ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения конструкторской разработки.

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к конструкциям ультразвуковых колебательных систем, и может быть использовано в технологических аппаратах и установках, предназначенных для осуществления и интенсификации технологических процессов диспергирования, растворения, эмульгирования, экстрагирования, пропитки, сварки, размерной обработки твердых хрупких материалов и др.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известной колебательной системе в форме тела вращения, образованной последовательно расположенными и акустически связанными двумя накладками и двумя пьезоэлектрическими элементами, расположенными между этими накладками, образующая тела вращения колебательной системы выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, а тело вращения состоит из трех участков: первый - цилиндрический, длиной l ₁, второй участок с экспоненциальным или плавным радиусным изменением диаметра сечения, длиной l _z, и третий - цилиндрический, длиной l ₂. При этом пьезоэлектрические элементы расположены между экспоненциальным и первым цилиндрическим участком, а длины участков выбраны из

следующих условий:



l ₂ = k ₂c ₂/ ,

где с ₁, с ₂ - скорости распространения ультразвуковых колебаний в материалах накладок, (м/с), с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале пьезоэлемента, (м/с), /2 - рабочая частота колебательной системы, (Гц), h - толщина используемого пьезоэлемента (м), k ₁, k ₂ - коэффициенты, выбираемые из условия обеспечения требуемого (или максимального при k ₁ = k ₂) коэффициента усиления k при заданном n, n = d/d, d - максимальный диаметр (диаметр тыльной накладки, соответствующий диаметру используемых пьезоэлектрических элементов), (м), d - минимальный диаметр (рабочей накладки на участке соединения с инструментом), (м).

Рассматриваемая УЗ колебательная система схематично изображена на фиг. 1. На этом рисунке также показано распределение амплитуд колебаний a и механических напряжений f в системе, при условии пренебрежения потерями и излучением энергии. Пучностям смещений приблизительно соответствуют узлы механических напряжений, и наоборот, т.е. распределение смещений и сил имеет вид стоячих волн.

УЗ колебательная система содержит корпус 1, в котором посредством крепежных элементов через опору 2 в узле смещений закреплена ультразвуковая колебательная система, состоящая из отражающей металлической накладки 3, пьезоэлектрических элементов 4, к электродам которых через соединительный кабель подается электрическое возбуждающее напряжение излучающей металлической накладки 5. К последней присоединен рабочий инструмент 6.

Образующая тела вращения колебательной системы, состоящей из накладок и пьезоэлементов, выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, а тело вращения состоит из трех участков. Первый - цилиндрический - включает отражающую накладку 3 и пьезоэлементы 4. Второй (с экспоненциальным или плавным радиусным изменением диаметра сечения) и третий (цилиндрический) участки представляют собой рабочую накладку 5.

Длины участков выбираются в соответствии с приведенными выше формулами.

В связи с тем, что получение аналитических соотношений для практических расчетов при конструировании колебательных систем затруднено отсутствием ряда точных данных о распространении колебаний в стержнях переменного сечения из чередующихся различных материалов, трудоемко и даже приблизительные расчеты требуют громоздких вычислений, приведенные соотношения используются совместно с графическими зависимостями, полученными в результате практических исследований концентраторов с различными соотношениями параметров l ₁ l _z, l ₂.

Полученные результаты, показывающие зависимость коэффициента усиления сложной ступенчато-экспоненциальной колебательной системы от коэффициентов k ₁ и k ₂, определяющих длины входного и выходного участков, представлены на графике фиг.2.

При условии равенства коэффициента сужения участка с экспоненциальным или плавным радиусным изменением диаметра сечения от диаметра d до d величине n, меньшей чем 3, максимальный коэффициент усиления системы обеспечивается при k ₁ = k ₂ = 1,15...1,2 и по своему значению приближается к коэффициенту усиления ступенчатого концентратора. В случае n > 3 максимальный коэффициент усиления колебательной системы обеспечивается при поправочных коэффициентах k ₁ и k ₂, равных l,l и не достигает на практике значений, соответствующих коэффициенту усиления ступенчатого концентратора. При n = 3 коэффициент усиления сложной ступенчато-экспоненциальной колебательной системы достигает 85% коэффициента усиления ступенчатого классического концентратора и падает при дальнейшем увеличении n.

Приведенные экспериментальные данные показывают, что максимальный коэффициент усиления рассматриваемой колебательной системы достигается при k ₁ = k ₂ = k и достаточно хорошо описывается формулой



Можно показать, что в предложенной колебательной системе при диаметре торцевой поверхности рабочей накладки, равном d = 12 мм и диаметре тыльной накладки d = 40 мм (т.е. при использовании наиболее широко применяемых кольцевых пьезоэлементов внешним диаметром 40 мм), разработанная колебательная система обеспечит усиление ультразвуковых колебаний, выработанных пьезоэлементами, не менее чем в 10 раз.

При использовании кольцевых пьезоэлементов с внешним диаметром 50 мм (внутренний диаметр обычно равен 14...20 мм) в предложенной колебательной системе и обеспечении коэффициента усиления 10, диаметр торцевой поверхности рабочей накладки может быть равен 16 мм.

Подобная колебательная система легко реализуема на практике.

Таким образом, предложенная ультразвуковая колебательная система, при практически реализуемых размерах отражающей накладки (и, соответственно, пьезоэлементов), позволяет обеспечить высокие значения коэффициента усиления при больших диаметрах рабочего инструмента, то есть обеспечивает расширение технологических возможностей ультразвуковых колебательных систем.

Длина каждого из участков колебательной системы определяется по приведенным формулам. Изменение диаметра сечения экспоненциального переходного участка определяется уравнением

d _z = d e ^-z,

где ln(n/l _z) - коэффициент сужения экспоненциального участка.

Выполнение второго участка с экспоненциальным изменением диаметра сечения в рассмотренной колебательной системе достаточно сложная и не всегда оправданная технологическая операция. Проведенные экспериментальные исследования по замене экспоненциального изменения диаметра сечения колебательной системы плавным радиусным изменением диаметра показали, что параметры колебательной системы изменяются весьма незначительно (коэффициент усиления снижается не более чем на 5%), а стоимость изготовления колебательной системы снижается существенно (до 30%).

Длина цилиндрического участка излучающей накладки (концентратор) на практике уменьшается на величину продольного размера рабочего инструмента (в случае выполнения его сменным).

Приведенные практические формулы и рекомендации позволяют легко сконструировать УЗ колебательную систему для любого УЗ технологического аппарата с заданными техническими характеристиками.

Предлагаемая ультразвуковая колебательная система работает следующим образом. При подведении от генератора к электродам пьезоэлементов 4 электрического напряжения в них возникают механические колебания, которые распространяются в колебательной системе и усиливаются за счет того, что образующая тела вращения колебательной системы выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, описанной выше. При этом обеспечивается коэффициент усиления

Легко показать, что для получения k=10 в предложенной системе при диаметре торцевой поверхности рабочей накладки, равном d = 20 мм, диаметр тыльной накладки d будет равен 70 мм, т.е. в два раза меньше, чем в рассмотренном выше примере, когда использовался прототип.

Такая колебательная система легко реализуема на практике: отечественная промышленность выпускает пьезоэлементы нужного размера, значительно уменьшены массогабаритные характеристики, отсутствие радиальных колебаний приводит к увеличению КПД системы.

Таким образом, предложенная ультразвуковая колебательная система при практически реализуемых размерах тыльной накладки, позволяет обеспечивать высокие значения коэффициента усиления при больших поверхностях рабочего инструмента. Это дает возможность расширить технологические возможности колебательной системы и использовать ее для обработки больших поверхностей обрабатываемых материалов.

В настоящее время предложенная ультразвуковая колебательная система прошла всесторонние лабораторные и производственные испытания в составе ультразвуковых технологических аппаратов для интенсификации технологических процессов в жидких средах, ультразвуковых станков для сверления твердых хрупких материалов и сварки полимерных материалов и рекомендована к промышленному внедрения в составе ультразвуковых технологических аппаратов, разрабатываемых Бийским технологическим институтом.