelombang bertahap. Waveguide dihitung dengan memecahkan persamaan diferensial yang menggambarkan proses osilasi, asalkan osilasi bersifat harmonik. Dalam proses kerja, diameter ujung input dan output dari pandu gelombang ditemukan. Koefisien penguatan sinyal tergantung pada diameternya.

Pekerjaan #4

Waveguides - konsentrator - pemancar energi mekanik frekuensi ultrasonik ke zona pemrosesan material

Objektif:

penentuan bentuk optimal dan perhitungan parameter dan dimensi geometris pandu gelombang-konsentrator untuk pemrosesan bahan ultrasonik.

Ketentuan Teoritis

Masukan energi getaran ultrasonik ke dalam bahan yang diproses dilakukan oleh kompleks instrumen pandu gelombang. Mekanisme interaksi dengan materi dibahas di bawah, di bagian selanjutnya. Bagian ini membahas metode tipikal untuk menghitung bentuk pandu gelombang yang paling umum dan jenis pahat yang digunakan dalam pemrosesan sambungan las.

Dari sejumlah parameter yang mencirikan sifat pandu gelombang, yang paling penting adalah kecepatan getaran, tegangan, dan daya yang dapat ditransfer alat ke zona pemrosesan. Menurut skema yang disederhanakan, untuk nilai tertentu dari amplitudo kecepatan getaran, perhitungan pandu gelombang dikurangi untuk menentukan panjang resonansinya, area input dan output, dan tempat pemasangannya.

Rumus untuk menghitung pandu gelombang dari solusi persamaan diferensial yang menggambarkan proses osilasi, asalkan osilasi bersifat harmonik, muka gelombang datar, dan gelombang merambat hanya sepanjang sumbu pandu gelombang tanpa kehilangan.

Peralatan dan instrumen laboratorium

Saat melakukan lokakarya laboratorium untuk membiasakan siswa dengan peralatan dan lebih memahami prinsip pengoperasian kit ultrasonik oleh siswa, dudukan laboratorium memiliki berbagai pilihan pandu gelombang (hub) yang digunakan dengan transduser dengan berbagai bentuk dan kekuatan.

Waveguides yang tersedia mewakili sekelompok 4 bentuk paling umum dan terbuat dari bahan yang transparan secara akustik dan memiliki karakteristik kekuatan yang diperlukan.

Untuk memudahkan persepsi materi, pandu gelombang dibuat dengan alat kerja yang dipasang di atasnya - ujung dan tanpa ujung.

Bagian praktis:

Perhitungan pandu gelombang berbentuk kerucut

L= /2 * kl/ , di mana kl adalah akar-akar persamaan

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

2П / = k – bilangan gelombang

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

K y \u003d 1+ (2P * 1 / ) 2

Larutan:

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

Kesimpulan:

Dalam karya ini, kami berkenalan dengan konsentrator ultrasonik dengan pandu gelombang berbentuk kerucut. Waveguide dihitung dengan memecahkan persamaan diferensial yang menggambarkan proses osilasi, asalkan osilasi bersifat harmonik. Dalam proses kerja, diameter ujung input dan output dari pandu gelombang ditemukan. Koefisien penguatan sinyal tergantung pada diameternya.

Pemandu gelombang ini banyak digunakan untuk memproses struktur logam di tempat sambungan las, sehingga sangat penting untuk menghitung dengan benar parameter alat untuk mentransmisikan frekuensi sinyal yang diinginkan.

Untuk mentransmisikan getaran ultrasonik dari transduser ke alat kerja atau ke lingkungan kerja dalam instalasi ultrasonik, digunakan konsentrator dan pemandu gelombang; yang terakhir memiliki luas penampang konstan dan bentuk silinder.

Waveguides digunakan ketika tidak perlu memperkuat amplitudo osilasi transduser. Hub adalah transformator kecepatan; mereka memiliki luas penampang variabel yang lebih sering berbentuk silinder. Karena penampang ini, mereka mengubah getaran ultrasonik amplitudo rendah yang dilaporkan oleh transduser dan terkonsentrasi pada ujung inputnya menjadi getaran dengan amplitudo yang lebih besar di ujung output. Yang terakhir dilaporkan ke badan kerja (instrumen) unit ultrasonik. Amplifikasi amplitudo terjadi karena perbedaan area ujung input dan output konsentrator - area ujung pertama (input) konsentrator selalu lebih banyak area kedua.

Waveguides dan konsentrator harus beresonansi, yaitu panjangnya harus kelipatan dari bilangan bulat setengah gelombang (λ/2). Dalam kondisi ini, peluang terbaik diciptakan untuk mencocokkannya dengan sumber daya, sistem osilasi secara keseluruhan dan massa yang melekat padanya (alat kerja).

Beras. 14. Konsentrator setengah panjang gelombang

Dalam ultrasonik instalasi teknologi eksponensial (Gbr. 14, a), kerucut (Gbr. 14, b) dan konsentrator bertahap paling banyak digunakan. Yang terakhir dilakukan dengan flensa (Gbr. 14, c) atau tanpa itu (Gbr. 14, d). Ada juga konsentrator berbentuk kerucut dengan flensa (misalnya, dalam konverter tipe PMS-15A-18), serta konsentrator gabungan, di mana langkah-langkahnya memiliki bentuk yang berbeda.

Konsentrator dan pandu gelombang dapat menjadi bagian integral dari sistem osilasi atau elemen yang dapat diganti. Dalam kasus pertama, mereka disolder langsung ke konverter. Hub yang dapat diganti dihubungkan ke sistem osilasi (misalnya, dengan flensa adaptor) melalui ulir.

Untuk konsentrator, luas penampang berubah menurut pola tertentu. Karakteristik utama mereka adalah gain teoritis K, menunjukkan berapa kali amplitudo osilasi ujung keluarannya lebih besar daripada amplitudo pada ujung masukan. Koefisien ini tergantung pada rasio N dari diameter inlet D1 dan outlet D2 ujung konsentrator: N=D1/D2.

Penguatan amplitudo tertinggi untuk nilai N yang sama disediakan oleh konsentrator bertahap. Dia memiliki K=N2. Ini menjelaskan meluasnya penggunaan konsentrator tipe langkah di berbagai perangkat ultrasonik. Selain itu, konsentrator ini lebih mudah dibuat daripada yang lain, yang terkadang merupakan kondisi terpenting untuk keberhasilan penerapan pemrosesan ultrasonik. Perhitungan konsentrator bertahap jauh lebih sederhana daripada jenis konsentrator lainnya.

Nilai faktor amplifikasi amplitudo dari konsentrator bertahap diperhitungkan dengan mempertimbangkan pencegahan kemungkinan getaran lateral, yang diamati pada faktor amplifikasi tinggi (K> 8...10), serta data kekuatannya. Dalam praktiknya, penguatan hub bertahap diasumsikan dari empat hingga enam.

Panjang resonansi dari konsentrator bertahap lp ditentukan dari ekspresi lp=a/2=C/2f, di mana X adalah panjang gelombang dalam batang penampang konstan, cm; - kecepatan gelombang longitudinal (untuk baja =5100 m/s); f - frekuensi resonansi, Hz.

Dalam pemasangan kabel di SPP untuk elektronika daya, UZS terutama digunakan. Parameter utama proses dengan metode pengelasan mikro ini adalah: amplitudo osilasi ujung kerja alat, yang tergantung pada daya listrik konverter dan desain sistem osilasi; kekuatan kompresi elemen yang dilas; durasi masuknya getaran ultrasonik (waktu pengelasan).

Inti dari metode USS terletak pada terjadinya gesekan pada antarmuka antara unsur-unsur yang akan disambung, mengakibatkan hancurnya oksida dan film yang teradsorpsi, pembentukan kontak fisik dan pengembangan pusat kejang antara bagian-bagian yang akan disambung.

Konsentrator ultrasonik adalah salah satu elemen utama dari sistem osilasi instalasi microwelding. Konsentrator dibuat dalam bentuk sistem batang dengan penampang yang berubah dengan mulus, karena area radiasi transduser selalu jauh lebih besar daripada area sambungan las. Konsentrator dihubungkan ke transduser dengan penampang masukan yang besar, dan instrumen ultrasonik dipasang pada penampang keluaran yang lebih kecil. Tujuan dari konsentrator adalah transmisi getaran ultrasonik dari transduser ke instrumen ultrasonik dengan kerugian paling kecil dan yang paling efisien.

Dikenal dalam teknologi ultrasonik sejumlah besar jenis konsentrator. Yang paling banyak digunakan adalah sebagai berikut: melangkah, eksponensial, kerucut, catenoid dan konsentrator dari tipe "silinder-catenoid". Dalam sistem instalasi osilasi, konsentrator berbentuk kerucut sering digunakan. Ini karena fakta bahwa mereka mudah dihitung dan dibuat. Namun, dari lima hub yang tercantum di atas, hub berbentuk kerucut memiliki kerugian tertinggi karena gesekan internal, menghilangkan daya paling banyak, dan karenanya lebih panas. Konsentrator dengan nilai rasio diameter inlet dan outlet terkecil untuk gain K y yang sama memiliki stabilitas terbaik. Juga diinginkan bahwa panjang "setengah panjang gelombang"-nya menjadi yang terkecil. Untuk keperluan pengelasan mikro, konsentrator dengan 2

Bahan konsentrator harus memiliki kekuatan lelah yang tinggi, kehilangan yang rendah, kemampuan solder yang baik, pemrosesan yang mudah, dan relatif murah.

Perhitungan konsentrator ultrasonik direduksi untuk menentukan panjangnya, bagian inlet dan outlet, dan bentuk profil permukaan sampingnya. Saat menghitung, asumsi berikut diperkenalkan: a) gelombang bidang merambat di sepanjang konsentrator; b) osilasi bersifat harmonik; c) hub berosilasi hanya di sepanjang garis tengah; d) rugi-rugi mekanis dalam konsentrator kecil dan secara linier bergantung pada amplitudo osilasi (deformasi).

Keuntungan Teoretis K y amplitudo osilasi konsentrator eksponensial ditentukan dari ekspresi

di mana D0 dan D1 adalah diameter bagian inlet dan outlet dari konsentrator, masing-masing, mm; N- rasio diameter bagian saluran masuk konsentrator ke saluran keluar.

Panjang konsentrator dihitung dengan rumus

(2)

di mana Dengan adalah kecepatan rambat getaran ultrasonik dalam bahan konsentrator, mm/s; f– frekuensi operasi, Hz.

Posisi bidang nodal x 0(di mana pandu gelombang terpasang) dinyatakan oleh relasi

(3)

Generatrix profil bagian catenoid dari konsentrator dihitung dengan persamaan

(4)

di mana adalah faktor bentuk dari generatrix; X– koordinat arus sepanjang panjang konsentrator, mm.

Dalam karya ini, sebuah program komputer dikembangkan untuk menghitung parameter lima jenis konsentrator ultrasonik: eksponensial, melangkah, kerucut, catenoidal, dan konsentrator "silinder-cathenoid", diimplementasikan dalam Pascal (kompiler Turbo-Pascal-8.0). Data awal untuk perhitungan adalah: diameter bagian inlet dan outlet ( D0 dan D1), frekuensi operasi ( f) dan kecepatan rambat getaran ultrasonik dalam bahan konsentrator (c). Program ini memungkinkan Anda untuk menghitung panjang, posisi bidang nodal, gain, serta untuk eksponensial, catenoid dan konsentrator "silinder-catenoid" bentuk generatrix dengan langkah yang diberikan. Diagram blok dari algoritma untuk menghitung konsentrator eksponensial ditunjukkan pada gambar. 6.9.

Contoh perhitungan. Hitung parameter konsentrator eksponensial setengah gelombang jika frekuensi operasi diberikan f= 66kHz; diameter masuk D0= 18 mm, keluaran D1= 6mm; bahan konsentrator - baja 30KhGSA (kecepatan ultrasonik dalam bahan Dengan= 5,2 10 6 mm/s).

Menurut rumus (1), kami menentukan penguatan konsentrator .

Beras. 6.9. Diagram struktural dari algoritma untuk menghitung konsentrator eksponensial

Sesuai dengan ekspresi (2) dan (3), panjang konsentrator , posisi bidang nodal mm.

Persamaan (4) untuk menghitung bentuk profil konsentrator mengambil bentuk berikut setelah substitusi:

Perhitungan menggunakan program komputer dari profil generatrix dari konsentrator eksponensial dengan langkah dalam parameter X, sama dengan 5 mm, diberikan dalam tabel. 6.1. Menurut Tabel. 6.1, profil hub dibangun.

tab. 6.1. Data Perhitungan Profil Konsentrator

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

Di meja. 6.2 menunjukkan hasil perhitungan parameter berbagai jenis konsentrator ultrasonik yang terbuat dari baja 30KhGSA (dengan D0= 18mm; D1= 6mm; f= 66kHz).

tab. 6.2. Parameter konsentrator ultrasonik

* l 1 dan l 2 adalah panjang bagian silinder dan catenoidal dari konsentrator, masing-masing.

Invensi ini berkaitan dengan teknologi ultrasonik, yaitu struktur sistem getar ultrasonik. Hasil teknis dari penemuan ini adalah untuk meningkatkan amplitudo osilasi sambil mengurangi konsumsi energi, mengurangi dimensi dan berat keseluruhan. Sistem osilasi ultrasonik terbuat dari paket elemen piezoelektrik yang terletak di permukaan konsentrator yang membentuk getaran. Pada paket elemen piezoelektrik ada bantalan reflektif, yang permukaannya, berlawanan dengan elemen piezoelektrik, dibuat datar atau variabel bertahap dengan diameter. Konsentrator memiliki titik lampiran dan diakhiri dengan permukaan dengan alat kerja. Permukaan pembentuk dan pancaran konsentrator memiliki bentuk persegi panjang dengan panjang yang sama pada penampang, dan rasio dimensi transversalnya dipilih dari kondisi memastikan faktor penguatan konsentrator yang diberikan. Panjang total lapisan reflektif, paket elemen piezoelektrik dan bagian konsentrator ke titik lampiran sama dengan seperenam dari panjang gelombang getaran ultrasonik. Panjang bagian konsentrator, di mana transisi radial halus dilakukan, dan bagian dengan ukuran melintang yang sesuai dengan permukaan yang memancar, sama dengan seperenam panjang gelombang getaran ultrasonik. 2 sakit.

Gambar untuk paten RF 2284228

Invensi ini berkaitan dengan teknologi ultrasonik, yaitu desain sistem osilasi ultrasonik, dan dapat digunakan dalam perangkat teknologi yang dirancang untuk memproses volume besar media terdispersi cair dan cair, untuk memastikan bahwa permukaan besar terkena getaran ultrasonik amplitudo tinggi, misalnya, dalam perangkat aliran atau dalam implementasi tekan jahitan-langkah pengelasan (pembentukan jahitan penyegelan yang sangat panjang).

Setiap peralatan teknologi ultrasonik mencakup sumber osilasi listrik frekuensi tinggi (generator elektronik) dan sistem osilasi ultrasonik.

Sistem osilasi ultrasonik terdiri dari transduser piezoelektrik dan konsentrator dengan alat kerja. Dalam transduser ultrasonik dari sistem osilasi, energi getaran listrik diubah menjadi energi getaran elastis frekuensi ultrasonik. Konsentrator dibuat dalam bentuk sosok tiga dimensi dari penampang variabel yang terbuat dari logam, di mana rasio area permukaan yang bersentuhan dengan transduser dan diakhiri dengan alat kerja (memancarkan getaran ultrasonik) menentukan yang diperlukan faktor amplifikasi.

Sistem osilasi ultrasonik yang dikenal dengan area permukaan pancaran yang luas. Semua sistem osilasi yang dikenal dibuat sesuai dengan skema konstruktif yang menggabungkan transduser setengah gelombang piezoelektrik atau magnetostriktif dan konsentrator resonansi (kelipatan setengah panjang gelombang getaran ultrasonik) dari getaran ultrasonik. Ukuran longitudinalnya sesuai dengan panjang gelombang getaran ultrasonik, dan ukuran melintang melebihi setengah panjang getaran ultrasonik dalam bahan konsentrator.

Kerugian dari analog adalah distribusi kompleks amplitudo osilasi pada permukaan yang memancar karena rasio Poisson dari bahan konsentrator, yang tidak memungkinkan untuk tindakan ultrasonik yang sama di sepanjang seluruh permukaan yang memancar, misalnya, ketika memperoleh kualitas tinggi. jahitan diperpanjang.

Yang paling dekat, dalam hal esensi teknis, dengan solusi teknis yang diusulkan adalah sistem getar ultrasonik menurut paten AS 4363992 yang diadopsi sebagai prototipe.

Sistem osilasi ultrasonik terdiri dari beberapa transduser piezoelektrik setengah gelombang yang dipasang pada salah satu permukaan (membentuk getaran ultrasonik) konsentrator, diakhiri dengan ujung kerja (alat) dengan bentuk dan ukuran tertentu. Transduser dibuat dalam bentuk overlay pengurang frekuensi belakang yang dipasang seri dan saling berhubungan secara akustik, paket elemen piezoelektrik cincin dalam jumlah genap dan overlay pemancar pengurang frekuensi. Permukaan pemancar transduser secara akustik terhubung ke permukaan konsentrator yang membentuk getaran ultrasonik. Ukuran longitudinal konsentrator sesuai dengan setengah panjang gelombang getaran ultrasonik dalam bahan konsentrator. Konsentrator dibuat dalam bentuk sosok tiga dimensi penampang variabel yang terbuat dari logam, di mana perbandingan luas permukaan yang bersentuhan dengan transduser (membentuk getaran ultrasonik) dan diakhiri dengan alat kerja (memancarkan ultrasonik) getaran) menentukan penguatan yang diperlukan.

Konsentrator memiliki alur yang memungkinkan untuk menghilangkan distribusi amplitudo osilasi yang tidak merata di sepanjang permukaan radiasi konsentrator (yaitu, untuk mengecualikan deformasi konsentrator yang tegak lurus terhadap arah gaya). Hal ini memungkinkan untuk memberikan efek ultrasonik yang sama di sepanjang seluruh permukaan yang memancar.

Prototipe memungkinkan Anda untuk menghilangkan sebagian kekurangan dari sistem osilasi yang diketahui, tetapi memiliki kelemahan signifikan umum berikut.

1. Sistem osilasi ultrasonik yang terkenal, terdiri dari transduser ultrasonik dan konsentrator, adalah sistem resonansi. Ketika frekuensi resonansi transduser dan konsentrator bertepatan, amplitudo maksimum getaran ultrasonik dari alat kerja dan, dengan demikian, input energi maksimum ke dalam media yang diproses dipastikan. Saat menerapkan proses teknologi, alat kerja dan bagian dari konsentrator direndam dalam berbagai media teknologi atau mengalami tekanan statis pada permukaan yang memancar. Pengaruh berbagai media teknologi atau tekanan eksternal setara dengan munculnya massa tambahan yang melekat pada permukaan radiasi konsentrator dan menyebabkan perubahan frekuensi resonansi alami konsentrator dan seluruh sistem osilasi secara keseluruhan. Dalam hal ini, pencocokan frekuensi optimal dari konverter dan konsentrator dilanggar. Ketidakcocokan antara transduser ultrasonik dan konsentrator menyebabkan penurunan amplitudo osilasi permukaan radiasi (alat kerja) dan penurunan energi yang dimasukkan ke dalam media.

Untuk menghilangkan kekurangan ini, dalam desain dan pembuatan sistem osilasi, ketidakcocokan awal konverter dan konsentrator dalam hal frekuensi resonansi dilakukan sehingga ketika beban muncul dan frekuensi alami konsentrator berkurang, itu sesuai dengan frekuensi alami. frekuensi konverter dan memastikan masukan energi maksimum. Ini secara signifikan membatasi ruang lingkup sistem osilasi ultrasonik seperti itu dan tidak mencukupi, karena di sebagian besar proses teknologi yang diterapkan, nilai massa tambahan berubah (misalnya, transisi dari media air atau minyak ke emulsinya, kemunculan dan pengembangan proses kavitasi yang mengarah pada pembentukan awan gelembung gas-uap dan mengurangi massa tambahan dalam media cair apa pun) selama implementasi proses itu sendiri, yang mengarah pada penurunan efisiensi input getaran ultrasonik.

2. Masalah pencocokan optimal transduser dan konsentrator dalam frekuensi diperburuk oleh kebutuhan untuk mencocokkan impedansi gelombang media cair dan terdispersi cair dengan bahan piezoceramic padat dari transduser. Untuk pencocokan optimal, penguatan konsentrator harus 10-15. Keuntungan tinggi seperti itu hanya dapat diperoleh dengan konsentrator bertahap, tetapi, pada keuntungan seperti itu, mereka memperburuk ketergantungan frekuensi resonansi alami pada beban, memerlukan bagian keluaran kecil dengan panjang yang signifikan (sesuai dengan seperempat panjang gelombang getaran ultrasonik. dalam bahan konsentrator), yang mengarah pada pengurangan permukaan yang memancar, hilangnya stabilitas dinamis dan munculnya getaran lentur. Untuk alasan ini, sistem osilasi yang digunakan dalam praktik memiliki penguatan tidak lebih dari 3...5, yang membuatnya tidak cocok untuk memberikan efek ultrasonik intensitas tinggi pada berbagai media teknologi.

Selain kerugian utama karena skema desain yang diterapkan untuk membangun sistem osilasi, prototipe memiliki beberapa kelemahan karena fitur teknologi dan operasional pembuatan dan penggunaannya.

1. Sistem getar ultrasonik dengan dua atau lebih transduser piezoelektrik (berdiameter hingga 40...50 mm) dapat memiliki panjang permukaan pancaran lebih dari 200...250 mm dan lebar lebih dari 5 mm. Dalam hal ini, frekuensi resonansi alami dari transduser piezoelektrik berbeda, yang disebabkan oleh perbedaan parameter listrik dan geometris elemen piezoelektrik, lapisan penurun frekuensi, perbedaan gaya kompresi selama perakitan transduser, dll., yang diperbolehkan menurut peraturan dan dokumentasi desain. Dalam hal ini, eksitasi getaran mekanis dari konsentrator resonansi dilakukan oleh konverter dengan frekuensi operasi yang berbeda, beberapa di antaranya tidak sesuai dengan frekuensi resonansi konsentrator. Sangat sulit untuk melakukan koordinasi dalam sistem osilasi dengan beberapa konverter dengan frekuensi berbeda dan konsentrator bertahap dengan penguatan maksimum. Karena ini mengurangi efisiensi perawatan ultrasonik, bahkan dibandingkan dengan sistem osilasi dengan ukuran yang sama, tetapi dengan satu transduser.

2. Ketidakmungkinan membuat permukaan pancaran profil kompleks (misalnya, untuk pembentukan dua lasan secara simultan dan memotong material di antara keduanya), karena dalam hal ini setiap dimensi longitudinal menentukan frekuensi resonansi konsentratornya sendiri, yang tidak sesuai dengan frekuensi resonansi transduser (hanya satu operasi yang dilakukan secara efektif - membentuk bahan jahitan atau pemotongan).

3. Ketidakmungkinan menciptakan sistem osilasi ultrasonik dengan bandwidth yang diperpanjang, dibandingkan dengan sistem resonansi.

4. Sistem osilasi dua setengah gelombang dengan frekuensi operasi 22 kHz memiliki dimensi longitudinal paling sedikit 250 mm dan, dengan panjang permukaan pancaran 350 mm, beratnya paling sedikit 10 kg. Dalam hal ini, pemasangan sistem osilasi dilakukan di area getaran minimum: baik di tengah konverter, atau di tengah konsentrator. Pengikatan ini menyebabkan stabilitas mekanis yang rendah dan ketidakmungkinan untuk memastikan keakuratan benturan. Pengikatan optimal di pusat massa tidak dapat dipastikan karena amplitudo besar osilasi mekanis dan redaman sistem osilasi yang tak terhindarkan.

Kekurangan yang terungkap dari prototipe menyebabkan efisiensinya yang tidak mencukupi, membatasi fungsionalitas, yang membuatnya tidak cocok untuk digunakan dalam produksi otomatis berkinerja tinggi.

Solusi teknis yang diusulkan ditujukan untuk menghilangkan kekurangan sistem osilasi yang ada dan menciptakan sistem osilasi baru yang mampu memberikan radiasi getaran ultrasonik dengan distribusi amplitudo yang seragam di sepanjang permukaan radiasi konsentrator (alat kerja) dengan efisiensi maksimum untuk semua kemungkinan. beban dan perubahan sifat media yang diproses dan parameter sistem osilasi, yaitu, pada akhirnya, memberikan peningkatan produktivitas proses yang terkait dengan paparan ultrasonik sekaligus mengurangi konsumsi energi.

Inti dari solusi teknis yang diusulkan terletak pada kenyataan bahwa sistem osilasi ultrasonik yang mengandung elemen piezoelektrik dan konsentrator terbuat dari konsentrator dan paket sejumlah elemen piezoelektrik yang dipasang secara seri disusun secara paralel pada permukaan konsentrator dan terhubung secara akustik. untuk itu. Pada paket elemen piezoelektrik terdapat bantalan reflektif yang terhubung secara akustik dengan elemen piezoelektrik. Permukaan yang berlawanan yang bersentuhan dengan elemen piezoelektrik dibuat datar atau variabel bertahap dengan diameter, dan dimensi dan jumlah langkah dipilih dari kondisi untuk mendapatkan bandwidth yang diberikan. Konsentrator memiliki unit pengikat dan diakhiri dengan permukaan yang memancarkan getaran ultrasonik dengan alat kerja. Permukaan pembentuk dan pancaran konsentrator memiliki bentuk persegi panjang dengan panjang yang sama pada penampang, dan rasio dimensi transversalnya dipilih dari kondisi memastikan faktor penguatan konsentrator yang diberikan. Panjang total lapisan reflektif, paket elemen piezoelektrik dan bagian konsentrator hingga titik pemasangan sama dengan seperenam panjang gelombang getaran ultrasonik dalam bahan konsentrator. Dimensi bagian konsentrator, di mana transisi halus dibuat, dan bagian dengan dimensi melintang yang sesuai dengan permukaan radiasi, sama dengan seperenam dari panjang gelombang getaran ultrasonik dalam bahan konsentrator, dan transisi halus dibuat. radial, dan dimensinya dipilih dari kondisi:

Analisis skema struktural yang mungkin untuk membangun sistem osilasi memungkinkan untuk menetapkan bahwa sebagian besar batasan mendasar yang melekat dalam skema struktural dua setengah gelombang dari sistem osilasi dapat dihilangkan dengan menggunakan sistem osilasi yang menggabungkan transduser piezoelektrik dan konsentrator dengan faktor penguatan tinggi dan alat kerja ukuran apa pun dalam skema struktur setengah gelombang. .

Sistem osilasi yang dibuat sesuai dengan skema konstruktif setengah gelombang adalah sistem osilasi resonansi tunggal dan semua perubahan parameternya hanya menyebabkan ketidakcocokan dengan generator elektronik. Tidak adanya desain praktis dari sistem osilasi semacam itu disebabkan oleh ketidakmungkinan penerapannya berdasarkan transduser magnetostriktif yang digunakan, hingga saat ini, dan kompleksitas implementasi praktis berdasarkan elemen piezoceramic modern karena kebutuhan untuk menempatkannya secara maksimal. tekanan mekanis, dan juga karena kurangnya generator elektronik yang mampu menyediakan mode catu daya yang optimal untuk sistem osilasi seperti itu dengan semua kemungkinan perubahan dalam frekuensi resonansinya (hingga 3...5 kHz).

Solusi teknis yang diusulkan diilustrasikan pada Gambar.1, yang secara skematis menunjukkan sistem osilasi ultrasonik yang mengandung elemen piezoelektrik 1, bantalan resonansi reflektif 2 dan konsentrator 3. Secara struktural, sistem osilasi terbuat dari konsentrator 3 yang terletak paralel pada permukaan 4 membentuk getaran ultrasonik, dan secara akustik terkait dengannya paket elemen piezoelektrik seri 1 yang dipasang seri dalam jumlah genap (gambar 1 menunjukkan sistem osilasi dengan dua paket elemen piezoelektrik). Pada setiap paket, yang terdiri dari elemen piezoelektrik dalam jumlah genap (biasanya dua atau empat), ada bantalan reflektif 2 yang diasosiasikan secara akustik, permukaan yang berlawanan yang bersentuhan dengan elemen piezoelektrik dibuat datar 5 atau variabel bertahap dalam panjang 6, dan dimensi dan jumlah langkah 7 dipilih dari kondisi untuk mendapatkan bandwidth yang diberikan. Konsentrator 3 memiliki unit pengencang 8 dan diakhiri dengan permukaan 9 yang memancarkan getaran ultrasonik dengan alat kerja 10. Permukaan konsentrator 4 pembentuk dan pemancar 9 memiliki bentuk persegi panjang dengan panjang yang sama L, dan rasio dimensi melintangnya D1, D2 dipilih dari kondisi memastikan faktor penguatan yang diberikan dari konsentrator. Panjang total lapisan reflektif 2, paket elemen piezoelektrik 1 dan bagian konsentrator ke titik lampiran sama dengan seperenam panjang gelombang getaran ultrasonik dalam bahan konsentrator. Dimensi bagian konsentrator tempat transisi halus terjadi, dan bagian dengan dimensi melintang yang sesuai dengan permukaan yang memancar, sesuai dengan seperenam panjang gelombang getaran ultrasonik dalam bahan konsentrator, dan transisi halus dibuat radial, dan dimensinya dipilih dari kondisi:

di mana L z adalah panjang transisi mulus; D 1 , D 2 - dimensi melintang dari permukaan konsentrator yang membentuk dan memancar.

Sistem osilasi ultrasonik beroperasi sebagai berikut.

Ketika tegangan suplai listrik disuplai dari generator osilasi listrik frekuensi ultrasonik (tidak ditunjukkan pada gambar 1), sesuai dengan frekuensi alami sistem osilasi, ke elektroda elemen piezoelektrik 1, energi osilasi listrik diubah menjadi osilasi mekanik ultrasonik karena efek piezoelektrik. Getaran ini merambat dalam arah yang berlawanan dan dipantulkan dari permukaan batas lapisan reflektif dan konsentrator (alat kerja). Karena seluruh panjang sistem osilasi sesuai dengan ukuran resonansi (setengah panjang gelombang getaran ultrasonik), getaran mekanis dilepaskan pada frekuensi resonansi alami sistem osilasi. Kehadiran konsentrator radial melangkah memungkinkan untuk meningkatkan amplitudo osilasi permukaan yang memancar, dibandingkan dengan amplitudo osilasi, pada permukaan berlawanan dari lapisan reflektif yang bersentuhan dengan elemen piezoelektrik. Besarnya amplitudo osilasi pada permukaan pancaran tergantung pada penguatan konsentrator, yang didefinisikan sebagai kuadrat dari rasio luas permukaan pembentuk dan permukaan pancaran konsentrator, yang memiliki penampang persegi panjang dengan panjang yang sama.

Attachment 8 hub 3 (gambar 1) terletak di area yang dekat dengan simpul getaran ultrasonik mekanis minimum, yang memastikan redaman minimal dari sistem osilasi ultrasonik, mis. amplitudo maksimum osilasi dari permukaan yang memancar dan tidak adanya osilasi pada titik-titik perlekatan sistem osilasi di jalur produksi.

Karena kenyataan bahwa memperoleh rasio analitik dimensi geometris untuk perhitungan praktis dalam desain sistem osilasi sulit karena kurangnya sejumlah data yang akurat tentang perambatan getaran ultrasonik dalam tubuh penampang variabel dari bahan yang berbeda secara bergantian, ketika memilih parameter sistem osilasi, hasil simulasi numerik digunakan, bersama-sama dengan ketergantungan grafik dari studi praktis sistem osilasi dengan rasio yang berbeda dari dimensi transversal dari permukaan yang membentuk dan memancar dari konsentrator D 1 , D 2 dan bagian dari sistem osilasi dengan panjang yang berbeda. Studi eksperimental telah memungkinkan untuk menetapkan bahwa koefisien maksimum transformasi elektromekanis disediakan di bawah kondisi bahwa elemen piezoelektrik dipindahkan dari area osilasi minimum (tekanan mekanis maksimum) sedemikian rupa sehingga panjang total reflektif lapisan, paket piezoelements dan bagian konsentrator ke titik lampiran sama dengan seperenam dari panjang gelombang getaran ultrasonik dalam bahan konsentrator. Pilihan ukuran bagian konsentrator, di mana transisi halus dibuat sama dengan seperenam dari panjang gelombang getaran ultrasonik dalam bahan konsentrator dan bentuknya, sesuai dengan rumus di atas, memberikan penguatan yang diperlukan dan mekanis minimum. tegangan pada batas transisi antara penampang transisi halus dan penampang dengan ukuran transversal yang sesuai dengan permukaan pancaran. Hasil studi eksperimental sistem osilasi dengan rasio yang berbeda dari dimensi transversal dari permukaan yang membentuk dan memancar dari konsentrator D 1 , D 2 disajikan pada Gambar.2 a, 6, c, yang menunjukkan grafik parameter utama dari sistem osilasi: perubahan frekuensi resonansi alami f(a), penguatan koefisien M p (b), dan tegangan mekanis maksimum maks (c) dari jari-jari transisi mulus. Dari ketergantungan yang diperoleh, ditemukan bahwa untuk setiap rasio dimensi transversal dari permukaan yang membentuk dan memancar dari konsentrator D 1 , D 2 , efek minimum pada frekuensi resonansi alami terjadi pada

Dalam hal ini, penguatan mendekati kemungkinan maksimum, dan pengurangan yang signifikan dalam tekanan mekanis di area elemen piezoelektrik disediakan.

Studi eksperimental yang dilakukan memungkinkan kami untuk mengkonfirmasi kebenaran hasil yang diperoleh dan untuk mengembangkan desain praktis sistem osilasi untuk berbagai rasio dimensi transversal dari permukaan pembentuk dan permukaan konsentrator D1, D2.

Jadi, dalam sistem osilasi dengan dimensi transversal dari permukaan pancaran sama dengan D 2 = 10 mm dan dengan dimensi transversal dari permukaan pembentuk getaran D 1 sama dengan 38 mm (yaitu, ketika menggunakan elemen piezoelektrik cincin yang paling banyak digunakan dengan diameter luar 38 mm), sistem osilasi yang dikembangkan akan memberikan penguatan getaran ultrasonik yang dihasilkan oleh elemen piezoelektrik, tidak kurang dari 11 kali (lihat gambar 2).

Hasil serupa juga diperoleh untuk nilai D2 lainnya.

Jadi, ketika menggunakan elemen piezoelektrik cincin dengan diameter luar 50 mm dalam sistem osilasi yang diusulkan dan memberikan penguatan 10...15, ukuran transversal permukaan radiasi konsentrator D 2 dapat sama dengan 16 mm.

Untuk mendapatkan gain sebesar 10 ... 15 dalam sistem osilasi yang dibuat dengan ukuran D 2 \u003d 20 mm, D 1 akan sama dengan hanya 70 mm, yang juga mudah diimplementasikan dalam praktik (elemen piezoelektrik dengan diameter 70 mm diproduksi secara massal).

Jadi, sambil memberikan amplitudo osilasi paket dua elemen piezoelektrik yang sama dengan 5 m (tegangan suplai tidak lebih dari 500 ... 700 V), amplitudo osilasi dari permukaan pancaran sistem osilasi akan menjadi 50 ... mode kavitasi dikembangkan dalam pengolahan media cair dan terdispersi cair, pelaksanaan pengelasan bahan polimer dan pengolahan dimensi bahan padat.

Sistem osilasi ultrasonik yang dikembangkan memberikan efisiensi (faktor konversi elektroakustik) minimal 75% (saat memancar ke dalam air).

Penerapan lapisan reflektif dengan ukuran longitudinal yang berubah secara bertahap (yaitu, penerapan permukaan yang berlawanan yang bersentuhan dengan elemen piezoelektrik adalah variabel bertahap dengan diameter), memungkinkan Anda untuk membuat beberapa ukuran resonansi yang berbeda di sepanjang sistem osilasi. Masing-masing ukuran resonansi ini sesuai dengan frekuensi resonansi getaran mekanisnya sendiri. Pilihan jumlah dan ukuran langkah memungkinkan untuk memperoleh bandwidth yang diperlukan (yaitu, untuk memastikan pengoperasian sistem osilasi dalam rentang frekuensi yang ditentukan oleh dimensi longitudinal maksimum dan minimum dari lapisan reflektif).

Hasil teknis dari penemuan ini dinyatakan dalam peningkatan efisiensi sistem osilasi ultrasonik (meningkatkan amplitudo osilasi yang dimasukkan ke dalam berbagai media) dengan memastikan koordinasi optimal dengan media dan generator elektronik. Dimensi keseluruhan longitudinal dari sistem osilasi berkurang 2 kali, dan beratnya 4 kali dibandingkan dengan prototipe.

Sistem osilasi ultrasonik yang dikembangkan di laboratorium proses akustik dan peralatan Institut Teknologi Biysk dari Universitas Teknik Negeri Altai lulus uji laboratorium dan teknis dan secara praktis diimplementasikan sebagai bagian dari instalasi untuk membuat jahitan longitudinal sepanjang 360 mm saat menyegel tas untuk kemasan produk massal.

Produksi serial dari sistem osilasi yang dibuat direncanakan untuk tahun 2005.

Sumber informasi

1. Paten AS No. 3113225, 1963

2. Paten AS No. 4607185, 1986

3. Paten AS No. 4651043, 1987

4. Paten AS No. 4363992 (prototipe), 1982

5. Teknologi ultrasonik. Ed. B.A. Agranat. - M.: Metalurgi, 1974.

6. Khmelev V.N., Popova O.V. Perangkat ultrasonik multifungsi dan aplikasinya dalam produksi skala kecil, pertanian, dan rumah tangga. Barnaul, Rumah Penerbitan AltGTU, 1997, 160 hal.

MENGEKLAIM

Sebuah sistem osilasi ultrasonik yang mengandung elemen piezoelektrik dan konsentrator, dicirikan bahwa itu terbuat dari konsentrator sejajar dengan permukaan yang membentuk getaran ultrasonik dan secara akustik terhubung dengannya paket elemen piezoelektrik dalam jumlah genap dipasang secara seri, di mana pelat reflektif secara akustik terhubung ke mereka terletak, berlawanan dengan yang kontak. dengan elemen piezoelektrik, yang permukaannya dibuat datar atau variabel-bertahap dengan diameter, dan dimensi dan jumlah langkah dipilih dari kondisi untuk memperoleh bandwidth yang diberikan, konsentrator memiliki titik lampiran dan diakhiri dengan permukaan yang memancarkan getaran ultrasonik dengan alat kerja, permukaan pembentuk dan pemancar konsentrator berbentuk persegi panjang pada penampang dengan panjang yang sama, dan rasio dimensi melintangnya dipilih dari kondisi memberikan keuntungan yang diberikan faktor konsentrator, panjang total refleksi n lapisan, paket elemen piezoelektrik dan bagian konsentrator ke titik lampiran sama dengan seperenam panjang gelombang getaran ultrasonik dalam bahan konsentrator, dimensi bagian konsentrator di mana transisi halus dibuat, dan bagian dengan dimensi melintang yang sesuai dengan permukaan yang memancar, sesuai dengan seperenam dari panjang gelombang getaran ultrasonik dalam konsentrator material, dan transisi halus dibuat radial, dan dimensinya dipilih dari kondisi

di mana L z adalah panjang transisi mulus;

D1, D2 - dimensi melintang dari permukaan yang membentuk dan memancar dari konsentrator.

Untuk menghitung transformator kecepatan ultrasonik, yang perannya dalam skema yang dipertimbangkan dimainkan oleh konsentrator bertahap, kami akan menggunakan bentuk umum persamaan osilasi longitudinal (2.1). Karena asumsi bahwa konsentrator memiliki frekuensi sendiri dan melakukan osilasi harmonik juga berlaku dalam kasus ini, solusi persamaan (2.1) dapat direpresentasikan sebagai

Demikian pula, untuk silinder yang massanya setara dengan kepala pemoles berlian dengan elemen tambahan ke konsentrator getaran, kita dapat menulis:

, (2.18)

di mana dari 4- kecepatan suara dalam bahan silinder, setara massa dengan alat penghalus dengan pengencang.

Kondisi batas untuk sistem osilasi dengan asal di suatu titik HAI 2 dapat ditulis sebagai

Pada ; (2.19)

pada ; (2.20)

untuk , (2.21)

di mana E 4 - modulus tarik bahan elemen struktural kepala penghalus; S 3 dan S 4 adalah luas penampang kaki konsentrator, berdiameter kecil, dan silinder ekivalen; sebuah 2- panjang tahap diameter kecil konsentrator; b adalah tinggi silinder ekivalen.

Pada kondisi (2.19), dari persamaan (2.17) diperoleh

;

. (2.22)

Dengan mempertimbangkan bagian pertama dari kondisi (2.20), dari persamaan (2.17) dan (2.18) kita peroleh

Bagian kedua dari kondisi (2.20) dapat diubah menjadi bentuk

. (2.24)

Panjang langkah dengan diameter lebih besar dari konsentrator ditentukan dari ekspresi (2.27), dengan mempertimbangkan bahwa, karena tidak adanya beban dalam bentuk kepala pemoles intan dengan pengencang di ujung konsentrator bertingkat, dan :

. (2.28)

Untuk transformator kecepatan dengan sistem akustik 1/2 - gelombang, jika panjang satu langkah adalah 1/4 dan , kita memiliki

Untuk silinder yang massanya setara dengan kepala penghalus dengan pengencang, kita dapat menulis:

. (2.30)

. (2.31)

b) 3/4 - penggerak getaran ultrasonik gelombang

Sistem osilasi drive semacam itu memiliki satu kemungkinan titik lampiran, yang memungkinkan untuk mengurangi panjang drive sebesar 1/4 dari gelombang akustik. Untuk kemungkinan pengikatan yang kaku, transduser komposit piezoelektrik dalam rangkaian seperti itu biasanya dibuat asimetris (Gbr. 2.3). Dalam hal ini, tahap dengan diameter lebih kecil dari transformator kecepatan dengan alat burnishing dihubungkan langsung ke antinode osilasi, yang terletak di ujung konverter komposit. Oleh karena itu, langkah ini harus dianggap sebagai beban transduser piezoelektrik, yang dengan demikian membebankan fitur pada perhitungan salah satu overlay pengurang frekuensinya.

Untuk kasus osilasi harmonik drive, sesuai dengan skema desain (Gbr. 2.3), solusi persamaan umum (2.1) osilasi longitudinal dapat ditulis sebagai

, (2.32)

. (2.33)

Kondisi batas sesuai dengan skema desain dapat direpresentasikan sebagai: