УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
DEVICE FOR THE MECHANICAL VIBRATIONS CREATING

Область техники
Изобретение относится к устройствам для создания механических колебаний и может быть использовано в промышленности, на транспорте и в быту в установках ультразвуковой сварки и мойки, эхолокации, а также в шаговых пьезоэлектрических двигателях.
Предшествующий уровень техники
8
Ближайшим аналогом заявленного технического решения является устройство для создания механических колебаний, описанное в патенте US 8004158, опубликованном 15.06.2006, МПК H01L 41/08. Устройство состоит из жестких втулок и осевых пьезопакетов, причем воображаемая ось пьезопакетов совпадает с направлением механических колебаний. Пьезопакеты ограничены жесткими втулками. Начальная жесткая втулка и конечная жесткая втулка соединены шпилькой, обеспечивающей их притягивание друг к другу в направлении воображаемой оси пьезопакетов. В жестких втулках и в пьезопакетах выполнен общий внутренний канал. Также в жестких втулках выполнены соединительные проходы, сообщающие внутренний канал с наружным пространством. Устройство находится в жидкости. Жидкость, обеспечивающая охлаждение разогревающихся пьезопакетов, поступает в соединительный проход. Затем жидкость поступает в общий внутренний канал и выходит из других соединительных проходов.
Однако для работы данного устройства необходим насос или иное аналогичное средство, обеспечивающее движение жидкости в общем внутреннем канале и соединительных проходах. Это усложняет конструкцию, увеличивает его массу и объем.
Раскрытие изобретения
Таким образом, техническая задача, на решение которой направлено настоящее техническое решение, состоит в устранении вышеотмеченных недостатков и упрощении конструкции устройства. Положительный эффект, достигаемый при реализации изобретения, заключается в уменьшении массы и объема устройства и повышении надежности его работы.
Для решения поставленной технической задачи с достижением положительного эффекта изменена конструкция известного устройства для создания механических колебаний. Известное устройство содержит жесткие втулки, по меньшей мере один осевой пьезопакет, причем воображаемая ось пьезопакета совпадает с направлением механических колебаний. Также пьезопакет ограничен жесткими втулками, при этом начальная жесткая втулка и конечная жесткая втулка соединены средством, обеспечивающим их притягивание друг к другу в направлении воображаемой оси пьезопакета. В жестких втулках и в пьезопакете выполнен общий внутренний канал. Также в жестких втулках выполнены по меньшей мере два соединительных прохода, сообщающие внутренний канал с наружным пространством. В каждом соединительном проходе жестких втулок содержится один клапан. При этом по меньшей мере один клапан является впускным клапаном, по меньшей мере один клапан является выпускным клапаном.
При работе устройства его пьезопакет попеременно увеличивает и уменьшает свою длину. Это создает колебания, а также вызывает попеременное уменьшение и увеличение объема текучей среды в общем внутреннем канале. Впускной и выпускной клапаны, попеременно открываясь и закрываясь, обеспечивают движение текучей среды в общем внутреннем канале в одном направлении. Поэтому в предлагаемой конструкции отсутствует необходимость в насосе или ином аналогичном средстве, подающем жидкость в соединительный проход для охлаждения разогревающихся пьезопакетов.
За счет новой конструкции устройства для создания механических колебаний удается уменьшить его массу и объем.
Описание чертежей
Указанные преимущества изобретения, а также его особенности поясняются лучшими вариантами выполнения со ссылками на чертежи.
Фиг. 1 изображает продольный разрез устройства для создания механических колебаний. Средством для притягивания друг к другу начальной и конечной жестких втулок является винт, расположенный внутри внутреннего канала. Клапаны являются клапанами лепесткового типа. Клапаны расположены в начальной и конечной жестких втулках. Провода не изображены.
Фиг. 2 - вид на лепестковый клапан.
Фиг. 3 - продольный разрез устройства для создания механических колебаний. Клапаны расположены в промежуточных жестких втулках. Провода не изображены.
Фиг. 4 - продольный разрез устройства для создания механических колебаний. Средством для притягивания друг к другу начальной и конечной жестких втулок являются винты, расположенные снаружи пьезопакета. Клапаны расположены в промежуточных жестких втулках. Провода не изображены.
Фиг. 5 - продольный разрез устройства для создания механических колебаний. Средством для притягивания друг к другу начальной и конечной жестких втулок является кожух, расположенный снаружи пьезопакета. Клапаны являются электроуправляемыми пьезоэлектрическими клапанами.
Фиг. 6 - поперечный разрез жесткой втулки с пьезоэлектрическим впускным клапаном. Провода не изображены.
Фиг. 7 - поперечный разрез жесткой втулки с пьезоэлектрическим выпускным клапаном. Провода не изображены.
Лучший вариант осуществления изобретения
Устройство для создания механических колебаний, изображенное в продольном разрезе на фиг. 1, содержит начальную жесткую втулку 1 и конечную жесткую втулку 2, а также осевой пьезопакет 3. Пьезопакет 3 ограничен жесткими втулками 1 и 2. Пьезопакет 3 состоит из колец 4, выполненных из пьезоэлектрического материала, например из пьезокерамики. Между кольцами 4 расположены электродные пластины 5 кольцевой формы. Электродные платины 5 соединены электрическими проводами, не показанными на чертеже, по известному правилу, применяемому при сборке пьезопакетов. Кольца 4 поляризованы в направлении воображаемой оси 6 пьезопакета 3. Поэтому воображаемая ось 6 совпадает с направлением механических колебаний.
Начальная жесткая втулка 1 и конечная жесткая втулка 2 соединены средством, обеспечивающим их притягивание друг к другу в направлении воображаемой оси 6 пьезопакета 3. Таким средством является винт 7, закрепленный своей головкой в начальной жесткой втулке 1. Винт 7 проходит сквозь отверстия в кольцах 4 и электродных пластинах 5 пьезопакета 3 к конечной жесткой втулке 2. Винт 7 закреплен в конечной жесткой втулке 2 резьбовым соединением. При вращении винта 7 притягивание друг к другу начальной жесткой втулки 1 и конечной жесткой втулки 2 увеличивается, то есть увеличивается сила, сжимающая пьезопакет 3.
В жестких втулках 1, 2 и в пьезопакете 3 выполнен общий внутренний канал 8. В пьезопакете 3 канал 8 образован винтом 7, а также отверстием в кольцах 4 и электродных пластинах 5. В жесткой втулке 1 выполнен соединительный проход 9, сообщающий внутренний канал 8 с наружным пространством. Также в жесткой втулке 2 выполнен соединительный проход 10, сообщающий внутренний канал 8 с наружным пространством.
В соединительном проходе 9 жесткой втулки 1 содержится впускной клапан 11 лепесткового типа. В соединительном проходе 10 жесткой втулки 2 содержится выпускной клапан 12 также лепесткового типа.
Соединительный проход 9 с находящимся в нем впускным клапаном 11 герметично закрыт снизу опорной поверхностью 14, условно неподвижной при работе устройства. Вместо опорной поверхности 14 может быть использован любой другой объект, в том числе подвижный.
Соединительный проход 10 с находящимся в нем выпускным клапаном 12 герметично закрыт сверху телом 13, являющимся нагрузкой для работающего устройства. При работе устройства данное тело совершает механические колебания в вертикальном направлении. Нагрузкой для устройства может быть другой объект.
Вид на выпускной клапан 12 лепесткового типа представлен на фиг. 2. Выпускной клапан 12 состоит из гибкой прямоугольной пластины 15 и двух крепежных винтов 16. Один конец гибкой прямоугольной пластины 15 перекрывает отверстие соединительного прохода 10. Впускной клапан 11 лепесткового типа имеет аналогичную конструкцию.
Устройство для создания механических колебаний, изображенное в продольном разрезе на фиг. 3, содержит начальную жесткую втулку 1, конечную жесткую втулку 2, промежуточные жесткие втулки 17 и 18. Между начальной, конечной и промежуточными жесткими втулками 1, 2, 17 и 18 соответственно расположены три осевых пьезопакета 3.
Начальная жесткая втулка 1 и конечная жесткая втулка 2 соединены средством, обеспечивающим их притягивание друг к другу в направлении воображаемой оси 6 пьезопакетов 3. Таким средством является винт 7, закрепленный своей головкой в начальной жесткой втулке 1. Винт 7 проходит сквозь отверстия в кольцах 4, промежуточных жестких втулках 17 и 18, а также электродных пластинах 5 пьезопакетов 3 к конечной жесткой втулке 2. Винт 7 закреплен в конечной жесткой втулке 2 резьбовым соединением.
В устройстве выполнен общий внутренний канал 8 кольцевой формы, образованный винтом 7, а также отверстием в кольцах 4, начальной жесткой втулке 1, промежуточных жестких втулках 17 и 18 и электродных пластинах 5.
В промежуточной жесткой втулке 17 выполнено два соединительных прохода 19, сообщающих внутренний канал 8 с наружным пространством. В промежуточной жесткой втулке 18 выполнено два соединительных прохода 20, сообщающих внутренний канал 8 с наружным пространством.
В соединительных проходах 19 содержится по одному впускному клапану 11 лепесткового типа. В соединительных проходах 20 содержится по одному выпускному клапану 12 также лепесткового типа.
Нагрузкой для работающего устройства, воспринимающего механические колебания, является объект 21, участок которого изображен на фиг. 3. Нагрузкой для устройства также может быть физическая среда.
Конечная жесткая втулка 2 соединена с опорной поверхностью 14, условно неподвижной при работе устройства. Вместо опорной поверхности 14 может быть использован любой другой объект, в том числе подвижный.
Устройство для создания механических колебаний, изображенное в продольном разрезе на фиг. 4, содержит начальную жесткую втулку 1, конечную жесткую втулку 2, промежуточные жесткие втулки 17 и 18. Между начальной, конечной и промежуточными жесткими втулками 1, 2, 17 и 18 соответственно расположены три осевых пьезопакета 3.
Начальная жесткая втулка 1 и конечная жесткая втулка 2 соединены средством, обеспечивающим их притягивание друг к другу в направлении воображаемой оси 6 пьезопакетов 3. Таким средством являются два винта 7, закрепленные своими головками в начальной жесткой втулке 1, а резьбовыми частями - в конечной жесткой втулке 2. Диаметры начальной жесткой втулки 1 и конечной жесткой втулки 2 существенно превышают диаметры пьезопакетов 3. Винты 7 расположены снаружи пьезопакетов 3.
В устройстве выполнен общий внутренний канал 8, образованный отверстием в кольцах 4, промежуточных жестких втулках 17 и 18 и электродных пластинах 5.
В промежуточной жесткой втулке 17 выполнено два соединительных прохода 19, сообщающих внутренний канал 8 с наружным пространством. В промежуточной жесткой втулке 18 выполнено два соединительных прохода 20, сообщающих внутренний канал 8 с наружным пространством.
В соединительных проходах 19 содержится по одному впускному клапану 11 лепесткового типа. В соединительных проходах 20 содержится по одному выпускному клапану 12 также лепесткового типа.
Нагрузкой для работающего устройства, воспринимающего механические колебания, является объект 21, участок которого изображен на фиг. 4. Нагрузкой для устройства также может быть физическая среда.
Конечная жесткая втулка 2 соединена с опорной поверхностью 14, условно неподвижной при работе устройства. Вместо опорной поверхности 14 может быть использован любой другой объект, в том числе подвижный.
Устройство для создания механических колебаний, изображенное в продольном разрезе на фиг. 5, содержит начальную жесткую втулку 1 и конечную жесткую втулку 2. Между начальной и конечной жесткими втулками 1 и 2 соответственно расположен осевой пьезопакет 3.
Начальная жесткая втулка 1 и конечная жесткая втулка 2 соединены средством, обеспечивающим их притягивание друг к другу в направлении воображаемой оси 6 пьезопакетов 3. Таким средством является кожух 22, закрепленный на начальной жесткой втулке 1 и на конечной жесткой втулке 2. Кожух 22 закреплен на жестких втулках сваркой, пайкой, резьбовым соединением или иным способом.
В устройстве выполнен общий внутренний канал 8, образованный отверстием в начальной жесткой втулке 1, пьезопакете 3 и конечной жесткой втулке 2. В жесткой втулке 1 выполнен соединительный проход 9, сообщающий внутренний канал 8 с наружным пространством. Также в жесткой втулке 2 выполнен соединительный проход 10, сообщающий внутренний канал 8 с наружным пространством.
В соединительном проходе 9 начальной жесткой втулки 1 содержится впускной клапан 23 пьезоэлектрического типа. В соединительном проходе 10 жесткой втулки 2 содержится выпускной клапан 24 также пьезоэлектрического типа.
Начальная жесткая втулка 1 соединена с телом 13, являющимся нагрузкой для работающего устройства. При работе устройства данное тело совершает механические колебания в вертикальном направлении. Нагрузкой для устройства также может быть любой другой объект или физическая среда.
Конечная жесткая втулка 2 соединена снизу с опорной поверхностью 14, условно неподвижной при работе устройства. Вместо опорной поверхности 14 может быть использован любой другой объект, в том числе подвижный.
Поперечный разрез начальной жесткой втулки 1 с пьезоэлектрическим впускным клапаном 23, расположенным в соединительном проходе 9, изображен на фиг. 6. Провода, приводящие в действие пьезоэлектрический впускной клапан 23, - не изображены.
Поперечный разрез начальной жесткой втулки 2 с пьезоэлектрическим выпускным клапаном 24, расположенным в соединительном проходе 10, изображен на фиг. 7. Провода, приводящие в действие пьезоэлектрический выпускной клапан 24, - не изображены.
Наружное пространство, общий внутренний канал 8 (фиг. 1, 3, 4), соединительные проходы 9 и 10 (фиг. 1, 4), соединительные проходы 19 и 20 (фиг. 3) заполнены текучей средой. Такой средой может являться жидкость, газ, эмульсия, суспензия, пена.
Устройство работает следующим образом.
На кольца 4 пьезопакетов 3 (фиг. 1, 3, 4) через провода (не изображены) и электродные пластины 5 поступают импульсы электрического напряжения. В силу свойств пьезоэлектрического материала кольца 4 изменяют свою толщину пропорционально этому напряжению. Поэтому пьезопакет 3 попеременно увеличивает и уменьшает свою длину, что создает механические колебания тела 13 (фиг. 1, 4) или объекта 21 (фиг. 3), которые являются нагрузкой для устройства.
Также изменение длины пьезопакетов 3 вызывает попеременное уменьшение и увеличение объема текучей среды в общем внутреннем канале 8. Впускные клапаны лепесткового типа 11 (фиг. 1, 3) и выпускные клапаны лепесткового типа 12, попеременно открываясь и закрываясь вследствие разности давления в общем внутреннем канале 8 и наружном пространстве, обеспечивают движение текучей среды в общем внутреннем канале 8 в одном направлении.
На впускные электроуправляемые клапаны пьезоэлектрического типа 23 (фиг. 4) и выпускные электроуправляемые клапаны пьезоэлектрического типа 24 от блока управления (не изображен) подается управляющее электрическое напряжение, согласованное с напряжением, подаваемым на пьезопакет 3. В фазе уменьшения длины пьезопакета 3 управляющим электрическим напряжением обеспечивается открытое состояние выпускного клапана 24 и закрытое состояние впускного клапана 23. В фазе увеличения длины пьезопакета 3 управляющим электрическим напряжением обеспечивается закрытое состояние выпускного клапана 24 и открытое состояние впускного клапана 23. Попеременно открываясь и закрываясь, клапаны 23 и 24 обеспечивают движение текучей среды в общем внутреннем канале 8 в одном направлении.
Текучая среда поступает в общий внутренний канал 8 по соединительному проходу 9 (фиг. 1, 4) или соединительным проходам 19 (фиг. 3). Текучая среда выходит из общего внутреннего канала 8 по соединительному проходу 10 (фиг. 1, 4) или соединительным проходам 20 (фиг. 3). При этом текучая среда омывает кольца 4, пьезопакеты 3 и нагревается, отбирая тепло от них. Поскольку жесткие втулки 1, 2, 17, 18 (фиг. 1, 3, 4) нагреваются вследствие контакта с кольцами 4 пьезопакетов 3, текучая среда отбирает тепло также и от жестких втулок 1, 2, 17, 18. Вследствие направленного движения нагретая текучая среда отводит тепло от устройства для создания механических колебаний.
Поэтому в предлагаемом устройстве отсутствует необходимость в насосе или ином аналогичном средстве, обеспечивающем движение текучей среды в общем внутреннем канале 8 (фиг. 1, 3, 4) и соединительных проходах 9, 10 (фиг. 1, 4), 23, 24 (фиг. 2) для охлаждения пьезопакетов 3, которые разогреваются при создании механических колебаний.
Использование в промышленности
Наиболее успешно заявленное устройство для создания механических колебаний может быть использовано в промышленности, на транспорте и в быту в установках ультразвуковой сварки и мойки, эхолокации, а также в шаговых пьезоэлектрических двигателях.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретные варианты его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.