УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ULTRASONIC OSCILLATING SYSTEM

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к колебательным системам, и может быть использовано как при разработке акустических систем различного технологического назначения, так и в существующем ультразвуковом оборудовании, созданном на базе преобразователей разных типов.
Известный ультразвуковой преобразователь (RU 41648, В06В 1/00, опубл. 2004.11.10)[1] содержит волновод в виде цилиндра длиной, равной λ/2, который соединен с трансформатором продольных колебаний; трансформатор поперечных колебаний; в виде четырехугольной призмы, на основаниях которой установлен рабочий орган, две боковые поверхности соединены с волноводом, а через центры двух других боковых поверхностей выполнено отверстие, ось которого перпендикулярна оси волновода и находится на расстоянии λ/8 от торца волновода, при этом длина призмы равна λ/7, λ - длина волны в материале волновода.
Недостатком известного ультразвукового преобразователя является недостаточно высокая удельная акустическая мощность. Также к недостаткам известного ультразвукового преобразователя можно отнести невысокую амплитуду колебаний рабочего органа и недостаточный ресурс работы.
Наиболее близким аналогом является устройство для ультразвуковых технологических комплектов (RU 41649, В06В 3/00, опубл. 10.11.2004) [2], который содержит ступенчатый концентратор продольных колебаний, выполненный из титанового сплава, соединенный с ним активный элемент в виде набора О-образных пластин из магнитострикционного сплава, имеет на торце стяжки из титанового сплава, кроме того, ступенчатый концентратор продольных колебаний соединен с активным элементом посредством сварки оплавления.
Это известное устройство для ультразвуковых технологических комплектов также обладает невысокой удельной акустической мощностью. Недостатками известного устройства для ультразвуковых технологических комплектов также являются невысокая амплитуда колебаний ступенчатого концентратора продольных колебаний, недостаточный ресурс работы.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка ультразвуковой колебательной системы технологического назначения с повышенным КПД и высокой удельной акустической мощностью. При использовании этой системы для обработки жидких сред происходит улучшение кавитационной способности жидкости.
Указанный технический результат достигается тем, что ультразвуковая колебательная система технологического назначения включает преобразователь, трансформатор колебаний и излучающий инструмент.
Новым является то, что она содержит, по крайней мере, два трансформатора, усиливающие упругие колебания и имеющие длину, кратную λ/2, где λ - длина продольной волны в материале волновода, причем, по крайней мере, трансформатор второй ступени изготовлен из титанового сплава с субмикрокристаллической структурой и выполнен в виде ступенчатого вдоль продольной оси цилиндрического стержня с полостью, расположенной соосно стержню и уменьшающей площадь его выходного сечения, и излучающий инструмент, выполненный из титанового сплава с субмикрокристаллической структурой.
Колебательная система содержит преобразователь либо магнитострикционный, либо пьезокерамический.
В колебательной системе трансформаторы колебаний и излучающий инструмент соединены между собой посредством шпильки, выполненной из титанового сплава с субмикрокристаллической структурой.
В колебательной системе в качестве титанового сплава с субмикрокристаллической структурой используют титан марки ПТ-3В.
В колебательной системе длина второй ступени и длина полости трансформатора должны быть одинаковыми и кратными λ/4.
В колебательной системе радиус полости трансформатора не превышает значения 0.7 от величины радиуса выходного сечения трансформатора.
В колебательной системе полость трансформатора имеет с внутреннего конца сферическую форму с чистотой обработки поверхности полости Ra не более 1.25 мкм.
Для обоснования предполагаемых технических результатов по повышению КПД и высокой удельной мощности рассмотрим основные акустические параметры ультразвуковой колебательной системы технологического назначения, которые обеспечивают заданные характеристики технологического процесса - это частота, амплитуда колебаний (удельная акустическая мощность), площадь рабочей поверхности излучающего инструмента.
a
2
Для процессов, связанных с кавитационной активностью жидкости, и для интенсификации технологических процессов в жидких средах известно оптимальное значение удельной акустической мощности, например для водных сред составляет ω=1,5…2,0 Вт/см. Этому значению удельной акустической мощности соответствует амплитуда колебательной скорости на поверхности излучателя 0,2 м/с [4].
Условия работы при излучении в среду характеризуются заданной площадью излучения и удельной акустической мощностью, которая определяется для заданного технологического процесса. Заданному значению удельной акустической мощности соответствует определенная амплитуда колебательных смещений.
Сопротивлением нагрузки называют отношение мгновенных значений силы и скорости. При гармонических колебаниях с учетом сдвига фаз это отношение имеет активную и реактивную компоненты:
н
H
Реактивная составляющая Х приводит к изменению частоты резонанса, активная составляющая R связана со снижением амплитуды колебательной скорости. В линейном приближении, т.е. в случае, когда сила F(t) и скорость v(t) изменятся по гармоническому закону и амплитуда силы пропорциональна амплитуде колебательной скорости, акустическая мощность, излучаемая в нагрузку, пропорциональна произведению активной составляющей сопротивления нагрузки на квадрат амплитуды колебательной скорости:
m
где v - амплитуда колебательной скорости.
Как известно, при малой амплитуде колебаний реактивная составляющая при излучении в воду представляет собой присоединенную массу. С увеличением амплитуды до 1-3 мкм реактивная составляющая уменьшается до нуля. Установлено, что акустическая мощность, излучаемая в жидкость, растет с увеличением амплитуды колебательной скорости. Полная акустическая мощность
где S - площадь излучающей поверхности;
a
mн
ω(ξ) - удельная акустическая мощность, излучаемая в жидкую технологическую среду.
Амплитуда колебаний при заданной величине напряжения на входе преобразователя:
где A - значение определяется выбором конструкции преобразователя;
-1
g=l для пьезокерамического преобразователя;
2
2
g=(2πfNS) для магнитострикционного преобразователя,
2
m
М.П
H
где f - частота; N - количество витков обмотки возбуждения; S - площадь поперечного сечения магнитопровода; U - напряжение на входе преобразователя; R - сопротивление механических потерь преобразователя; R - сопротивление нагрузки; l - толщина пьезоэлемента.
max
При малых уровнях амплитуды входного напряжения чувствительность преобразователя можно считать величиной постоянной, что соответствует линейной зависимости амплитуды колебаний от амплитуды напряжения на входе. Однако существует предел увеличения амплитуды колебаний для данной конструкции ультразвукового преобразователя. Предельная амплитуда ξ является основным параметром, характеризующим работу преобразователя при больших уровнях входной мощности. В зависимости от типа преобразователя, выбранного материала и характера нагрузки ограничивающими факторами могут быть: усталостная прочность, нелинейность магнитных и магнитострикционных характеристик, степень допустимого нагрева преобразователя.
Для магнитострикционных преобразователей технологического назначения предельная амплитуда, наряду с усталостной прочностью элементов конструкции (волноводы и инструмент), ограничивается магнитным насыщением.
1
H
Пример расчета [4] максимальной амплитуды колебательных смещений магнитострикционного преобразователя, набранного из пластин ПП-40 сплава 49КФ. Частота f=22 кГц; l=13 мм; q=1,54; γ=0,1; Q=140 (см. табл.2).
По формуле
где
1
найдем α=2,129 и, подставляя значения параметров в формулу (5), получаем
Таким образом, расчет показывает, что на магнитострикционном пакете можно получить, в зависимости от его конструкции и применяемого материала, максимальную амплитуду не выше 3-5 мкм. Измерения магнитострикционных пакетов на частоту 22 кГц с набором пластин 24×24; 35×35; 35×60 подтверждают расчетную величину амплитуды. Поэтому для повышения амплитуды инструмента, его удельной акустической мощности необходимо применять трансформаторы упругих колебаний, например, в виде ступенчатых волноводов.
m
m
Одним из основных факторов, ограничивающих допустимую амплитуду колебаний или допустимую мощность волноводов, является усталостная прочность материала. Допустимая амплитуда колебаний определяется надежностью ультразвуковых преобразователей и волноводов, которая характеризуется длительностью непрерывной работы преобразователя в заданном режиме до момента его усталостного разрушения. Известно, что одновременно с ростом амплитуды колебаний пропорционально увеличивается амплитуда напряжений в пучности деформаций. Введенный Эйснером фактор формы φ позволил связать амплитуду колебательной скорости на конце волновода v с амплитудой напряжений в пучности деформаций σ через волновое сопротивление материала ρc:
где ρ - плотность материала волновода, с - скорость звука в материале волновода.
m
m
max
Величина φ, называемая фактором формы, является безразмерным параметром, зависящим только от соотношения определенных размеров. Поскольку максимальное значение σ не может быть больше значения усталостной прочности для данного материала, то, подставляя в уравнение (6) вместо σ величину усталостной прочности σ, для данной конструкции преобразователя получим
где Е - модуль Юнга; с - скорость звука.
Изобретение иллюстрируется фиг.1-4.
mн
На фиг.1 приведена зависимость удельной акустической мощности от амплитуды ξ колебаний излучающего инструмента под нагрузкой [4].
На фиг.2 приведена усталостная кривая, полученная для различных материалов [5] на частоте f=20 кГц, где
1 - титановый сплав ОТ4-1; 2 - сталь 45; 3 - сплав Д16Т; 4 - пермендюр 49КФ; 5 - никель Н-2. Штриховой линией изображена усталостная прочность стали 45 на частоте f=16 Гц. Найденная зависимость справедлива при постоянной температуре; при нагреве образца циклическая прочность снижается.
Как видно из фиг.2, располагая данными по усталости материалов, можно определить допустимую амплитуду ультразвуковых напряжений при заданной длительности или определить длительность при заданной амплитуде ультразвуковых напряжений.
Титановые сплавы с субмикрокристаллической структурой, в частности, марки ПТ-3В имеют повышенную усталостную прочность. Характерный размер элементов (зерен, субзерен, фрагментов) титана с УМЗ структурой не должен превышать 1.0 мкм.
На фиг.3 изображена схема ультразвуковой колебательной системы, где
1 - магнитострикционный преобразователь; 2 - трансформатор упругих колебаний (первая ступень); 3 - трансформатор упругих колебаний (вторая ступень); 4 - излучающий инструмент, выполненный из титанового сплава с субмикрокристаллической структурой (соединительные шпильки не изображены).
На фиг.4 схематично изображен трансформатор упругих колебаний 3 (вторая ступень), выполненный из титанового сплава с субмикрокристаллической структурой в виде ступенчатого вдоль продольной оси цилиндрического стержня с полостью (5), расположенной соосно стержню, где L - расстояние между плоскостью перехода одной ступени трасформатора в другую и плоскостью внутреннего конца полости.
Исследования, выполненные авторами изобретения, показали, что волноводы из титанового сплава ПТ-3В с субмикрокристаллической структурой имеют существенные преимущества по основным характеристикам перед волноводами из крупнокристаллического сплава, в частности по ресурсу работы - на два порядка, по максимальной амплитуде - в несколько раз и по допустимой подводимой мощности - в 1,5-2,0 раза. Такое существенное улучшение характеристик волноводов даже при увеличении стоимости заготовок субмикрокристаллического сплава ПТ-3В в 2 раза по сравнению с крупнокристаллическим сплавом обеспечит высокую конкурентоспособность разрабатываемых волноводов.
Заявляемая ультразвуковая колебательная система технологического назначения, включающая преобразователь, который может быть либо магнитострикционным, либо пьезокерамическим; по крайней мере, два трансформатора скоростей и излучающий инструмент, имеет важную отличительную особенность в том, что трансформатор, по крайней мере, второй ступени с большим коэффициентом усиления изготовлен из титанового сплава с субмикрокристаллической структурой, в частности из титанового сплава ПТ-3В, превышающего механические характеристики известных высокопрочных металлов и сплавов с макроструктурой.
Выполнение трансформатора второй ступени в виде ступенчатого вдоль продольной оси цилиндрического стержня с полостью, расположенной соосно стержню и уменьшающей площадь его выходного сечения, что дополнительно увеличивает коэффициент усиления колебаний.
Соединение трансформаторов между собой и с излучающим инструментом осуществляется посредством шпилек, выполненных из титанового сплава с субмикрокристаллической структурой. Это позволяет при соединении трансформаторов и инструмента применить высокое усилие закручивания и тем самым обеспечить плотный акустический контакт с очень малыми потерями энергии на нагрев, кроме того, увеличивается ресурс работы шпилечного соединения. Трансформатор упругих колебаний первой ступени выполнен из обычного материала длиной, кратной λ/2, а излучающий инструмент выполняется из титанового сплава с субмикрокристаллической структурой, что повышает КПД, удельную мощность системы и при этом повышается ее ресурс работы.
В трансформаторе второй ступени расстояние между плоскостью перехода одной ступени в другую и плоскостью внутреннего конца полости должно быть кратным λ/2 и составлять не менее 1/3 длины полости трансформатора. Эти конструктивные особенности необходимы для усиления амплитуды колебаний и сохранения прочностных характеристик трансформатора
В трансформаторе второй ступени радиус полости не превышает значения 0.7 от величины радиуса выходного сечения трансформатора. Это тот допустимый предел, который позволяет оптимизировать оптимальное сочетание уменьшения площади выходного сечения трансформатора и прочности его конструкции.
В колебательной системе полость трансформатора второй ступени имеет с внутреннего конца сферическую форму с чистотой обработки поверхности полости Ra не более 1.25 мкм. Это позволяет уменьшить концентрацию механических напряжений, возникающих на неровностях поверхности.
Ультразвуковая колебательная система работает следующим образом.
В преобразователе 1 (активном элементе колебательной системы) создается знакопеременная механическая сила. Трансформаторы упругих колебаний 2, 3 осуществляют согласование механического сопротивления внешней нагрузки и внутреннего сопротивления активного элемента, а также обеспечивают нужную амплитуду колебаний. Излучатель создает ультразвуковое поле в обрабатываемом объекте или непосредственно воздействует на него. Получение при этом амплитуды колебаний не менее 100 мкм обеспечивает высокую удельную мощность системы.
Источники информации
1. Патент РФ №41648, В06В 1/00, опубл. 2004.11.10.
2. Патент РФ №41649, В06В 3/00, опубл. 10.11.2004.
3. Китайгородский Ю.И., Яхимович Д.Ф. Инженерный расчет ультразвуковых колебательных систем. - М.: Машиностроение, 1982, 56 с.
4. Казанцев В.Ф. Расчет ультразвуковых преобразователей для технологических установок. - М.: Машиностроение, 1980, 44 с.
5. Усталостная прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения. Киев, Наукова думка, 1977, 250 с.