≡× MENU

• Naprawa
• Naprawa
• Projektowanie wnętrz
• O wszystkim
• O hydraulice

Koncentratory i falowody drgań ultradźwiękowych. Obliczanie koncentratorów dla instalacji mikrospawania ultradźwiękowego. Obliczanie sztucznego oświetlenia

Podczas instalowania przewodów w SPP dla energoelektroniki stosuje się głównie USS. Głównymi parametrami procesu w tej metodzie mikrospawania są: amplituda drgań końcówki roboczej narzędzia, która zależy od mocy elektrycznej przetwornicy i konstrukcji układu oscylacyjnego; siła ściskająca spawanych elementów; czas włączenia drgań ultradźwiękowych (czas zgrzewania).

Istotą metody USS jest występowanie tarcia na styku łączonych elementów, w wyniku którego dochodzi do zniszczenia warstw tlenkowych i zaadsorbowanych, powstania kontaktu fizycznego oraz powstania ośrodków wiązania pomiędzy łączonymi częściami.

Koncentrator ultradźwiękowy jest jednym z głównych elementów układów oscylacyjnych instalacji mikrospawania. Koncentratory wykonywane są w postaci układów prętowych o płynnie zmieniającym się przekroju, ponieważ powierzchnia promieniowania konwertera jest zawsze znacznie większa niż powierzchnia złącza spawanego. Koncentrator jest podłączony do przetwornika za pomocą większej sekcji wejściowej, a przyrząd ultradźwiękowy jest podłączony do mniejszej sekcji wyjściowej. Zadaniem koncentratora jest przekazywanie drgań ultradźwiękowych z przetwornika do przyrządu ultradźwiękowego przy jak najmniejszych stratach i z największą wydajnością.

W technologii ultradźwiękowej znanych jest wiele rodzajów koncentratorów. Do najczęściej stosowanych należą koncentratory: schodkowy, wykładniczy, stożkowy, katenoidalny i typu „cylinder-katenoid”. W oscylacyjnych układach instalacji często stosuje się koncentratory stożkowe. Wyjaśnia to fakt, że są one proste w obliczeniu i produkcji. Jednak z pięciu wymienionych powyżej koncentratorów, koncentrator stożkowy ma największe straty na skutek tarcia wewnętrznego, rozprasza najwięcej mocy, a co za tym idzie, bardziej się nagrzewa. Największą stabilność charakteryzują koncentratory o najmniejszym stosunku średnic wejściowych i wyjściowych przy tym samym wzmocnieniu K y . Pożądane jest również, aby jego długość „półfali” była minimalna. Do celów mikrospawania stosuje się koncentratory z 2

Materiał koncentratora musi charakteryzować się dużą wytrzymałością zmęczeniową, niskimi stratami, dać się łatwo lutować twardymi lutami, być łatwym w obróbce i stosunkowo niedrogim.

Obliczenie koncentratora ultradźwiękowego sprowadza się do określenia jego długości, przekroju wlotowego i wylotowego oraz kształtu profilu jego powierzchni bocznych. Przy obliczeniach przyjmuje się następujące założenia: a) fala płaska rozchodzi się wzdłuż koncentratora; b) wibracje mają charakter harmoniczny; c) koncentrator oscyluje tylko wzdłuż linii środkowej; d) straty mechaniczne w koncentratorze są małe i zależą liniowo od amplitudy drgań (odkształceń).

Zysk teoretyczny K amplitudę oscylacji koncentratora wykładniczego określa się z wyrażenia

Gdzie D0 I D 1– odpowiednio średnice sekcji wlotowej i wylotowej koncentratora, mm; N– stosunek średnicy odcinka wlotowego koncentratora do wylotu.

Długość piasty oblicza się ze wzoru

(2)

Gdzie Z– prędkość propagacji drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora, mm/s; F– częstotliwość robocza, Hz.

Położenie płaszczyzny węzłowej x 0(punkty mocowania falowodu) wyraża się zależnością

(3)

Kształt tworzącej profilu części katenoidalnej koncentratora oblicza się z równania

(4)

gdzie jest współczynnikiem kształtu tworzącej; X– bieżąca współrzędna na długości koncentratora, mm.

W pracy opracowano program komputerowy do obliczania parametrów pięciu typów koncentratorów ultradźwiękowych: koncentratora wykładniczego, schodkowego, stożkowego, katenoidalnego i typu „cylinder-katenoid”, zrealizowanego w języku Pascal (kompilator Turbo-Pascal-8.0). Dane wyjściowe do obliczeń to: średnice odcinków wlotowego i wylotowego ( D0 I D 1), częstotliwość robocza ( F) oraz prędkość propagacji drgań ultradźwiękowych w materiale (-ach) koncentratora. Program umożliwia obliczenie długości, położenia płaszczyzny węzłowej, wzmocnienia, a także dla koncentratorów wykładniczych, katenoidalnych i „cylindrów-katenoidów” kształtu tworzącej z zadanym krokiem. Schemat blokowy algorytmu obliczania koncentratora wykładniczego pokazano na rys. 6.9.

Przykład obliczeń. Oblicz parametry półfalowego koncentratora wykładniczego, jeśli podana jest częstotliwość pracy F= 66 kHz; średnica wlotu D0= 18 mm, wyjście D 1=6 mm; materiał koncentratora – stal 30KhGSA (prędkość ultradźwiękowa w materiale Z= 5,2·10 6 mm/s).

Korzystając ze wzoru (1) wyznaczamy wzmocnienie koncentratora.

Ryż. 6.9. Schemat blokowy algorytmu obliczania koncentratora wykładniczego

Zgodnie z wyrażeniami (2) i (3), długość koncentratora , położenie płaszczyzny węzłowej mm.

Równanie (4) do obliczenia kształtu profilu koncentratora po podstawieniach przyjmuje postać:

Obliczenia z wykorzystaniem programu komputerowego profilu generatora koncentratora wykładniczego z parametrem krok po kroku X, równe 5 mm, podano w tabeli. 6.1. Według tabeli. 6.1 zaprojektowano profil koncentratora.

Tabela 6.1. Dane obliczeniowe profilu piasty

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

W tabeli W tabeli 6.2 przedstawiono wyniki obliczeń parametrów różnych typów koncentratorów ultradźwiękowych wykonanych ze stali 30KhGSA (z D0= 18 mm; D 1= 6 mm; F= 66 kHz).

Tabela 6.2. Parametry koncentratorów ultradźwiękowych

* l 1 I l 2– odpowiednio długość części cylindrycznej i katenoidalnej koncentratora.

5 ROZWÓJ ULTRADŹWIĘKOWYCH SYSTEMÓW WIBRACYJNYCH DO REALIZACJI PROCESU TECHNOLOGICZNEGO OBRÓBKI WYMIAROWEJ

1. Schematy projektowe i skład ultradźwiękowych układów oscylacyjnych

Każda ultradźwiękowa instalacja technologiczna, w tym ultradźwiękowe urządzenia do obróbki wymiarowej materiałów, zawiera źródło energii (elektryczny generator drgań) i ultradźwiękowy układ oscylacyjny.

Ultradźwiękowy układ oscylacyjny składa się z przetwornika, elementu dopasowującego i narzędzia roboczego (emitera).

W przetworniku (elementze aktywnym) układu oscylacyjnego energia drgań elektrycznych zostaje zamieniona na energię drgań sprężystych o częstotliwości ultradźwiękowej i powstaje zmienna siła mechaniczna.

Dopasowany element układu (koncentrator pasywny) dokonuje transformacji prędkości i zapewnia koordynację obciążenia zewnętrznego i aktywnego elementu wewnętrznego.

Narzędzie robocze wytwarza pole ultradźwiękowe w obrabianym przedmiocie lub bezpośrednio na niego oddziałuje.

Najważniejszą cechą ultradźwiękowych układów oscylacyjnych jest częstotliwość rezonansowa. Wynika to z faktu, że o efektywności procesów technologicznych decyduje amplituda oscylacji (wartości przemieszczeń oscylacyjnych), a maksymalne wartości amplitud osiąga się przy wzbudzeniu ultradźwiękowego układu oscylacyjnego częstotliwością rezonansową. Wartości częstotliwości rezonansowych ultradźwiękowych układów oscylacyjnych muszą mieścić się w dozwolonych zakresach (w przypadku urządzeń ultradźwiękowych do obróbki wymiarowej częstotliwości te odpowiadają 18, 22, 44 kHz).

Stosunek energii zgromadzonej przez ultradźwiękowy układ oscylacyjny do energii wykorzystanej do oddziaływania technologicznego w każdym okresie oscylacji nazywany jest współczynnikiem jakości układu oscylacyjnego. Współczynnik jakości określa maksymalną amplitudę oscylacji przy częstotliwości rezonansowej i charakter zależności amplitudy oscylacji od częstotliwości (tj. Szerokość zakresu częstotliwości).

Wygląd typowego ultradźwiękowego układu oscylacyjnego pokazano na rysunku 5.1. Składa się z konwertera - 1, transformatora (piasty) - 2, narzędzia roboczego - 3, wspornika - 4 i obudowy - 5.

Rozkład amplitudy drgań A i sił (naprężeń mechanicznych) F w układzie oscylacyjnym ma postać fal stojących (pod warunkiem pominięcia strat i promieniowania).

Jak widać z rysunku 5.1, istnieją płaszczyzny, w których przemieszczenia i naprężenia mechaniczne są zawsze zerowe. Płaszczyzny te nazywane są płaszczyznami węzłowymi. Płaszczyzny, w których przemieszczenia i naprężenia są minimalne, nazywane są antywęzłami. Maksymalne wartości przemieszczeń (amplitudy) zawsze odpowiadają minimalnym wartościom naprężeń mechanicznych i odwrotnie. Odległości między dwiema sąsiednimi płaszczyznami węzłowymi lub antywęzłami są zawsze równe połowie długości fali.

Rysunek 5.1 - Dwupółfalowy układ oscylacyjny i rozkład amplitud drgań A oraz efektywnych naprężeń mechanicznych F

Układ oscylacyjny zawsze posiada połączenia zapewniające akustyczne i mechaniczne połączenie jego elementów. Połączenia mogą być trwałe, jednak w przypadku konieczności zmiany narzędzia roboczego połączenia wykonuje się na gwint.

Ultradźwiękowy układ oscylacyjny wraz z obudową, urządzeniami zasilającymi i otworami wentylacyjnymi wykonywany jest zwykle w postaci osobnego zespołu. W przyszłości używając terminu ultradźwiękowy układ oscylacyjny będziemy mówić o całym urządzeniu jako całości.

Układ oscylacyjny stosowany w urządzeniach ultradźwiękowych do celów technologicznych musi spełniać szereg wymagań ogólnych:

1). Działać w danym zakresie częstotliwości;

2). Praca ze wszystkimi możliwymi zmianami obciążenia w trakcie procesu technologicznego;

3). Zapewnij wymagane natężenie promieniowania lub amplitudę drgań;

4). Mają najwyższą możliwą wydajność;

5). Części ultradźwiękowego układu oscylacyjnego mające kontakt z cieczą muszą wykazywać odporność na kawitację;

6). Mają sztywne mocowanie w korpusie;

7). Musi mieć minimalne wymiary i wagę;

8). Muszą zostać spełnione wymogi bezpieczeństwa.

Ultradźwiękowy układ wibracyjny pokazany na rysunku 5.1 jest układem wibracyjnym o dwóch półfalach. W nim przetwornik ma rozmiar rezonansowy równy połowie długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale przetwornika. Aby zwiększyć amplitudę oscylacji i dopasować przetwornik do przetwarzanego medium, stosuje się koncentrator, którego wielkość rezonansowa odpowiada połowie długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora.

Jeżeli układ oscylacyjny pokazany na rysunku 5.1 jest wykonany ze stali (prędkość propagacji drgań ultradźwiękowych w stali jest większa niż 5000 m/s), to jego wymiar wzdłużny jest większy niż 23 cm.

Aby spełnić wymagania dotyczące dużej zwartości i małej masy, stosuje się półfalowe układy oscylacyjne, składające się z przetwornika ćwierćfalowego i koncentratora. Taki układ oscylacyjny pokazano schematycznie na rysunku 5.2. Oznaczenia elementów układu oscylacyjnego odpowiadają oznaczeniom na rysunku 5.1.

Realizując konstruktywny obwód półfalowy, można zapewnić minimalny możliwy rozmiar wzdłużny i masę ultradźwiękowego układu oscylacyjnego, a także zmniejszyć liczbę połączeń mechanicznych.

Wadą takiego układu oscylacyjnego jest połączenie przetwornika z koncentratorem w płaszczyźnie największych naprężeń mechanicznych. Jednakże tę wadę, jak zostanie pokazane poniżej, można częściowo wyeliminować poprzez przesunięcie elementu aktywnego przetwornika od punktu maksymalnego efektywnego naprężenia.

Drgania ultradźwiękowe o dużym natężeniu w urządzeniach technologicznych powstają przy wykorzystaniu przetworników magnetostrykcyjnych i piezoelektrycznych.

Rysunek 5.2 - Półfalowy układ oscylacyjny i rozkład amplitud drgań A i naprężeń eksploatacyjnych F

Przetworniki magnetostrykcyjne są w stanie zapewnić duże moce promieniowania drgań ultradźwiękowych, wymagają jednak stosowania wymuszonego chłodzenia wodą. To sprawia, że ​​nie nadają się do stosowania w wielofunkcyjnych urządzeniach o małych rozmiarach i powszechnym zastosowaniu.

Materiały piezoceramiczne charakteryzują się bardzo wysoką temperaturą pracy (ponad 200°C) i dlatego stosowane są bez wymuszonego chłodzenia. Dlatego przetwornice o mocy do 1 kW są z reguły wykonane ze sztucznych materiałów piezoceramicznych na bazie tytanianu cyrkonianu ołowiu z różnymi dodatkami.

Nowoczesne materiały piezoceramiczne, takie jak PKR-8M, TsTS-24, przeznaczone do stosowania w instalacjach technologicznych o dużym natężeniu, nie ustępują materiałom magnetostrykcyjnym pod względem mocy, a znacznie przewyższają je wydajnością.

Ponadto z piezoceramiki można wykonać elementy piezoelektryczne o niemal dowolnym kształcie - dyski okrągłe, płytki kwadratowe, pierścienie itp. Ponieważ elementy piezoceramiczne podczas produkcji poddawane są specjalnej operacji technologicznej - polaryzacji w polu elektrycznym o sile około 5 kV/ mm, produkcja elementów piezoelektrycznych o średnicy większej niż 70 mm i grubości większej niż 30 mm jest technologicznie niemożliwa i dlatego nie są one stosowane w praktyce.

Płytki okrągłe i elementy pierścieniowe wykonane są z piezoceramiki, a ich wymiary przedstawiono w tabeli 5.1.

O wielkości wzdłużnej piezoelementu (jego grubości) decydują właściwości materiału i dana częstotliwość pracy. Przy zastosowaniu piezomateriałów typu PZT lub PKR, charakteryzujących się prędkością propagacji podłużnych drgań ultradźwiękowych  3500 m/s, półfalowy przetwornik rezonansowy o częstotliwości 22 kHz będzie miał wymiar podłużny równy

.

Tabela 5.1 - Standardowe rozmiary produkowanych elementów piezoelektrycznych

Średnica zewnętrzna, mm
Średnica wewnętrzna, mm
Grubość, mm

Piezoelementy o takiej grubości nie są produkowane przemysłowo. Dlatego w ultradźwiękowych układach oscylacyjnych wykonanych na bazie materiałów piezoceramicznych stosuje się przetworniki typu sandwicz proponowane przez Langevina.

Przetworniki takie składają się z dwóch cylindrycznych płytek metalowych, pomiędzy którymi zamocowany jest aktywny element piezoceramiczny. Metalowe podkładki pełnią rolę dodatkowych mas i wyznaczają częstotliwość rezonansową przetwornika.

Element aktywny jest wzbudzany w taki sposób, że cały układ pracuje jak półfalowy przetwornik rezonansowy. Typowy obwód konwertera półfalowego pokazano na rysunku 5.3.

Rysunek 5.3 - Półfalowy przetwornik piezoelektryczny

Przetwornik składa się z dwóch piezoceramicznych elementów pierścieniowych 1, podkładki promieniującej 2, podkładki odblaskowej 3, podkładek wykonanych z miękkiej folii przewodzącej 4 oraz śruby dociskowej 5. Tuleja izolacyjna 6 służy do izolacji elektrycznej wewnętrznej cylindrycznej powierzchni elementów piezoelektrycznych od metalową śrubę dociągającą.

Podczas montażu przetworników powierzchnie łączące elementów piezoelektrycznych i podkładek są dokładnie szlifowane. Śruba do drewna i miękkie (zwykle miedziane) elementy dystansowe zapewniają mocne połączenie mechaniczne. Wytworzenie wstępnych naprężeń mechanicznych w elementach piezoelektrycznych (ponad 20 MPa/cm2) pozwala na zwiększenie sprawności przetwornika. Aby wytworzyć niezbędne siły dokręcające, stosuje się śruby dociągające M12...M18 z drobnym gwintem. Konieczność stosowania śrub o określonych średnicach powoduje konieczność stosowania pierścieniowych elementów piezoelektrycznych w przetwornicach o średnicy wewnętrznej większej niż 14 mm (biorąc pod uwagę konieczność stosowania tulei izolacyjnych).

Miedź pod wpływem kurczących się nacisków rozpływa się, wypełnia mikronierówności na powierzchniach elementów piezoelektrycznych (wypełnieniach) i nakładkach, zapewniając w ten sposób niezawodny kontakt akustyczny. Aby zmniejszyć napięcie wzbudzenia zasilające przetwornik ultradźwiękowy, a także zapewnić możliwość uziemienia pola górnego i dolnego, element aktywny zmontowany jest z dwóch elementów piezoelektrycznych o tej samej grubości. Elementy piezoelektryczne są zamontowane w taki sposób, że ich wektory polaryzacji są skierowane przeciwnie. W tym przypadku wymagane napięcie wzbudzenia zmniejsza się o połowę, a rezystancja przetwornika przy częstotliwości rezonansowej stanowi jedną czwartą rezystancji przetwornika z jedną płytką.

Na sprawność przetwornika wpływa położenie piezoelementów w układzie (w płaszczyźnie węzłowej, w antywęźle lub w położeniu pośrednim pomiędzy węzłem a antywęzłem oscylacji), grubość piezoelementów, stosunek specyficzne opory falowe (iloczyn gęstości materiału i prędkości propagacji w nim drgań ultradźwiękowych) piezoelementów i podkładek.

Najcięższe warunki pod względem właściwości wytrzymałościowych powstają, gdy piezoelementy znajdują się w węzłowej płaszczyźnie drgań, tj. w płaszczyźnie maksymalnego naprężenia mechanicznego. Specyficzna moc promieniowania konwertera w tym przypadku jest ograniczona wytrzymałością piezomateriału. Umieszczenie elementów piezoelektrycznych na końcu przetwornicy (na przeciwwęźle drgań) pozwala na uzyskanie maksymalnej sprawności. Zmniejszone zostają naprężenia mechaniczne w części roboczej, co umożliwia zwiększenie mocy sygnału elektrycznego dostarczanego do elementów piezoelektrycznych. Jednak duża rezystancja wejściowa przetwornicy w tym przypadku wymaga znacznego zwiększenia napięcia zasilania, co jest niepożądane w przypadku urządzeń wielofunkcyjnych stosowanych zwłaszcza w warunkach domowych.

W przypadku stosowania przetworników z aktywnymi elementami piezoceramicznymi duże znaczenie ma stabilność ich pracy. Straty w materiale piezoceramicznym, okładzinach i wspornikach prowadzą do własnego nagrzania konwertera. Dodatkowo w procesie technologicznym obrabiane materiały ulegają nagrzewaniu i zmianie obciążenia zewnętrznego na skutek zmian właściwości przetwarzanych materiałów. Te czynniki destabilizujące prowadzą do zmian częstotliwości rezonansowej przetwornicy, jej impedancji wejściowej i mocy wypromieniowanej.

Wpływ tych czynników destabilizujących jest maksymalny, gdy piezoelementy znajdują się w płaszczyźnie węzłowej.

Optymalną opcją pracy przetwornika kompozytowego jest umieszczenie elementów piezoelektrycznych pomiędzy płaszczyzną węzłową a końcem podkładki odblaskowej. W tym przypadku uzyskuje się pośrednie uśrednione warunki wytrzymałości piezomateriału, wydajności i stabilności konwertera.

Maksymalna amplituda oscylacji przetworników piezoelektrycznych, nawet w trybie rezonansowym, jest niewielka (zwykle nie większa niż 3...10 μm). Dlatego w celu zwiększenia amplitudy drgań narzędzia roboczego i dopasowania przetwornika do obciążenia (przetworzonego medium) stosuje się koncentratory ultradźwiękowe. Aby uzyskać wysoką sprawność elektroakustyczną konieczne jest, aby stosunek rezystancji przetwarzanego medium (stosunek emitowanej mocy akustycznej do kwadratu prędkości oscylacyjnej) do rezystancji wewnętrznej przetwornika wynosił w przybliżeniu 10. W praktyce przetworniki o natężeniu 3...10 W/cm 2 mają ten współczynnik równy 0, 65...0,85.

Dlatego też maksymalną efektywność dopasowania konwertera do przetwarzanego medium zapewnia zastosowanie koncentratorów o wzmocnieniu około 10 (dokładniej od 12 do 15).

Koncentratory to cylindryczne pręty o zmiennym przekroju, wykonane z metalu. Ze względu na kształt tworzący koncentratory dzielą się na stożkowe, wykładnicze, katenoidalne i schodkowe. Wygląd koncentratorów, rozkład amplitud drgań i naprężeń mechanicznych przedstawiono na rysunku 5.4.

Jak wynika z rysunku 5.4, najkorzystniejsze pod względem możliwości uzyskania znacznych amplitud przemieszczeń przy małych obciążeniach są koncentratory schodkowe, w których współczynnik wzmocnienia amplitudy jest równy stosunkowi pól sekcji wejściowej i wyjściowej (tj. kwadrat stosunku średnic sekcji wyjściowej i wejściowej). Jednak pod względem możliwości dopasowania konwertera do otoczenia koncentratory takie znacznie ustępują koncentratorom stożkowym, wykładniczym i katenoidalnym.

Rysunek 5.4 - Koncentratory drgań ultradźwiękowych i rozkład amplitud A i naprężeń mechanicznych F: a - stożkowy, b - wykładniczy, c - katenoidalny, d - schodkowy

Ultradźwiękowy układ oscylacyjny z koncentratorem schodkowym charakteryzuje się wąskim pasmem częstotliwości roboczej, a co za tym idzie bardzo ograniczoną możliwością regulacji częstotliwości przy zmianie obciążenia. Niewielkie odchylenia częstotliwości rezonansowej układu oscylacyjnego od częstotliwości rezonansowej koncentratora schodkowego prowadzą do gwałtownego wzrostu rezystancji wejściowej, a w konsekwencji do zmniejszenia sprawności całego układu oscylacyjnego.

Duże naprężenia mechaniczne powstające w strefie przejściowej pomiędzy przekrojami o różnych średnicach podczas pracy z amplitudami większymi niż 20 mikronów powodują silne nagrzewanie koncentratora i w konsekwencji znaczne zmiany częstotliwości oscylacji układu. Dlatego koncentratory schodkowe nie mają wystarczającej wytrzymałości, a ich żywotność jest bardzo krótka ze względu na pojawienie się pęknięć zmęczeniowych.

Wymienione wady wykluczają możliwość stosowania koncentratorów schodkowych w układach oscylacyjnych zapewniających powstawanie oscylacji ultradźwiękowych o dużym natężeniu o amplitudzie rzędu 30...50 µm i większej.

Koncentratory o kształcie stożkowym, wykładniczym i katenoidalnym zapewniają korzystniejsze warunki przenoszenia drgań ultradźwiękowych na obciążenie i uzyskiwania niezbędnych charakterystyk wytrzymałościowych układów oscylacyjnych. Jednakże współczynniki wzmocnienia takich koncentratorów nie przekraczają stosunku średnic sekcji wyjściowej i wejściowej. Dlatego przy znacznych wyjściowych powierzchniach przekroju poprzecznego (do 5 cm 2 i więcej), a co za tym idzie narzędziu roboczym, aby uzyskać odpowiednio duże wartości wzmocnienia, wymagane są tak duże wejściowe wymiary przekroju poprzecznego, które praktycznie z góry determinują brak możliwości zastosowania takich koncentratorów w urządzeniach wielofunkcyjnych.

Koncentratory kompozytowe mają bardziej zaawansowane formy strukturalne. Szczególnie obiecujące są koncentratory schodkowe z płynnymi przejściami wykładniczymi lub promieniowymi (rysunek 5.5).

Rysunek 5.5 - Złożony koncentrator krokowo-wykładniczy

Takie koncentratory umożliwiają, przy stosunkowo małych przekrojach wejściowych, uzyskanie współczynników wzmocnienia, które praktycznie odpowiadają współczynnikom wzmocnienia schodkowego klasycznego koncentratora. Obecność przekroju wykładniczego przejściowego zmniejsza koncentrację naprężeń i zapewnia korzystniejsze warunki propagacji drgań ultradźwiękowych oraz poprawia właściwości wytrzymałościowe koncentratorów. Ponadto obecność przekroju wykładniczego umożliwia transformację obciążenia bez znaczącej zmiany trybu rezonansowego ultradźwiękowego układu oscylacyjnego.

Korzystanie z podanych w pracy zależności teoretycznych przy projektowaniu koncentratorów schodkowych z płynnymi przejściami jest bardzo pracochłonne i wymaga uciążliwych obliczeń. Dlatego najczęściej stosuje się technikę obliczeniową, uzyskaną w wyniku badań eksperymentalnych oryginalnych wyrażeń analitycznych w szerokim zakresie zmian parametrów wymiarowych koncentratorów. W kolejnym podrozdziale pokazano, jak przeprowadza się praktyczne obliczenia ultradźwiękowych układów oscylacyjnych z rozważanymi schodkowymi koncentratorami kompozytowymi.

1. Kompaktowy ultradźwiękowy system wibracyjny do narzędzi ręcznych

Przy tworzeniu ultradźwiękowych układów oscylacyjnych dla urządzeń wielofunkcyjnych należy zapewnić co najmniej 10-krotne zwiększenie amplitudy drgań narzędzia roboczego przy zastosowaniu koncentratora oraz spełnić wymagania zwiększonej zwartości. W tym przypadku, jak wspomniano wcześniej, stosuje się układy oscylacyjne z przetwornikiem ćwierćfalowym i koncentratorem. Wadą takich układów jest połączenie przetwornika (piezoelektrycznego) z koncentratorem w płaszczyźnie największych naprężeń mechanicznych. Wadę tę eliminuje układ oscylacyjny wykonany w postaci korpusu obrotowego utworzonego z dwóch metalowych płytek, pomiędzy którymi, nad zespołem wypierania fali ultradźwiękowej, umieszczone są elementy piezoelektryczne.

Amplituda oscylacji jest zwiększona dzięki temu, że tworząca korpus obrotowy układu oscylacyjnego jest wykonana w postaci ciągłej krzywej, na przykład katenoid, wykładników itp., Zapewniając koncentrację energii ultradźwiękowej. Po przyłożeniu napięcia elektrycznego do elektrod elementów piezoelektrycznych powstają drgania mechaniczne, które są wzmacniane poprzez wykonanie podkładek w postaci ciągłej krzywizny, a następnie przenoszone na narzędzie robocze.

Z punktu widzenia zapewnienia optymalnego dopasowania rezystancji wejściowej elementu aktywnego do rezystancji przetwarzanego medium, konieczne jest wykonanie generatorów odbijających i promieniujących podkładek roboczych w postaci korpusu obrotowego o średnicy tworząca wykonana w formie katenoidy. Wzmocnienie będzie maksymalne i może osiągnąć wartości równe:

Gdzie: N = D/d, D - średnica maksymalna (średnica podkładki odblaskowej), d - średnica minimalna (średnica emitującej podkładki roboczej na połączeniu z narzędziem).

W przypadku ultradźwiękowych układów oscylacyjnych wykonanych w postaci korpusu obrotowego z tworzącą wykładniczą lub stożkową wzmocnienie będzie jeszcze mniejsze.

Jak zauważono, w rozważanym układzie oscylacyjnym elementy piezoelektryczne znajdują się powyżej węzła przemieszczenia. Odległość między nimi a końcem układu oscylacyjnego dobiera się tak, aby w obszarze umieszczenia elementów piezoelektrycznych naprężenia dynamiczne miały wartości nie przekraczające 0,3 F max, co zwiększa niezawodność i stabilność pracy układu.

Rozważmy, czy rozważany układ oscylacyjny można zastosować w urządzeniach wielofunkcyjnych do celów technologicznych.

Zatem, aby uzyskać wzmocnienie K równe 10, przy średnicy powierzchni czołowej promieniującej podkładki roboczej równej 10 mm, zgodnie z powyższym wzorem, należy zastosować tylną płytkę o średnicy 90 mm. Tak znaczny wzrost wymiarów układu oscylacyjnego nie tylko prowadzi do pojawienia się drgań promieniowych, które znacznie zmniejszają wzmocnienie, ale jest również praktycznie niemożliwy do zrealizowania ze względu na brak elementów piezoelektrycznych o dużych średnicach (ponad 70 mm). .

W związku z tym zaproponowano i opracowano ultradźwiękowy układ oscylacyjny w postaci korpusu obrotowego składającego się z dwóch podkładek i dwóch elementów piezoelektrycznych umieszczonych pomiędzy tymi podkładkami, tak że tworząca korpusu obrotowego wykonana jest w postaci ciągłego, fragmentarycznie gładkiego krzywa składająca się z trzech odcinków. Pierwsza sekcja jest cylindryczna o długości l 1, druga jest wykładnicza o długości l z, trzecia jest cylindryczna o długości l 2.

Elementy piezoelektryczne znajdują się pomiędzy sekcją wykładniczą a końcem podkładki odblaskowej. Długości odcinków spełniają następujące warunki:

,

,

,

gdzie с 1, с 2 - prędkość propagacji drgań ultradźwiękowych w materiałach okładzin, (m/s);

c jest prędkością propagacji drgań ultradźwiękowych w materiale elementu piezoelektrycznego, (m/s);

/2 - częstotliwość robocza układu oscylacyjnego, (Hz);

h - grubość elementu piezoelektrycznego, (m);

k 1, k 2 - współczynniki wybrane z warunku zapewnienia maksymalnego (lub wymaganego) wzmocnienia K dla danego N.

Rozpatrywany ultradźwiękowy układ oscylacyjny pokazano schematycznie na rysunku 5.6. Na tym samym rysunku przedstawiono rozkład amplitud drgań i naprężeń mechanicznych F w układzie, pod warunkiem pominięcia strat energii i promieniowania. Antywęzły przemieszczenia w przybliżeniu odpowiadają węzłom naprężeń mechanicznych i odwrotnie, tj. rozkład przemieszczeń i sił ma postać fal stojących.

Ultradźwiękowy układ oscylacyjny zawiera obudowę 1, w której za pomocą elementów mocujących poprzez wspornik 2 w jednostce wyporowej przymocowany jest ultradźwiękowy układ oscylacyjny, składający się z odblaskowej metalowej podkładki 3, elementów piezoelektrycznych 4, do których elektrod elektryczne napięcie wzbudzające promieniującej metalowej podkładki 5 jest dostarczane za pomocą kabla połączeniowego, do tego ostatniego przymocowane jest narzędzie robocze 6.

Tworząca korpus obrotowy, składająca się z podkładek i elementów piezoelektrycznych układu oscylacyjnego, wykonana jest w postaci ciągłej, odcinkowo gładkiej krzywej zawierającej trzy sekcje. Pierwsza – cylindryczna – zawiera podkładkę odblaskową 3 i elementy piezoelektryczne 4. Sekcja druga (wykładnicza) i trzecia (cylindryczna) reprezentują podkładkę roboczą 5.

R
Rysunek 5.6 - Ultradźwiękowy układ oscylacyjny

Długości odcinków dobiera się zgodnie z powyższymi wzorami.

Uzyskanie zależności analitycznych do praktycznych obliczeń przy projektowaniu układów oscylacyjnych komplikuje brak szeregu dokładnych danych dotyczących propagacji drgań w prętach o zmiennym przekroju poprzecznym, wykonanych z naprzemiennie różnych materiałów. Obliczenia przybliżone wymagają uciążliwych obliczeń, dlatego podane zależności wykorzystano w połączeniu z zależnościami graficznymi uzyskanymi w wyniku praktycznych badań koncentratorów o różnych stosunkach parametrów l 1, l z, l 2.

Uzyskane wyniki pokazujące zależność wzmocnienia złożonego schodkowo-wykładniczego układu oscylacyjnego od współczynników k 1 i k 2, które określają długości sekcji wejściowej i wyjściowej, przedstawiono na rysunku 5.7.

Zakładając, że współczynnik zawężenia przekroju wykładniczego od średnicy D do d jest równy N, mniejszy niż 3, maksymalne wzmocnienie układu jest zapewnione przy k 1 = k 2 =1,15...1,2 i jego wartość zbliża się do współczynnik wzmocnienia piasty stopniowej. W przypadku N > 3 maksymalne wzmocnienie układu oscylacyjnego jest zapewnione przy współczynnikach korekcyjnych k 1 i k 2 równych 1,1 i w praktyce nie osiąga wartości odpowiadających wzmocnieniu koncentratora schodkowego. Przy N = 3 wzmocnienie złożonego krokowo-wykładniczego układu oscylacyjnego osiąga 85% wzmocnienia schodkowego klasycznego koncentratora i spada wraz z dalszym wzrostem N.

Z przedstawionych danych eksperymentalnych wynika, że ​​maksymalne wzmocnienie rozpatrywanego układu oscylacyjnego osiąga się przy k 1 = k 2 = k i dość dobrze opisuje wzór

Wynalazek dotyczy technologii ultradźwiękowej, a mianowicie konstrukcji ultradźwiękowych układów oscylacyjnych. Technicznym rezultatem wynalazku jest zwiększenie amplitudy oscylacji przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii, zmniejszeniu gabarytów i masy. Ultradźwiękowy układ oscylacyjny zbudowany jest z pakietów elementów piezoelektrycznych umieszczonych na powierzchni wibrującej koncentratora. Na opakowaniach piezoelementów znajdują się podkładki odblaskowe, których powierzchnia w przeciwieństwie do piezoelementów jest płaska lub ma stopniowo zmienną średnicę. Koncentrator posiada zespół mocujący i kończy się powierzchnią z narzędziem roboczym. Powierzchnie formująca i promieniująca koncentratora mają przekrój prostokątny o tej samej długości, a stosunek ich wymiarów poprzecznych dobiera się od warunku zapewnienia danego wzmocnienia koncentratora. Całkowita długość podkładki odblaskowej, pakietu elementów piezoelektrycznych oraz odcinka koncentratora do punktu mocowania jest równa jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych. Długość odcinka koncentratora, w którym następuje płynne przejście promieniowe, oraz odcinka o wymiarach poprzecznych odpowiadających powierzchni promieniującej są równe jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych. 2 chory.

Rysunki do patentu RF 2284228

Wynalazek dotyczy technologii ultradźwiękowej, a mianowicie konstrukcji ultradźwiękowych układów oscylacyjnych i może być zastosowany w urządzeniach technologicznych przeznaczonych do przetwarzania dużych objętości mediów ciekłych i rozproszonych w cieczy, zapewniających narażenie na drgania ultradźwiękowe o dużej amplitudzie na dużej powierzchni, np. na przykład w urządzeniach przepływowych lub przy realizacji zgrzewania etapowego (tworzenie szwów uszczelniających na duże odległości).

Każde ultradźwiękowe urządzenie technologiczne zawiera źródło wibracji elektrycznych o wysokiej częstotliwości (generator elektroniczny) i ultradźwiękowy układ oscylacyjny.

Ultradźwiękowy układ oscylacyjny składa się z przetwornika piezoelektrycznego i koncentratora z narzędziem roboczym. W przetworniku ultradźwiękowym układu oscylacyjnego energia drgań elektrycznych zamieniana jest na energię drgań sprężystych o częstotliwości ultradźwiękowej. Koncentrator wykonany jest w postaci trójwymiarowej figury o zmiennym przekroju wykonanym z metalu, w której stosunek powierzchni stykających się z przetwornikiem i kończących się z narzędziem roboczym (emitującym drgania ultradźwiękowe) określa wymagany zysk.

Znane są ultradźwiękowe układy oscylacyjne, które mają duże powierzchnie promieniujące. Wszystkie znane układy oscylacyjne wykonane są według schematu konstrukcyjnego, który łączy piezoelektryczne lub magnetostrykcyjne przetworniki półfalowe i rezonansowe (wielokrotne do połowy długości fali drgań ultradźwiękowych) koncentratory drgań ultradźwiękowych. Ich wielkość podłużna odpowiada długości fali drgań ultradźwiękowych, a wielkość poprzeczna przekracza połowę długości drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora.

Wadą analogów jest złożony rozkład amplitudy oscylacji na powierzchni promieniującej ze względu na współczynnik Poissona materiału koncentratora, który nie pozwala na równomierną ekspozycję ultradźwiękową na całej powierzchni promieniującej, np. przy uzyskaniu wysokiej jakości rozszerzonego szew.

Najbliższe technicznie proponowanemu rozwiązaniu technicznemu jest ultradźwiękowy układ oscylacyjny według patentu USA nr 4363992, przyjęty jako prototyp.

Ultradźwiękowy układ oscylacyjny składa się z kilku półfalowych przetworników piezoelektrycznych zainstalowanych na jednej z powierzchni (tworzących oscylacje ultradźwiękowe) koncentratora zakończonego końcem roboczym (narzędziem) o określonym kształcie i rozmiarze. Przetworniki wykonane są w postaci tylnej podkładki redukującej częstotliwość, pakietu parzystej liczby pierścieniowych elementów piezoelektrycznych i podkładki promieniującej obniżającej częstotliwość, zamontowanych szeregowo i połączonych akustycznie. Powierzchnia emitująca przetwornika jest połączona akustycznie z powierzchnią koncentratora wytwarzającego drgania ultradźwiękowe. Rozmiar wzdłużny koncentratora odpowiada połowie długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora. Koncentrator wykonany jest w postaci trójwymiarowej figury o zmiennym przekroju wykonanym z metalu, w której stosunek powierzchni stykających się z przetwornikami (tworzącymi drgania ultradźwiękowe) i kończących się narzędziem roboczym (emitującym oscylacje ultradźwiękowe) określa wymagane wzmocnienie.

Koncentrator posiada rowki przelotowe, które umożliwiają wyeliminowanie nierównomiernego rozkładu amplitudy oscylacji wzdłuż powierzchni promieniującej koncentratora (czyli wyeliminowanie deformacji koncentratora prostopadle do kierunku działania siły). Pozwala to na równą ekspozycję ultradźwiękową na całej powierzchni promieniującej.

Prototyp pozwala na częściowe wyeliminowanie wad znanych układów oscylacyjnych, jednakże posiada następujące generalne istotne wady.

1. Znany ultradźwiękowy układ oscylacyjny, składający się z przetworników ultradźwiękowych i koncentratora, jest układem rezonansowym. Gdy częstotliwości rezonansowe przetworników i koncentratora pokrywają się, zapewniona jest maksymalna amplituda drgań ultradźwiękowych narzędzia roboczego, a co za tym idzie, maksymalna energia wprowadzona do przetwarzanego medium. Podczas realizacji procesów technologicznych narzędzie robocze i część koncentratora zanurzane są w różnych mediach technologicznych lub poddawane działaniu ciśnienia statycznego na powierzchnię promieniującą. Wpływ różnych mediów technologicznych lub ciśnienia zewnętrznego jest równoznaczny z pojawieniem się dodatkowej masy przyczepionej do powierzchni promieniującej koncentratora i prowadzi do zmiany naturalnej częstotliwości rezonansowej koncentratora i całego układu oscylacyjnego. W takim przypadku zostaje naruszone optymalne dopasowanie częstotliwości konwertera i koncentratora. Niedopasowanie przetwornika ultradźwiękowego do koncentratora prowadzi do zmniejszenia amplitudy drgań powierzchni emitującej (narzędzia roboczego) i zmniejszenia energii wprowadzanej do ośrodka.

Aby wyeliminować tę wadę, przy projektowaniu i wytwarzaniu układów oscylacyjnych dokonuje się wstępnego niedopasowania pomiędzy przetwornicą a koncentratorem przy częstotliwości rezonansowej tak, aby w przypadku pojawienia się obciążenia i spadku częstotliwości własnej koncentratora odpowiadała ona częstotliwości własnej konwertera i zapewnia maksymalny pobór energii. Ogranicza to znacznie zakres zastosowania takiego ultradźwiękowego układu oscylacyjnego i jest niewystarczające, gdyż w większości realizowanych procesów technologicznych następuje zmiana wartości dodanej masy (np. przejście z ośrodków wodnych lub olejowych na ich emulsję, pojawienie się i rozwój procesu kawitacji prowadzącego do powstania chmury pęcherzyków pary-gazu i zmniejszenia dodanej masy w dowolnym ośrodku ciekłym) w trakcie realizacji samego procesu, co prowadzi do zmniejszenia wydajności wejścia ultradźwiękowego wibracje.

2. Problem optymalnego dopasowania częstotliwości przetwornika i koncentratora pogłębia konieczność dopasowania impedancji falowych ośrodków ciekłych i rozproszonych w cieczy do stałych materiałów piezoceramicznych przetworników. Aby uzyskać optymalne dopasowanie, wzmocnienie piasty powinno wynosić 10-15. Tak wysokie współczynniki wzmocnienia można uzyskać jedynie za pomocą koncentratorów schodkowych, jednak przy takich współczynnikach wzmocnienia pogłębiają one zależność częstotliwości rezonansowej własnej od obciążenia i wymagają małego przekroju wyjściowego na znacznej długości (odpowiadającej jednej czwartej długości fali drgania ultradźwiękowe w materiale koncentratora), co prowadzi do zmniejszenia powierzchni promieniującej, utraty stabilności dynamicznej i pojawienia się drgań zginających. Z tego powodu stosowane w praktyce układy oscylacyjne mają wzmocnienie nie większe niż 3...5, co czyni je nieprzydatnymi do zapewniania efektów ultradźwiękowych o dużym natężeniu w różnych mediach technologicznych.

Oprócz głównych wad wynikających ze stosowanego schematu projektowania układów oscylacyjnych, prototyp ma kilka wad wynikających z cech technologicznych i operacyjnych ich wytwarzania i użytkowania.

1. Ultradźwiękowy układ oscylacyjny z dwoma lub większą liczbą przetworników piezoelektrycznych (o średnicy do 40...50 mm) może mieć powierzchnię promieniującą o długości większej niż 200...250 mm i szerokości większej niż 5 mm. W tym przypadku naturalne częstotliwości rezonansowe przetworników piezoelektrycznych różnią się, co wynika z dopuszczalnych różnic w parametrach elektrycznych i geometrycznych elementów piezoelektrycznych, podkładek redukujących częstotliwość, różnic w siłach ściskających podczas montażu przetwornika itp. zgodnie z dokumentacją normatywną i projektową. W tym przypadku wzbudzenie drgań mechanicznych koncentratora rezonansowego realizowane jest przez przetwornice o różnych częstotliwościach roboczych, z których część nie pokrywa się z częstotliwością rezonansową koncentratora. Szczególnie trudne jest przeprowadzenie dopasowania w układzie oscylacyjnym z kilkoma przetwornikami o różnych częstotliwościach i koncentratorem schodkowym o maksymalnym wzmocnieniu. Ponieważ zmniejsza to skuteczność oddziaływania ultradźwiękowego, nawet w porównaniu z układem oscylacyjnym tej samej wielkości, ale z jednym przetwornikiem.

2. Niemożność wykonania powierzchni promieniującej o złożonym profilu (na przykład w celu jednoczesnego utworzenia dwóch spoin i przecięcia materiału między nimi), ponieważ w tym przypadku każdy wymiar podłużny określa własną częstotliwość rezonansową koncentratora, co nie odpowiadają częstotliwości rezonansowej przetworników (efektywnie wykonywana jest tylko jedna z operacji - formowanie szwu lub cięcie materiału).

3. Niemożność stworzenia ultradźwiękowych układów oscylacyjnych o rozszerzonym paśmie w porównaniu z układami rezonansowymi.

4. Dwupółfalowy układ oscylacyjny o częstotliwości roboczej 22 kHz ma wymiar wzdłużny co najmniej 250 mm i długość powierzchni promieniującej wynoszącej 350 mm i waży co najmniej 10 kg. W tym przypadku układ oscylacyjny montowany jest w obszarze minimalnych drgań: albo w środku przetwornika, albo w środku koncentratora. Takie mocowanie prowadzi do małej stabilności mechanicznej i braku możliwości zapewnienia precyzji uderzenia. Niemożliwe jest zapewnienie optymalnego zamocowania w środku masy ze względu na duże amplitudy drgań mechanicznych i nieuniknione tłumienie układu drgającego.

Zidentyfikowane wady prototypu powodują jego niewystarczającą wydajność, ograniczają funkcjonalność, co czyni go nieprzydatnym do stosowania w wysokowydajnej, zautomatyzowanej produkcji.

Proponowane rozwiązanie techniczne ma na celu wyeliminowanie wad istniejących układów oscylacyjnych i stworzenie nowego układu oscylacyjnego zdolnego do zapewnienia emisji drgań ultradźwiękowych o równomiernym rozkładzie amplitudy wzdłuż powierzchni promieniującej koncentratora (narzędzia roboczego) z maksymalną wydajnością we wszystkich możliwych obciążeniach oraz zmiany właściwości przetwarzanych mediów i parametrów układu oscylacyjnego, czyli docelowo zapewnienie wzrostu produktywności procesów związanych z narażeniem na działanie ultradźwięków przy jednoczesnym zmniejszeniu energochłonności.

Istotą proponowanego rozwiązania technicznego jest to, że ultradźwiękowy układ oscylacyjny składający się z elementów piezoelektrycznych i koncentratora składa się z równoległych umieszczonych na powierzchni koncentratora drgań ultradźwiękowych oraz połączonych akustycznie pakietów parzystej liczby elementów piezoelektrycznych zainstalowanych szeregowo. Podkładki odblaskowe znajdują się na opakowaniach elementów piezoelektrycznych, połączonych akustycznie z elementami piezoelektrycznymi. Powierzchnia przeciwległa do styku z piezoelementami jest płaska lub ma skokowo zmienną średnicę, a wymiary i liczbę stopni dobiera się w zależności od warunku uzyskania zadanej szerokości pasma. Koncentrator posiada zespół mocujący i zakończony jest powierzchnią emitującą drgania ultradźwiękowe wraz z narzędziem roboczym. Powierzchnie formująca i promieniująca koncentratora mają przekrój prostokątny o tej samej długości, a stosunek ich wymiarów poprzecznych dobiera się od warunku zapewnienia danego wzmocnienia koncentratora. Całkowita długość podkładki odblaskowej, pakietu elementów piezoelektrycznych oraz przekrój koncentratora do punktu mocowania jest równa jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora. Wymiary przekroju koncentratora, na którym odbywa się płynne przejście, oraz przekroju o wymiarach poprzecznych odpowiadających powierzchni promieniującej, są równe jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora, oraz płynne przejście wykonuje się promieniowo, a jego wymiary dobiera się z warunku:

Analiza możliwych schematów projektowania układów oscylacyjnych pozwoliła ustalić, że większość podstawowych ograniczeń nieodłącznie związanych z dwupółfalowym projektem układu oscylacyjnego można wyeliminować poprzez zastosowanie układów oscylacyjnych, które łączą się w półfali konstrukcja falowa przetwornik piezoelektryczny i koncentrator o dużym wzmocnieniu oraz narzędzie robocze o dowolnej wielkości.

Układ oscylacyjny, wykonany według konstrukcji półfalowej, jest pojedynczym rezonansowym układem oscylacyjnym i wszelkie zmiany jego parametrów prowadzą jedynie do niedopasowania z generatorem elektronicznym. Brak praktycznych projektów takich układów oscylacyjnych wynika z braku możliwości ich realizacji w oparciu o stosowane do niedawna przetworniki magnetostrykcyjne oraz złożoności praktycznej realizacji w oparciu o nowoczesne elementy piezoceramiczne ze względu na konieczność ich umieszczania w maksymalnych naprężeniach mechanicznych, jak a także ze względu na brak generatorów elektronicznych zdolnych zapewnić optymalne warunki zasilania takiego układu oscylacyjnego przy wszystkich możliwych zmianach jego częstotliwości rezonansowej (do 3...5 kHz).

Zaproponowane rozwiązanie techniczne ilustruje rys. 1, który schematycznie przedstawia ultradźwiękowy układ oscylacyjny składający się z elementów piezoelektrycznych 1, odblaskowych podkładek rezonansowych 2 i koncentratora 3. Konstrukcyjnie układ oscylacyjny składa się z koncentratora 3 umieszczonego równolegle do ultradźwiękowego układu drgań- powierzchnię formującą 4 i połączone z nią akustycznie pakiety parzystej liczby elementów piezoelektrycznych 1 zainstalowanych szeregowo (rys. 1 przedstawia układ oscylacyjny z dwoma pakietami elementów piezoelektrycznych). Na każdym z opakowań składających się z parzystej liczby piezoelementów (zwykle dwóch lub czterech) znajdują się powiązane z nimi akustycznie podkładki odblaskowe 2, przeciwległa powierzchnia styku z piezoelementami jest płaska 5 lub skokowo zmienna na długości 6, a wymiary i liczbę stopni 7 wybiera się z warunków uzyskania danej szerokości pasma. Koncentrator 3 posiada zespół mocujący 8 i kończy się powierzchnią 9 emitującą drgania ultradźwiękowe za pomocą narzędzia roboczego 10. Powierzchnie formujące 4 i emitujące 9 koncentratora mają kształt prostokątny o tej samej długości L i stosunku ich wymiarów poprzecznych D1, D2 dobiera się pod warunkiem zapewnienia danego wzmocnienia koncentratora. Całkowita długość podkładki odblaskowej 2, pakietu elementów piezoelektrycznych 1 oraz przekrój koncentratora do punktu mocowania jest równa jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora. Wymiary przekroju koncentratora, na którym odbywa się płynne przejście, oraz przekroju o wymiarach poprzecznych odpowiadających powierzchni promieniującej odpowiadają jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora, a wymiary przekroju płynne przejście wykonuje się promieniowo, a jego wymiary dobiera się z warunku:

gdzie L z jest długością płynnego przejścia; D 1, D 2 - wymiary poprzeczne powierzchni formującej i emitującej koncentratora.

Ultradźwiękowy układ oscylacyjny działa w następujący sposób.

Po doprowadzeniu napięcia zasilania z generatora drgań elektrycznych o częstotliwości ultradźwiękowej (nie pokazanej na rys. 1), odpowiadającej częstotliwości własnej układu oscylacyjnego, do elektrod elementów piezoelektrycznych 1, energia drgań elektrycznych wynosi przekształcane w ultradźwiękowe wibracje mechaniczne dzięki efektowi piezoelektrycznemu. Drgania te rozchodzą się w przeciwnych kierunkach i odbijają się od powierzchni granicznych podkładki odblaskowej i koncentratora (narzędzia roboczego). Ponieważ cała długość układu oscylacyjnego odpowiada rozmiarowi rezonansowemu (połowa długości fali drgań ultradźwiękowych), drgania mechaniczne powstają przy naturalnej częstotliwości rezonansowej układu oscylacyjnego. Obecność schodkowego koncentratora promieniowego umożliwia zwiększenie amplitudy drgań powierzchni promieniującej w porównaniu z amplitudą drgań na przeciwległej powierzchni podkładki odblaskowej stykającej się z elementami piezoelektrycznymi. Wielkość amplitudy oscylacji na powierzchni promieniującej zależy od wzmocnienia koncentratora, definiowanego jako kwadrat stosunku powierzchni powierzchni formującej i promieniującej koncentratora, które mają przekrój prostokątny o tej samej długości.

Zespół montażowy 8 koncentratora 3 (rys. 1) znajduje się w obszarze zbliżonym do zespołu minimalnych mechanicznych drgań ultradźwiękowych, co zapewnia minimalne tłumienie ultradźwiękowego układu oscylacyjnego, tj. maksymalna amplituda oscylacji powierzchni promieniującej i brak oscylacji w punktach mocowania układu oscylacyjnego w liniach technologicznych.

Ze względu na fakt, że uzyskanie analitycznych zależności wymiarów geometrycznych do praktycznych obliczeń przy projektowaniu układów oscylacyjnych jest trudne ze względu na brak szeregu dokładnych danych na temat propagacji drgań ultradźwiękowych w korpusach o zmiennym przekroju, wykonanych z naprzemiennie różnych materiałów , przy doborze parametrów układu oscylacyjnego wykorzystano wyniki modelowania numerycznego wraz z zależnościami graficznymi z badań praktycznych układów oscylacyjnych o różnych stosunkach wymiarów poprzecznych powierzchni formującej i promieniującej koncentratora D 1, D 2 i odcinki układu oscylacyjnego o różnej długości. Badania eksperymentalne wykazały, że maksymalny współczynnik konwersji elektromechanicznej jest zapewniony pod warunkiem, że elementy piezoelektryczne zostaną przesunięte z obszaru minimalnych drgań (maksymalnych naprężeń mechanicznych) w taki sposób, że całkowita długość podkładki odblaskowej , pakiet piezoelementów i odcinek koncentratora do punktu mocowania jest równy jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora. Dobór wielkości sekcji koncentratora, przy której następuje płynne przejście równej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora oraz jej kształt, zgodnie z zadanym wzorem, zapewnia niezbędny współczynnik wzmocnienia i minimalne naprężenia mechaniczne na granicy przejściowej pomiędzy gładką sekcją przejściową a sekcją o wielkości poprzecznej odpowiadającej powierzchni promieniującej. Wyniki badań eksperymentalnych układów oscylacyjnych o różnych stosunkach wymiarów poprzecznych powierzchni formującej i promieniującej koncentratora D 1, D 2 przedstawiono na rys. 2 a, 6, c, które przedstawiają wykresy zależności głównego parametry układu oscylacyjnego: zmiana naturalnej częstotliwości rezonansowej f(a), współczynnik wzmocnienia M p (b) i maksymalne naprężenie mechaniczne max (c) od promienia płynnego przejścia. Z uzyskanych zależności wynika, że ​​dla dowolnego stosunku wymiarów poprzecznych powierzchni formujących i promieniujących koncentratora D 1, D 2 minimalny wpływ na naturalną częstotliwość rezonansową występuje przy

W tym przypadku wzmocnienie zbliża się do maksymalnego możliwego i zapewniona jest znaczna redukcja naprężeń mechanicznych w obszarze umieszczenia elementów piezoelektrycznych.

Przeprowadzone badania eksperymentalne pozwoliły potwierdzić poprawność uzyskanych wyników i opracować praktyczne projekty układów oscylacyjnych o różnych stosunkach wymiarów poprzecznych powierzchni formującej i promieniującej koncentratora D 1, D 2.

Zatem w układzie oscylacyjnym o poprzecznym rozmiarze powierzchni emitującej równym D 2 = 10 mm i poprzecznym rozmiarze powierzchni wibrującej D 1 równym 38 mm (tj. przy zastosowaniu najczęściej stosowanych piezoelementów pierścieniowych z o średnicy zewnętrznej 38 mm), opracowany układ oscylacyjny zapewni co najmniej 11-krotne wzmocnienie drgań ultradźwiękowych generowanych przez elementy piezoelektryczne (patrz rys. 2).

Podobne wyniki uzyskano dla pozostałych wartości D2.

Zatem przy zastosowaniu w proponowanym układzie oscylacyjnym pierścieniowych elementów piezoelektrycznych o średnicy zewnętrznej 50 mm i zapewniających wzmocnienie 10...15, wielkość poprzeczna powierzchni promieniującej koncentratora D2 może wynosić 16 mm.

Aby w utworzonym układzie oscylacyjnym o wielkości D 2 = 20 mm uzyskać wzmocnienie równe 10...15, D 1 będzie wynosić zaledwie 70 mm, co również jest łatwe do zrealizowania w praktyce (piezoelementy o średnicy 70 mm są produkowane masowo).

Zatem jeżeli amplituda drgań pakietu dwóch elementów piezoelektrycznych będzie równa 5 µm (napięcie zasilania nie większe niż 500...700 V), to amplituda drgań powierzchni promieniującej układu oscylacyjnego będzie wynosić 50...75 μm, co wystarcza do realizacji najbardziej wydajnych trybów rozwiniętej kawitacji podczas przetwarzania mediów płynnych i rozproszonych w cieczy, spawania materiałów polimerowych i obróbki wymiarowej materiałów stałych.

Opracowany ultradźwiękowy układ oscylacyjny zapewnił współczynnik sprawności (współczynnik konwersji elektroakustycznej) na poziomie co najmniej 75% (w przypadku emisji do wody).

Wykonanie podkładki odblaskowej o stopniowo zmieniającym się rozmiarze podłużnym (czyli stopniowej zmiennej średnicy przeciwnej powierzchni stykającej się z elementami piezoelektrycznymi) umożliwia uformowanie kilku różnych rozmiarów rezonansowych na długości układu oscylacyjnego. Każdy z tych wymiarów rezonansowych odpowiada własnej częstotliwości rezonansowej drgań mechanicznych. Dobór liczby i wielkości stopni umożliwia uzyskanie wymaganej szerokości pasma (tj. zapewnienia pracy układu oscylacyjnego w zakresie częstotliwości określonym przez maksymalny i minimalny wymiar wzdłużny podkładki odblaskowej).

Wynik techniczny wynalazku wyraża się w zwiększeniu wydajności ultradźwiękowego układu oscylacyjnego (zwiększeniu amplitudy drgań wprowadzanych do różnych ośrodków) poprzez zapewnienie optymalnej koordynacji z ośrodkami i generatorem elektronicznym. Całkowity rozmiar wzdłużny układu oscylacyjnego został zmniejszony 2 razy, a waga 4 razy zmniejszona w porównaniu do prototypu.

Opracowany w laboratorium procesów i urządzeń akustycznych Bijskiego Instytutu Technologicznego Państwowego Uniwersytetu Technicznego w Ałtaju, ultradźwiękowy system oscylacyjny przeszedł testy laboratoryjne i techniczne i został praktycznie wdrożony jako część instalacji do wykonywania szwu wzdłużnego o długości 360 mm podczas zgrzewania worków do pakowania produktów sypkich.

Produkcja seryjna stworzonych układów oscylacyjnych planowana jest na rok 2005.

Źródła informacji

1. Patent USA nr 3113225, 1963

2. Patent USA nr 4607185, 1986

3. Patent USA nr 4651043, 1987

4. Patent USA nr 4363992 (prototyp), 1982

5. Technologia ultradźwiękowa. wyd. BA Agranata. - M.: Metalurgia, 1974.

6. Khmelev V.N., Popova O.V. Wielofunkcyjne urządzenia ultradźwiękowe i ich zastosowanie w małym przemyśle, rolnictwie i gospodarstwach domowych. Barnauł, Wydawnictwo AltGTU, 1997, 160 s.

PRAWO

Ultradźwiękowy układ oscylacyjny składający się z elementów piezoelektrycznych i koncentratora, znamienny tym, że zbudowany jest z równoległych umieszczonych na powierzchni koncentratora tworzących drgania ultradźwiękowe i połączonych z nim akustycznie pakietów parzystej liczby kolejno zainstalowanych elementów piezoelektrycznych, na których umieszczone są podkładki odblaskowe. umieszczone akustycznie z nimi połączone, naprzeciwko styku z elementami piezoelektrycznymi, których powierzchnia jest płaska lub skokowa o zmiennej średnicy, a wymiary i ilość stopni dobierane są od warunku uzyskania zadanej szerokości pasma, koncentrator posiada zespół mocujący i kończy się powierzchnią emitującą drgania ultradźwiękowe z narzędziem roboczym, powierzchnie formująca i emitująca koncentratora mają przekrój prostokątny o tej samej długości, a stosunek ich wymiarów poprzecznych dobiera się od warunku zapewnienia danego wzmocnienia koncentrator, długość całkowita podkładki odblaskowej, pakietu piezoelementów oraz przekrój koncentratora do punktu mocowania jest równy jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora, wymiary przekroju koncentratora na którym następuje płynne przejście, a przekrój o wielkości poprzecznej odpowiadającej powierzchni emitującej odpowiada jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora, a płynne przejście jest promieniowe, a jego wymiary dobierane są z stan

gdzie L z jest długością płynnego przejścia;

D1, D2 - wymiary poprzeczne powierzchni formującej i emitującej koncentratora.

PRACA nr 3

Cel pracy:

wyznaczanie optymalnego kształtu oraz obliczenia parametrów i wymiarów geometrycznych falowodów – koncentratorów do ultradźwiękowej obróbki materiałów.

Przepisy teoretyczne

Gatunek materiału	Średnica końcówki wejściowej falowodu D (mm)	Średnica wyjściowego końca falowodu d (mm)	Długość rezonansowa L	Płaszczyzna węzłowa X 0	Współczynnik wzmocnienia K y	Częstotliwość rezonansowa (KHz)

Część praktyczna:

Obliczanie falowodu schodkowego:

f jest częstotliwością rezonansową.

V to prędkość dźwięku.

X0 = L/2; X 0 - położenie płaszczyzny węzłowej - miejsce zamocowania falowodu

K y = N 2 = (D/d) 2, gdzie D i d to średnice końcówki wejściowej i wyjściowej falowodu

Stal: V= 5100

Tytan: V= 5072

Rozwiązanie:

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

Dł. 2 =5200/54=96,2 (mm)

Dł. 3 =5072/54=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 =(1,2) 2 =1,4

Wniosek:

W tej pracy zapoznaliśmy się z koncentratorem ultradźwiękowym z falowodem schodkowym. Falowód obliczyliśmy rozwiązując równanie różniczkowe opisujące proces oscylacyjny, pod warunkiem, że oscylacje mają charakter harmoniczny. W trakcie prac wyznaczono średnice końcówek wejściowych i wyjściowych falowodu. Współczynnik wzmocnienia sygnału zależy od jego średnic.

Zadanie nr 4

Falowody – koncentratory – transmitery energii mechanicznej o częstotliwości ultradźwiękowej do obszaru obróbki materiału

Cel pracy:

wyznaczanie optymalnego kształtu oraz obliczenia parametrów i wymiarów geometrycznych koncentratorów falowodowych do ultradźwiękowej obróbki materiałów.

Przepisy teoretyczne

Energia drgań ultradźwiękowych wprowadzana jest do obrabianego materiału za pomocą zespołu falowodu-narzędzia. Mechanizmy interakcji z materiałem omówiono poniżej w kolejnym podrozdziale. W tej części omówiono standardowe metody obliczania najpowszechniejszych postaci falowodów oraz rodzaje narzędzi stosowanych przy obróbce złączy spawanych.

Spośród szeregu parametrów charakteryzujących właściwości falowodów najważniejsze są prędkość oscylacyjna, napięcie i moc, jaką narzędzie jest w stanie przekazać do strefy obróbki. Według uproszczonego schematu, dla zadanej wartości amplitudy prędkości oscylacyjnej obliczenie falowodu sprowadza się do określenia jego długości rezonansowej, pola wejściowego i wyjściowego oraz miejsca jego zamocowania.

Wzór na obliczenie falowodów z rozwiązań równania różniczkowego opisującego proces oscylacyjny, pod warunkiem, że oscylacje mają charakter harmoniczny, czoło fali jest płaskie, a fala rozchodzi się bez strat tylko wzdłuż osi falowodu.

Sprzęt i narzędzia laboratoryjne

Podczas wykonywania zajęć laboratoryjnych mających na celu zapoznanie studentów ze sprzętem i pełniejsze zrozumienie zasady działania zestawu ultradźwiękowego, na stanowiskach laboratoryjnych znajduje się szeroki wybór różnych falowodów (koncentratorów) stosowanych z przetwornikami o różnych kształtach i mocach.

Dostępne falowody reprezentują grupę 4 najpopularniejszych form i wykonane są z materiałów, które są akustycznie przepuszczalne i posiadają niezbędne właściwości wytrzymałościowe.

Aby ułatwić percepcję materiału, falowody są wykonane z przymocowanym do niego narzędziem roboczym - końcówką i bez niego.

Część praktyczna:

Obliczanie falowodu stożkowego

L= λ /2 * kl/ , gdzie kl są pierwiastkami równania

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

2P / λ = k – liczba falowa

X 0 = 1/k * arctan(kl/a), gdzie a = 1/N-1

K у = √1+ (2П * 1/λ) 2

Rozwiązanie:

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 = 1/1,2-1 = 5

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

K y = √1 + (2*3,14* 1/188,8) 2 = 1

Wniosek:

W tej pracy zapoznaliśmy się z koncentratorem ultradźwiękowym z falowodem stożkowym. Falowód obliczyliśmy rozwiązując równanie różniczkowe opisujące proces oscylacyjny, pod warunkiem, że oscylacje mają charakter harmoniczny. W trakcie prac wyznaczono średnice końcówek wejściowych i wyjściowych falowodu. Współczynnik wzmocnienia sygnału zależy od jego średnic.

Falowody te znajdują szerokie zastosowanie przy obróbce konstrukcji metalowych na złączach spawanych, dlatego bardzo ważne jest prawidłowe obliczenie parametrów narzędzia w celu przesłania wymaganej częstotliwości sygnału.

Do przenoszenia drgań ultradźwiękowych z przetwornika na narzędzie robocze lub do środowiska pracy w instalacjach ultradźwiękowych stosuje się koncentratory i falowody; te ostatnie mają stałą powierzchnię przekroju poprzecznego i kształt cylindryczny.

Falowody stosuje się, gdy nie ma potrzeby wzmacniania amplitudy oscylacji przetwornika. Piasty są transformatorami prędkości; mają zmienną powierzchnię przekroju poprzecznego, często o kształcie cylindrycznym. Dzięki takiemu przekrojowi przekształcają drgania ultradźwiękowe o małej amplitudzie przenoszone przez przetwornik i skoncentrowane na jego końcu wejściowym, na drgania o wyższej amplitudzie na końcu wyjściowym. Te ostatnie są przekazywane do korpusu roboczego (narzędzia) instalacji ultradźwiękowej. Wzmocnienie amplitudy następuje w wyniku różnicy obszarów końców wejściowych i wyjściowych koncentratora - powierzchnia pierwszego (wejściowego) końca koncentratora jest zawsze większa niż powierzchnia drugiego.

Falowody i koncentratory muszą być rezonansowe, to znaczy ich długość musi być wielokrotnością całkowitej liczby półfal (λ/2). W takim przypadku stwarzają się najlepsze możliwości dopasowania ich do źródła zasilania, układu oscylacyjnego jako całości i dołączonej do nich masy (narzędzia pracy).

Ryż. 14. Koncentratory półfalowe

W ultradźwiękowych instalacjach technologicznych najczęściej stosuje się koncentratory o kształcie wykładniczym (ryc. 14, a), stożkowym (ryc. 14, b) i schodkowym. Te ostatnie wykonuje się z kołnierzem (ryc. 14, c) lub bez niego (ryc. 14, d). Istnieją również koncentratory stożkowe z kołnierzem (np. w konwerterze typu PMS-15A-18), a także koncentratory kombinowane, w których stopnie mają różne kształty.

Koncentratory i falowody mogą stanowić integralną część układu oscylacyjnego lub jego element wymienny. W pierwszym przypadku są one lutowane bezpośrednio do przetwornika. Wymienne koncentratory połączone są z układem oscylacyjnym (np. z kołnierzem adaptera) za pomocą gwintów.

W przypadku koncentratorów pole przekroju poprzecznego zmienia się według określonego wzorca. Ich główną cechą jest teoretyczne wzmocnienie K, które pokazuje, ile razy amplituda oscylacji końca wyjściowego jest większa od amplitudy drgań końca wejściowego. Współczynnik ten zależy od stosunku N średnic końcówek wejściowych D1 i wyjściowych D2 koncentratora: N=D1/D2.

Największe wzmocnienie amplitudy przy tej samej wartości N zapewnia koncentrator schodkowy. Ma K=N2. Wyjaśnia to powszechne stosowanie koncentratorów schodkowych w różnych instalacjach ultradźwiękowych. Ponadto koncentratory te są prostsze w produkcji niż inne, co czasami jest najważniejszym warunkiem udanego zastosowania obróbki ultradźwiękowej. Obliczenia koncentratora schodkowego są znacznie prostsze niż w przypadku innych typów koncentratorów.

Wartość współczynnika wzmocnienia amplitudy koncentratora schodkowego uwzględnia się przy uwzględnieniu zapobiegania możliwości występowania drgań poprzecznych, co obserwuje się przy dużych współczynnikach wzmocnienia (K>8...10), a także jego dane wytrzymałościowe. W praktyce przyjmuje się, że wzmocnienie koncentratora schodkowego wynosi od czterech do sześciu.

Długość rezonansową koncentratora schodkowego lр wyznacza się z wyrażenia lр=а/2=С/2f, gdzie X jest długością fali w pręcie o stałym przekroju, cm; C - prędkość fali podłużnej (dla stali C = 5100 m/s); f - częstotliwość rezonansowa, Hz.