Concentratoare și ghiduri de undă ale vibrațiilor ultrasonice. Calcul concentratoare pentru instalatii de microsudura cu ultrasunete. Calculul iluminării artificiale

LUCRARE #3

Obiectiv:

determinarea formei optime și calculul parametrilor și dimensiunilor geometrice ale ghidurilor de undă - concentratoare pentru prelucrarea cu ultrasunete a materialelor.

Prevederi teoretice

Grad material	Diametrul capătului de intrare al ghidului de undă D (mm)	Diametrul capătului de ieșire al ghidului de undă d (mm)	Lungimea rezonanței L	Planul nodal X 0	Câștigă K y	Frecvența de rezonanță (KHz)

Partea practica:

Calculul ghidului de undă pas:

f este frecvența de rezonanță.

V este viteza sunetului.

X 0 \u003d L / 2; X 0 - poziția planului nodal - locul de atașare a ghidului de undă

K y \u003d N 2 \u003d (D / d) 2, unde D și d sunt diametrele capetelor de intrare și de ieșire ale ghidului de undă

Otel: V= 5100

Titan: V= 5072

Soluţie:

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

Concluzie:

În această lucrare, ne-am familiarizat cu un concentrator ultrasonic cu un ghid de undă în trepte. Ghidul de undă a fost calculat prin rezolvarea unei ecuații diferențiale care descrie procesul oscilator, cu condiția ca oscilațiile să fie de natură armonică. În procesul de lucru, au fost găsite diametrele capetelor de intrare și de ieșire ale ghidului de undă. Coeficientul de amplificare a semnalului depinde de diametrele acestuia.

Job #4

Ghide de undă - concentratoare - transmițători de energie mecanică de frecvență ultrasonică către zona de prelucrare a materialului

Obiectiv:

determinarea formei optime si calculul parametrilor si dimensiunilor geometrice ale ghidurilor de unda-concentratoare pentru prelucrarea cu ultrasunete a materialelor.

Prevederi teoretice

Introducerea energiei vibrațiilor ultrasonice în materialul procesat este realizată de un complex ghid de undă-instrument. Mecanismele de interacțiune cu materialul sunt discutate mai jos, în secțiunea următoare. Această secțiune discută metode tipice pentru calcularea celor mai comune forme de ghidaj de undă și tipurile de instrumente utilizate în prelucrarea îmbinărilor sudate.

Dintr-o serie de parametri care caracterizează proprietățile ghidurilor de undă, cei mai importanți sunt viteza de vibrație, tensiunea și puterea pe care unealta le poate transfera în zona de procesare. Conform unei scheme simplificate, pentru o valoare dată a amplitudinii vitezei vibraționale, calculul ghidului de undă se reduce la determinarea lungimii sale rezonante, a zonelor de intrare și de ieșire și a locului atașării acestuia.

Formula pentru calcularea ghidurilor de undă din soluțiile unei ecuații diferențiale care descrie procesul oscilator, cu condiția ca oscilațiile să fie de natură armonică, frontul de undă să fie plat și unda să se propagă numai de-a lungul axei ghidului de undă fără pierderi.

Echipamente și instrumente de laborator

Atunci când desfășurați un atelier de laborator pentru a familiariza studenții cu echipamentul și pentru a înțelege mai bine principiul de funcționare a trusei cu ultrasunete de către studenți, standurile de laborator au o selecție largă de diverse ghiduri de undă (hubs) utilizate cu traductoare de diferite forme și puteri.

Ghidurile de undă disponibile reprezintă un grup de 4 forme cele mai comune și sunt realizate din materiale care sunt transparente acustic și au caracteristicile de rezistență necesare.

Pentru ușurarea percepției materialului, ghidajele de undă sunt realizate cu un instrument de lucru fixat pe el - un vârf și fără el.

Partea practica:

Calculul unui ghid de undă conic

L= λ /2 * kl/ , unde kl sunt rădăcinile ecuației

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

2П / λ = k – numărul de undă

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

K y \u003d √1+ (2P * 1 / λ) 2

Soluţie:

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

Concluzie:

În această lucrare, ne-am familiarizat cu un concentrator ultrasonic cu ghid de undă conic. Ghidul de undă a fost calculat prin rezolvarea unei ecuații diferențiale care descrie procesul oscilator, cu condiția ca oscilațiile să fie de natură armonică. În procesul de lucru, au fost găsite diametrele capetelor de intrare și de ieșire ale ghidului de undă. Coeficientul de amplificare a semnalului depinde de diametrele acestuia.

Aceste ghidaje de undă sunt utilizate pe scară largă pentru prelucrarea structurilor metalice în locurile îmbinărilor sudate, de aceea este foarte important să se calculeze corect parametrii instrumentului pentru a transmite frecvența semnalului dorită.

Pentru transmiterea vibrațiilor ultrasonice de la traductor la instrumentul de lucru sau la mediul de lucru în instalațiile cu ultrasunete se folosesc concentratoare și ghiduri de undă; acestea din urmă au o secțiune transversală constantă și o formă cilindrică.

Ghidurile de undă sunt utilizate atunci când nu este nevoie să se amplifice amplitudinea oscilațiilor traductorului. Huburile sunt transformatoare de viteză; au o secţiune transversală variabilă mai des cilindrică. Datorită acestei secțiuni transversale, ele convertesc vibrațiile ultrasonice de amplitudine redusă raportate de traductor și concentrate la capătul său de intrare în vibrații de o amplitudine mai mare la capătul de ieșire. Acestea din urmă sunt raportate corpului de lucru (instrumentului) unității cu ultrasunete. Amplificarea amplitudinii are loc datorită diferenței dintre zonele capetelor de intrare și de ieșire ale concentratorului - zona primului capăt (de intrare) al concentratorului este întotdeauna mai multă zonă al doilea.

Ghidurile de undă și concentratoarele trebuie să fie rezonante, adică lungimea lor trebuie să fie un multiplu al unui număr întreg de semi-unde (λ/2). În această condiție, se creează cele mai bune oportunități pentru a le potrivi cu sursa de energie, sistemul oscilator în ansamblu și masa atașată acestora (unealta de lucru).

Orez. 14. Concentratoare pe jumătate de lungime de undă

În ultrasunete instalatii tehnologice concentratoarele exponențiale (Fig. 14, a), conice (Fig. 14, b) și în trepte sunt cele mai utilizate. Acestea din urmă sunt executate cu o flanșă (Fig. 14, c) sau fără ea (Fig. 14, d). Există și concentratoare conice cu flanșă (de exemplu, în convertorul de tip PMS-15A-18), precum și concentratoare combinate, în care treptele sunt de diferite forme.

Concentratoarele și ghidurile de undă pot fi o parte integrantă a sistemului oscilator sau a elementului său înlocuibil. În primul caz, acestea sunt lipite direct la convertor. Butucii înlocuibili sunt conectați la sistemul oscilator (de exemplu, cu o flanșă adaptoare) prin intermediul unui filet.

Pentru concentratoare, aria secțiunii transversale se modifică în funcție de un anumit model. Caracteristica lor principală este câștigul teoretic K, care arată de câte ori amplitudinea de oscilație a capătului său de ieșire este mai mare decât amplitudinea la capătul de intrare. Acest coeficient depinde de raportul N dintre diametrele capetelor de intrare D1 și de ieșire D2 ale concentratorului: N=D1/D2.

Cel mai mare câștig de amplitudine pentru aceeași valoare a lui N este furnizat de un concentrator în trepte. El are K=N2. Aceasta explică utilizarea pe scară largă a concentratoarelor de tip trepte în diferite dispozitive cu ultrasunete. În plus, aceste concentratoare sunt mai ușor de fabricat decât altele, ceea ce este uneori cea mai importantă condiție pentru aplicarea cu succes a prelucrării cu ultrasunete. Calculul unui concentrator în trepte este mult mai simplu decât alte tipuri de concentratoare.

Valoarea factorului de amplificare a amplitudinii concentratorului în trepte se ia ținând cont de prevenirea posibilității vibrațiilor laterale, care se observă la factori de amplificare mari (K> 8...10), precum și de datele de rezistență ale acestuia. În practică, câștigul unui butuc în trepte se presupune a fi de la patru la șase.

Lungimea rezonantă a concentratorului treptat lp este determinată din expresia lp=a/2=C/2f, unde X este lungimea de undă în tija de secțiune transversală constantă, cm; С - viteza undei longitudinale (pentru oțel С=5100 m/s); f - frecvența de rezonanță, Hz.

La instalarea cablurilor în SPP pentru electronica de putere, UZS este utilizat în principal. Parametrii principali ai procesului cu această metodă de microsudare sunt: ​​amplitudinea oscilațiilor capătului de lucru al sculei, care depinde de puterea electrică a convertorului și de proiectarea sistemului oscilator; forța de compresie a elementelor sudate; durata includerii vibrațiilor ultrasonice (timp de sudare).

Esența metodei USS constă în apariția frecării pe interfața dintre elementele care urmează a fi îmbinate, având ca rezultat distrugerea filmelor de oxid și adsorbite, formarea contactului fizic și dezvoltarea centrelor de gripare între piesele de îmbinat.

Concentratorul cu ultrasunete este unul dintre elementele principale ale sistemelor oscilatoare ale instalatiilor de microsudura. Concentratoarele sunt realizate sub formă de sisteme de tije cu o secțiune transversală care se schimbă ușor, deoarece aria de radiație a traductorului este întotdeauna mult mai mare decât aria. îmbinare sudata. Concentratorul este conectat la traductorul cu o secțiune transversală de intrare mare și un instrument cu ultrasunete este atașat la secțiunea transversală de ieșire mai mică. Scopul concentratorului este transmiterea vibrațiilor ultrasonice de la traductor la un instrument ultrasonic cu cea mai mică pierdereși cel mai eficient.

Cunoscut în tehnologia cu ultrasunete un numar mare de tipuri de concentratoare. Cele mai utilizate sunt următoarele: treptat, exponențial, conic, catenoid și concentrator de tip „cilindru-catenoid”. În sistemele oscilatoare ale instalațiilor se folosesc adesea concentratoare conice. Acest lucru se datorează faptului că sunt ușor de calculat și fabricat. Cu toate acestea, dintre cele cinci butuci enumerate mai sus, cel conic are cele mai mari pierderi din cauza frecării interne, disipează cea mai mare putere și, prin urmare, se încălzește mai mult. Concentratoarele cu cea mai mică valoare a raportului dintre diametrele de intrare și ieșire pentru același câștig K y au cea mai bună stabilitate. De asemenea, este de dorit ca lungimea sa „semi-lungime de undă” să fie cea mai mică. În scopul microsudării, concentratoare cu 2

Materialul concentratorului trebuie să aibă o rezistență ridicată la oboseală, pierderi reduse, o bună lipire prin lipire, o prelucrare ușoară și să fie relativ ieftin.

Calculul unui concentrator cu ultrasunete se reduce la determinarea lungimii acestuia, a secțiunilor de intrare și de evacuare și a formei profilului suprafețelor sale laterale. La calcul se introduc următoarele ipoteze: a) o undă plană se propagă de-a lungul concentratorului; b) oscilaţiile sunt de natură armonică; c) butucul oscilează numai de-a lungul liniei centrale; d) pierderile mecanice în concentrator sunt mici și depind liniar de amplitudinea oscilației (deformare).

Câștig teoretic K u amplitudinea oscilaţiilor concentratorului exponenţial se determină din expresie

Unde D0și D1 sunt diametrele secțiunilor de intrare și respectiv de ieșire ale concentratorului, respectiv, mm; N- raportul dintre diametrul secțiunii de intrare a concentratorului și ieșirea.

Lungimea concentratorului se calculează prin formula

(2)

Unde Cu este viteza de propagare a vibrațiilor ultrasonice în materialul concentratorului, mm/s; f– frecvența de funcționare, Hz.

Poziția planului nodal x 0(unde este atașat ghidul de undă) este exprimat prin relație

(3)

Generatoarea de profil a părții catenoidale a concentratorului este calculată prin ecuație

(4)

unde este factorul de formă al generatricei; X– coordonata curentă de-a lungul lungimii concentratorului, mm.

În această lucrare, a fost dezvoltat un program de calculator pentru calcularea parametrilor a cinci tipuri de concentratoare ultrasonice: concentrator exponențial, în trepte, conic, catenoidal și „cilindric-catenoid”, implementat în Pascal (compilator Turbo-Pascal-8.0). Datele inițiale pentru calcule sunt: ​​diametrele secțiunilor de intrare și de evacuare ( D0și D1), frecventa de operare ( f) și viteza de propagare a vibrațiilor ultrasonice în materialul concentratorului (c). Programul vă permite să calculați lungimea, poziția planului nodal, câștigul, precum și pentru exponențial, catenoid și concentrator „cilindr-catenoid” forma generatricei cu un pas dat. Schema bloc a algoritmului de calcul al concentratorului exponențial este prezentată în fig. 6.9.

Exemplu de calcul. Calculați parametrii unui concentrator exponențial cu jumătate de undă dacă este dată frecvența de operare f= 66 kHz; diametrul de intrare D0= 18 mm, ieșire D1=6 mm; material concentrator - oțel 30KhGSA (viteza ultrasunetelor în material Cu= 5,2 10 6 mm/s).

Conform formulei (1), determinăm câștigul concentratorului .

Orez. 6.9. Diagrama structurală a algoritmului de calcul al concentratorului exponenţial

În conformitate cu expresiile (2) și (3), lungimea concentratorului , poziţia planului nodal mm.

Ecuația (4) pentru calcularea formei profilului concentratorului ia următoarea formă după înlocuiri:

Calcule folosind un program de calculator al profilului generator al unui concentrator exponențial cu un pas într-un parametru X, egale cu 5 mm, sunt date în tabel. 6.1. Conform Tabelului. 6.1, este construit un profil de butuc.

Tab. 6.1. Date de calcul al profilului concentratorului

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

În tabel. 6.2 arată rezultatele calculării parametrilor diferitelor tipuri de concentratoare ultrasonice din oțel 30KhGSA (cu D0= 18 mm; D1= 6 mm; f= 66 kHz).

Tab. 6.2. Parametrii concentratoarelor cu ultrasunete

* l 1și l 2 sunt lungimile părților cilindrice și, respectiv, catenoidale ale concentratorului.

Invenţia se referă la tehnologia cu ultrasunete, şi anume la structurile sistemelor vibratoare cu ultrasunete. Rezultatul tehnic al invenției este de a crește amplitudinea oscilațiilor, reducând în același timp consumul de energie, reducând dimensiunile de gabarit și greutatea. Sistemul oscilator cu ultrasunete este alcătuit din pachete de elemente piezoelectrice situate pe suprafața concentratorului formând vibrații. Pe ambalajele de elemente piezoelectrice există tampoane reflectorizante, a căror suprafață, opusă elementelor piezoelectrice, este făcută plată sau variabilă în trepte în diametru. Concentratorul are un punct de atașare și se termină cu o suprafață cu un instrument de lucru. Suprafețele de formare și radiație ale concentratorului au o formă dreptunghiulară de aceeași lungime în secțiune transversală, iar raportul dimensiunilor lor transversale este selectat din condiția asigurării unui factor de câștig dat al concentratorului. Lungimea totală a căptușelii reflectorizante, a pachetului de elemente piezoelectrice și a secțiunii concentratorului la punctul de atașare este egală cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice. Lungimea secțiunii concentratorului, pe care se efectuează o tranziție radială lină și secțiunea cu o dimensiune transversală corespunzătoare suprafeței radiante, sunt egale cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice. 2 bolnavi.

Desene ale brevetului RF 2284228

Invenția se referă la tehnologia ultrasonică, și anume la proiectarea sistemelor oscilatoare cu ultrasunete, și poate fi utilizată în dispozitive tehnologice destinate procesării unor volume mari de medii lichide și lichide dispersate, pentru a se asigura că o suprafață mare este expusă la vibrații ultrasonice de mare amplitudine, de exemplu, în dispozitivele de curgere sau în implementarea prin presare sudare în trepte (formarea cusăturilor de etanșare de mare lungime).

Orice aparat tehnologic cu ultrasunete include o sursă de oscilații electrice de înaltă frecvență (generator electronic) și un sistem oscilator ultrasonic.

Sistemul oscilator cu ultrasunete este format dintr-un traductor piezoelectric și un concentrator cu un instrument de lucru. În traductorul ultrasonic al sistemului oscilator, energia vibrațiilor electrice este convertită în energia vibrațiilor elastice de frecvență ultrasonică. Concentratorul este realizat sub forma unei figuri tridimensionale de secțiune transversală variabilă din metal, în care raportul dintre zonele suprafețelor în contact cu traductorul și care se termină cu instrumentul de lucru (radiând vibrații ultrasonice) determină necesarul. factor de amplificare.

Sisteme oscilatorii cu ultrasunete cunoscute cu suprafețe mari ale suprafeței radiante. Toate sistemele oscilatoare cunoscute sunt realizate după o schemă constructivă care combină traductoare piezoelectrice sau magnetostrictive cu semiundă și concentratoare rezonante (multiplii ai jumătății lungimii de undă a vibrațiilor ultrasonice) ale vibrațiilor ultrasonice. Dimensiunea lor longitudinală corespunde lungimii de undă a vibrațiilor ultrasonice, iar dimensiunea transversală depășește jumătate din lungimea vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului.

Dezavantajul analogilor este distribuția complexă a amplitudinii oscilației pe suprafața radiantă din cauza raportului lui Poisson al materialului concentrator, care nu permite aceeași acțiune ultrasonică de-a lungul întregii suprafețe radiante, de exemplu, atunci când se obține o calitate înaltă. cusătură extinsă.

Cel mai apropiat, din punct de vedere al esenței tehnice, de soluția tehnică propusă este un sistem vibrator cu ultrasunete conform brevetului SUA 4363992 adoptat ca prototip.

Un sistem oscilator cu ultrasunete este format din mai multe traductoare piezoelectrice cu jumătate de undă instalate pe una dintre suprafețele (formând vibrații ultrasonice) ale unui concentrator, care se termină cu un capăt de lucru (uneltă) de o anumită formă și dimensiune. Traductoarele sunt realizate sub formă de suprapunere spate de reducere a frecvenței montate în serie și interconectate acustic, un pachet de un număr par de elemente piezoelectrice inelare și o suprapunere radiantă care reduce frecvența. Suprafața radiantă a traductorului este conectată acustic la suprafața concentratorului care formează vibrațiile ultrasonice. Dimensiunea longitudinală a concentratorului corespunde cu jumătate din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului. Concentratorul este realizat sub forma unei figuri tridimensionale de secțiune transversală variabilă din metal, în care raportul dintre suprafețele suprafețelor în contact cu traductoarele (formând vibrații ultrasonice) și se termină cu un instrument de lucru (radiant ultrasonic). vibraţii) determină câştigul necesar.

Concentratorul are caneluri de trecere, care fac posibilă eliminarea distribuției neuniforme a amplitudinii oscilației de-a lungul suprafeței radiante a concentratorului (adică, excluderea deformației concentratorului perpendicular pe direcția forței). Acest lucru face posibilă asigurarea aceluiași efect ultrasonic pe întreaga suprafață radiantă.

Prototipul vă permite să eliminați parțial deficiențele sistemelor oscilatoare cunoscute, dar are următoarele dezavantaje semnificative comune.

1. Cunoscutul sistem oscilator ultrasonic, format din traductoare ultrasonice și un concentrator, este un sistem rezonant. Când frecvențele de rezonanță ale traductoarelor și ale concentratorului coincid, se asigură amplitudinea maximă a vibrațiilor ultrasonice ale instrumentului de lucru și, în consecință, aportul maxim de energie în mediul prelucrat. La implementarea proceselor tehnologice, unealta de lucru și o parte a concentratorului sunt scufundate în diverse medii tehnologice sau supuse presiunii statice pe suprafața radiantă. Influența diferitelor medii tehnologice sau a presiunii externe este echivalentă cu apariția unei mase suplimentare atașate la suprafața radiantă a concentratorului și duce la o modificare a frecvenței de rezonanță naturală a concentratorului și a întregului sistem oscilator în ansamblu. În acest caz, potrivirea optimă a frecvenței dintre convertor și concentrator este încălcată. Nepotrivirea dintre traductorul ultrasonic și concentrator duce la o scădere a amplitudinii oscilațiilor suprafeței radiante (instrument de lucru) și la o scădere a energiei introduse în medii.

Pentru a elimina acest neajuns, în proiectarea și fabricarea sistemelor oscilatoare, se efectuează o nepotrivire preliminară a convertorului și concentratorului în ceea ce privește frecvența de rezonanță, astfel încât atunci când apare o sarcină și frecvența naturală a concentratorului scade, aceasta să corespundă cu frecvența naturală. frecvența convertizorului și asigură un aport maxim de energie. Acest lucru limitează în mod semnificativ domeniul de aplicare al unui astfel de sistem oscilator cu ultrasunete și este insuficient, deoarece în majoritatea proceselor tehnologice implementate valoarea masei adăugate se modifică (de exemplu, trecerea de la mediile de apă sau ulei la emulsia lor, apariția și dezvoltarea un proces de cavitație care duce la formarea unui nor de bule de gaz-vapori și la reducerea masei adăugate în orice mediu lichid) în timpul implementării procesului în sine, ceea ce duce la o scădere a eficienței de intrare a vibrațiilor ultrasonice.

2. Problema potrivirii optime a traductorului și concentratorului în frecvență este exacerbată de necesitatea de a potrivi impedanțele de undă ale mediilor lichide și lichide dispersate cu materiale piezoceramice solide ale traductoarelor. Pentru o potrivire optimă, câștigul concentratorului ar trebui să fie 10-15. Astfel de câștiguri mari pot fi obținute numai cu concentratoare în trepte, dar, la astfel de câștiguri, ele exacerba dependența frecvenței de rezonanță naturale de sarcină, necesită o secțiune mică de ieșire cu o lungime semnificativă (corespunzând unui sfert din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice). în materialul concentratorului), ceea ce duce la reducerea suprafeței radiante, pierderea stabilității dinamice și apariția vibrațiilor de încovoiere. Din acest motiv, sistemele oscilatoare utilizate în practică au un câștig de cel mult 3...5, ceea ce le face improprii pentru furnizarea de efecte ultrasonice de mare intensitate pe diverse medii tehnologice.

Pe lângă principalele dezavantaje datorate schemei de proiectare aplicate pentru construirea sistemelor oscilatoare, prototipul are mai multe dezavantaje datorită caracteristicilor tehnologice și operaționale ale fabricării și utilizării lor.

1. Un sistem vibrator cu ultrasunete cu două sau mai multe traductoare piezoelectrice (până la 40...50 mm în diametru) poate avea o lungime a suprafeței radiante mai mare de 200...250 mm și o lățime mai mare de 5 mm. În acest caz, frecvențele de rezonanță naturale ale traductoarelor piezoelectrice diferă, ceea ce se datorează diferențelor dintre parametrii electrici și geometrici ai elementelor piezoelectrice, suprapunerilor de scădere a frecvenței, diferențelor de forțe de compresie în timpul ansamblului traductorului etc., care sunt permise conform documentației de reglementare și de proiectare. În acest caz, excitarea vibrațiilor mecanice ale concentratorului rezonant este efectuată de convertoare cu frecvențe de operare diferite, dintre care unele nu coincid cu frecvența de rezonanță a concentratorului. Este deosebit de dificil să se efectueze coordonarea într-un sistem oscilator cu mai multe convertoare de frecvențe diferite și un concentrator în trepte cu un câștig maxim. Deoarece acest lucru reduce eficiența tratamentului cu ultrasunete, chiar și în comparație cu un sistem oscilator de aceeași dimensiune, dar cu un singur traductor.

2. Imposibilitatea realizării unei suprafețe radiante cu profil complex (de exemplu, pentru formarea simultană a două suduri și tăierea materialului între ele), deoarece în acest caz fiecare dimensiune longitudinală determină propria frecvență de rezonanță a concentratorului, care nu corespund frecvenței de rezonanță a traductoarelor (se realizează eficient doar una dintre operații - formarea unei cusături sau a materialului de tăiere).

3. Imposibilitatea realizării sistemelor oscilatorii ultrasonice cu o lățime de bandă extinsă, în comparație cu sistemele rezonante.

4. Un sistem oscilant cu două jumătăți de undă cu o frecvență de funcționare de 22 kHz are o dimensiune longitudinală de cel puțin 250 mm și, cu o lungime a suprafeței radiante de 350 mm, cântărește cel puțin 10 kg. În acest caz, montarea sistemului oscilator se realizează în zona vibrațiilor minime: fie în centrul convertorului, fie în centrul concentratorului. Aceasta prindere duce la o stabilitate mecanica scazuta si la imposibilitatea asigurarii acuratetii impactului. Fixarea optimă în centrul de masă nu poate fi asigurată din cauza amplitudinilor mari ale oscilațiilor mecanice și a amortizarii inevitabile a sistemului oscilator.

Deficiențele dezvăluite ale prototipului determină eficiența acestuia insuficientă, limitează funcționalitatea, ceea ce îl face nepotrivit pentru utilizare în producția automată de înaltă performanță.

Soluția tehnică propusă vizează eliminarea deficiențelor sistemelor oscilatoare existente și crearea unui nou sistem oscilator capabil să asigure radiația vibrațiilor ultrasonice cu o distribuție uniformă a amplitudinii de-a lungul suprafeței radiante a concentratorului (uneltei de lucru) cu eficiență maximă pentru toate posibilele. sarcinile și modificările proprietăților mediilor procesate și ale parametrilor sistemului oscilator, adică, în cele din urmă, asigură o creștere a productivității proceselor asociate cu expunerea la ultrasunete, reducând în același timp consumul de energie.

Esența soluției tehnice propuse constă în faptul că sistemul oscilator cu ultrasunete care conține elemente piezoelectrice și un concentrator este alcătuit din concentrator și pachete dintr-un număr par de elemente piezoelectrice instalate în serie dispuse în paralel pe suprafața concentratorului și conectate acustic. la el. Pe ambalajele de elemente piezoelectrice există tampoane reflectorizante conectate acustic cu elementele piezoelectrice. Suprafața opusă de contact cu elementele piezoelectrice este făcută plată sau variabilă în trepte în diametru, iar dimensiunile și numărul de trepte sunt selectate din condiția de obținere a unei lățimi de bandă dată. Concentratorul are o unitate de prindere și se termină cu o suprafață care emite vibrații ultrasonice cu un instrument de lucru. Suprafețele de formare și radiație ale concentratorului au o formă dreptunghiulară de aceeași lungime în secțiune transversală, iar raportul dimensiunilor lor transversale este selectat din condiția asigurării unui factor de câștig dat al concentratorului. Lungimea totală a căptușelii reflectorizante, a pachetului de elemente piezoelectrice și a secțiunii concentratorului până la punctul de atașare este egală cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului. Dimensiunile secțiunii concentratorului, pe care se realizează o tranziție lină, și secțiunea cu o dimensiune transversală corespunzătoare suprafeței radiante, sunt egale cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului, iar tranziția lină se realizează radial, iar dimensiunile sale sunt selectate din condiția:

Analiza posibilelor scheme structurale pentru construirea sistemelor oscilatoare a făcut posibilă stabilirea că majoritatea limitărilor fundamentale inerente unei scheme structurale cu două jumătăți de undă a unui sistem oscilator pot fi eliminate prin utilizarea sistemelor oscilatoare care combină un traductor piezoelectric și un concentrator. cu un factor de câștig ridicat și instrument de lucru de orice dimensiune într-o schemă structurală cu jumătate de undă.

Un sistem oscilator realizat după o schemă constructivă cu jumătate de undă este un singur sistem oscilator rezonant și toate modificările parametrilor săi duc doar la o nepotrivire cu un generator electronic. Absența proiectelor practice ale unor astfel de sisteme oscilatoare se datorează imposibilității implementării lor pe baza traductoarelor magnetostrictive utilizate, până de curând, și complexității implementării practice bazate pe elemente piezoceramice moderne din cauza necesității de a le plasa la maximum. stres mecanic, precum și din cauza lipsei generatoarelor electronice capabile să ofere moduri optime de alimentare pentru un astfel de sistem oscilator cu toate modificările posibile ale frecvenței sale de rezonanță (până la 3...5 kHz).

Soluția tehnică propusă este ilustrată în Fig.1, care prezintă schematic un sistem oscilator cu ultrasunete care conține elemente piezoelectrice 1, plăcuțe rezonante reflectorizante 2 și un concentrator 3. Structural, sistemul oscilator este alcătuit din concentratorul 3 situat în paralel pe suprafața 4 de formare. vibrații ultrasonice și asociate acustic cu acestea pachete dintr-un număr par de elemente piezoelectrice instalate în serie 1 (figura 1 prezintă un sistem oscilator cu două pachete de elemente piezoelectrice). Pe fiecare dintre pachete, constând dintr-un număr par de elemente piezoelectrice (de obicei două sau patru), există plăcuțe reflectorizante 2 asociate acustic cu acestea, a căror suprafață opusă este în contact cu elementele piezoelectrice este făcută plată 5 sau variabilă în trepte. în lungime 6, iar dimensiunile şi numărul de trepte 7 sunt selectate din condiţiile pentru obţinerea unei lăţimi de bandă dată. Concentratorul 3 are o unitate de fixare 8 și se termină cu o suprafață 9 care emite vibrații ultrasonice cu o unealtă de lucru 10. Suprafețele de formare 4 și emițătoare ale concentratorului au o formă dreptunghiulară de aceeași lungime L și raportul dimensiunilor lor transversale. D1, D2 este selectat din condiția asigurării unui factor de câștig dat al concentratorului. Lungimea totală a căptușelii reflectorizante 2, a pachetului de elemente piezoelectrice 1 și a secțiunii concentratorului la punctul de atașare este egală cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului. Dimensiunile secțiunii concentratorului pe care are loc tranziția lină și secțiunea cu o dimensiune transversală corespunzătoare suprafeței de radiație corespund unei șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului, iar tranziția lină este făcută radială, iar dimensiunile sale sunt selectate din condiția:

unde L z este lungimea tranziției netede; D 1 , D 2 - dimensiunile transversale ale suprafeței de formare și radiație a concentratorului.

Sistemul oscilator cu ultrasunete funcționează după cum urmează.

Atunci când o tensiune de alimentare electrică este furnizată de la generatorul de oscilații electrice de frecvență ultrasonică (neprezentată în figura 1), corespunzătoare frecvenței naturale a sistemului oscilator, la electrozii elementelor piezoelectrice 1, energia oscilațiilor electrice este convertită în oscilații mecanice ultrasonice datorită efectului piezoelectric. Aceste vibrații se propagă în direcții opuse și sunt reflectate de suprafețele limită ale căptușelii reflectorizante și ale concentratorului (uneltă de lucru). Întrucât întreaga lungime a sistemului oscilator corespunde mărimii rezonante (jumătate din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice), vibrațiile mecanice sunt eliberate la frecvența de rezonanță naturală a sistemului oscilator. Prezența unui concentrator radial în trepte face posibilă creșterea amplitudinii oscilațiilor suprafeței radiante, în comparație cu amplitudinea oscilațiilor, pe suprafața opusă căptușelii reflectorizante în contact cu elementele piezoelectrice. Mărimea amplitudinii oscilației pe suprafața radiantă depinde de câștigul concentratorului, care este definit ca pătratul raportului dintre zonele suprafețelor de formare și radiante ale concentratorului, care au o secțiune transversală dreptunghiulară de aceeași lungime.

Atașamentul 8 butucul 3 (figura 1) este situat în zona apropiată de nodul vibrațiilor ultrasunete mecanice minime, ceea ce asigură o amortizare minimă a sistemului oscilant ultrasonic, adică. amplitudinea maximă a oscilațiilor suprafeței radiante și absența oscilațiilor la punctele de atașare ale sistemului oscilator în liniile de producție.

Datorită faptului că obținerea de rapoarte analitice ale dimensiunilor geometrice pentru calcule practice în proiectarea sistemelor oscilatoare este dificilă din cauza lipsei unui număr de date precise privind propagarea vibrațiilor ultrasonice în corpuri cu secțiune transversală variabilă din materiale diferite alternate, atunci când alegerea parametrilor unui sistem oscilator s-au folosit rezultatele simulării numerice, împreună cu dependențe grafice ale studiului practic al sistemelor oscilatoare cu diferite rapoarte ale dimensiunilor transversale ale suprafețelor de formare și radiatoare ale concentratorului D 1 , D 2 și secțiuni ale sistemul oscilator cu lungimi diferite . Studiile experimentale au permis să se stabilească că coeficientul maxim de transformare electromecanică este asigurat cu condiția ca elementele piezoelectrice să fie deplasate din zona de oscilații minime (solicitari mecanice maxime) în așa fel încât lungimea totală a reflectorizantei. căptușeala, pachetul de piezoelement și secțiunea concentratorului la punctul de atașare este egală cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului. Alegerea dimensiunii secțiunii concentratorului, pe care se realizează o tranziție lină egală cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului și forma acestuia, conform formulei de mai sus, asigură câștigul necesar și minim mecanic. tensiuni la limita de tranziție dintre secțiunea de tranziție lină și secțiunea cu o dimensiune transversală corespunzătoare suprafeței emitente. Rezultatele studiilor experimentale ale sistemelor oscilatoare cu diferite rapoarte ale dimensiunilor transversale ale suprafețelor de formare și radiație ale concentratorului D 1 , D 2 sunt prezentate în Fig.2 a, 6, c, care prezintă graficele parametrilor principali ai sistemul oscilator: modificarea frecvenței de rezonanță naturală f(a), amplificarea coeficientului M p (b) și solicitările mecanice maxime max (c) din raza tranziției netede. Din dependențele obținute s-a constatat că pentru orice raport al dimensiunilor transversale ale suprafețelor de formare și radiație ale concentratorului D 1 , D 2 , efectul minim asupra frecvenței naturale de rezonanță are loc la

În acest caz, câștigul se apropie de maximul posibil și se asigură o reducere semnificativă a tensiunilor mecanice în zona elementelor piezoelectrice.

Studiile experimentale efectuate ne-au permis să confirmăm corectitudinea rezultatelor obținute și să dezvoltăm proiecte practice de sisteme oscilatoare pentru diferite rapoarte ale dimensiunilor transversale ale suprafețelor de formare și radiatoare ale concentratorului D 1 , D 2 .

Astfel, într-un sistem oscilator cu o dimensiune transversală a suprafeței radiante egală cu D 2 = 10 mm și cu o dimensiune transversală a suprafeței formatoare de vibrații D 1 egală cu 38 mm (adică la utilizarea celor mai utilizate elemente piezoelectrice inelare). cu un diametru exterior de 38 mm), sistemul oscilator dezvoltat va asigura amplificarea vibrațiilor ultrasonice generate de elementele piezoelectrice, de nu mai puțin de 11 ori (vezi figura 2).

Rezultate similare au fost obținute și pentru alte valori ale lui D 2 .

Deci, atunci când se utilizează elemente piezoelectrice inelare cu un diametru exterior de 50 mm în sistemul oscilator propus și care asigură un câștig de 10...15, dimensiunea transversală a suprafeței radiante a concentratorului D 2 poate fi egală cu 16 mm.

Pentru a obține un câștig egal cu 10 ... 15 în sistemul oscilator creat cu o dimensiune D 2 \u003d 20 mm, D 1 va fi egal cu doar 70 mm, care este, de asemenea, ușor de implementat în practică (elemente piezoelectrice cu un diametru de 70 mm sunt produse în serie).

Astfel, în timp ce se asigură amplitudinea de oscilație a unui pachet de două elemente piezoelectrice egală cu 5 μm (tensiune de alimentare nu mai mare de 500 ... 700 V), amplitudinea de oscilație a suprafeței radiante a sistemului oscilator va fi de 50 ... mod. de cavitație dezvoltată în prelucrarea mediilor lichide și lichide dispersate, implementarea sudării materialelor polimerice și prelucrarea dimensională a materialelor solide.

Sistemul oscilator cu ultrasunete dezvoltat a furnizat o eficiență (factor de conversie electroacustică) de cel puțin 75% (la radiația în apă).

Implementarea căptușelii reflectorizante cu o dimensiune longitudinală care se schimbă în trepte (adică implementarea suprafeței opuse în contact cu elementele piezoelectrice este variabilă în trepte în diametru), vă permite să creați mai multe dimensiuni rezonante diferite de-a lungul lungimii sistemului oscilator. Fiecare dintre aceste dimensiuni de rezonanță corespunde propriei frecvențe de rezonanță a vibrațiilor mecanice. Alegerea numărului și mărimii treptelor face posibilă obținerea lățimii de bandă necesare (adică asigurarea funcționării sistemului oscilator în domeniul de frecvență determinat de dimensiunile longitudinale maxime și minime ale căptușelii reflectorizante).

Rezultatul tehnic al invenției se exprimă în creșterea eficienței sistemului oscilator ultrasonic (creșterea amplitudinii oscilațiilor introduse în diverse medii) prin asigurarea unei coordonări optime cu mediul și generatorul electronic. Dimensiunea totală longitudinală a sistemului oscilator este redusă de 2 ori, iar greutatea de 4 ori comparativ cu prototipul.

Sistemul oscilator cu ultrasunete dezvoltat în laboratorul de procese și aparate acustice al Institutului Tehnologic Biysk al Universității Tehnice de Stat din Altai a trecut testele de laborator și tehnice și a fost implementat practic ca parte a unei instalații pentru realizarea unei cusături longitudinale de 360 ​​mm lungime la sigilarea pungilor pentru ambalarea produselor vrac.

Producția în serie a sistemelor oscilatoare create este planificată pentru 2005.

Surse de informare

1. Brevet SUA nr. 3113225, 1963

2. Brevet SUA nr. 4607185, 1986

3. Brevet SUA nr. 4651043, 1987

4. Brevet SUA nr. 4363992 (prototip), 1982

5. Tehnologia cu ultrasunete. Ed. B.A. Agranat. - M.: Metalurgie, 1974.

6. Hmelev V.N., Popova O.V. Dispozitive cu ultrasunete multifuncționale și aplicarea lor în producția la scară mică, agricultură și gospodării. Barnaul, Editura AltGTU, 1997, 160 p.

REVENDICARE

Sistem oscilator ultrasonic care conține elemente piezoelectrice și un concentrator, caracterizat prin aceea că este alcătuit dintr-un concentrator paralel cu suprafața care formează vibrații ultrasonice și conectat acustic la acesta pachete dintr-un număr par de elemente piezoelectrice instalate în serie, pe care plăci reflectorizante sunt conectate acustic la acesta. acestea sunt amplasate opus celei de contact cu elemente piezoelectrice a căror suprafață este realizată plană sau în trepte-variabilă în diametru, iar dimensiunile și numărul de trepte sunt selectate din condiția obținerii unei lățimi de bandă date, concentratorul are o punctul de atașare și se termină cu o suprafață care emite vibrații ultrasonice cu un instrument de lucru, suprafețele de formare și radiație ale concentratorului sunt dreptunghiulare în secțiune transversală de aceeași lungime, iar raportul dimensiunilor lor transversale este selectat din condiția asigurării unui câștig dat. factor al concentratorului, lungimea totală a reflectorului n căptușeală, un pachet de elemente piezoelectrice și o secțiune a concentratorului la punctul de atașare este egală cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului, dimensiunile secțiunii concentratorului pe care se face o tranziție lină și secțiunea cu o dimensiune transversală corespunzătoare suprafeței radiante, corespunde unei șase din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice în concentratorul de material, iar tranziția lină se face radială, iar dimensiunile sale sunt selectate din condiția

unde L z este lungimea tranziției netede;

D1, D2 - dimensiunile transversale ale suprafețelor de formare și radiante ale concentratorului.

Pentru a calcula transformatorul de viteză cu ultrasunete, al cărui rol în schema luată în considerare este jucat de un concentrator în trepte, vom folosi forma generală a ecuației oscilațiilor longitudinale (2.1). Deoarece presupunerea că concentratorul are propria frecvență și efectuează oscilații armonice este valabilă și în acest caz, soluția ecuației (2.1) poate fi reprezentată ca

În mod similar, pentru un cilindru echivalent în masă cu un cap de lustruit cu diamant cu elemente de atașare la concentratorul de vibrații, putem scrie

, (2.18)

Unde de la 4- viteza sunetului în materialul cilindrului, echivalentă în masă cu instrumentul de netezire cu elemente de fixare.

Condiții de limită pentru un sistem oscilator cu originea într-un punct O 2 poate fi scris ca

La ; (2,19)

la ; (2,20)

pentru , (2.21)

Unde E 4 - modulul de tracțiune al materialului elementului structural al capului de netezire; S 3 și S 4 sunt zonele secțiunii transversale ale piciorului concentratorului, cu diametru mic și, respectiv, cilindrul echivalent; a 2- lungimea etajului de diametru mic concentrator; b este înălțimea cilindrului echivalent.

În condiția (2.19), din ecuația (2.17) obținem

;

. (2.22)

Ținând cont de prima parte a condiției (2.20), din ecuațiile (2.17) și (2.18) obținem

A doua parte a condiției (2.20) poate fi transformată în forma

. (2.24)

Lungimea unei trepte cu un diametru mai mare al concentratorului se determină din expresia (2.27), ținând cont de faptul că, din cauza absenței unei sarcini sub forma unui cap de lustruit cu diamante cu elemente de fixare la capătul concentratorului treptat, și :

. (2.28)

Pentru un transformator de viteză cu un sistem acustic de 1/2 undă, când lungimea unui pas este de 1/4 și , avem

Pentru un cilindru echivalent în masă cu un cap de netezire cu elemente de fixare, putem scrie

. (2.30)

. (2.31)

b) 3/4 - undă vibrație ultrasonică

Sistemul oscilator al unei astfel de unități are un posibil punct de atașare, ceea ce face posibilă reducerea lungimii unității cu 1/4 din unda acustică. Pentru posibilitatea de fixare rigidă, traductorul piezoelectric compozit dintr-un astfel de circuit este de obicei realizat asimetric (Fig. 2.3). În acest caz, o treaptă cu un diametru mai mic al transformatorului de viteză cu o unealtă de lustruire este conectată direct la antinodul de oscilație, care este situat la capătul convertorului compozit. Prin urmare, acest pas ar trebui considerat ca o sarcină a traductorului piezoelectric, care impune în consecință caracteristici pentru calculul uneia dintre suprapunerile sale de reducere a frecvenței.

Pentru cazul oscilațiilor armonice ale acționării, în conformitate cu schema de proiectare (Fig. 2.3), soluția ecuației generale (2.1) a oscilațiilor longitudinale poate fi scrisă ca

, (2.32)

. (2.33)

Condițiile la limită în conformitate cu schema de proiectare pot fi reprezentate ca