ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к технологическому применению ультразвука в промышленности и может быть использована при разработке оборудования для обработки, очистки и других целей. Известен акустический преобразователь, содержащий пакет пьезоэлектрических шайб, четвертьволновую переднюю и заднюю накладки с отверстиями, стягивающий болт с гайкой (759148, В06В 1/06, 30.08.2008).
Недостатком данного устройства является низкая надежность из-за невозможности определения геометрических размеров наиболее слабого звена - стягивающего элемента в процессе сборки пьезоэлектрического преобразователя.
Наиболее близкой к заявленной полезной модели является пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезопластины и металлическую прокладку, закрепленные между частотопонижающими прокладками, одна из которых является излучающей, а вторая отражающей (патент на полезную модель №78700, В06В 1/06, 10.12.2008).
Недостатком данного устройства является невозможность расчета надежности конструктивных элементов соединительного элемента с учетом допустимого напряжения на растяжения материала из которого он изготовлен, и напряжения возбуждения пьезоэлектрических пластин.
Технический результат предполагаемой полезной модели состоит в повышении надежности пьезоэлектрического преобразователя за счет определения зависимости внутреннего диаметра резьбы соединительного элемента от допустимого напряжения на растяжения материала из которого он изготовлен и напряжения возбуждения пьезоэлектрических пластин.
1
Технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем пьезопластины и металлическую прокладку, закрепленные между частотопонижающими накладками, одна из которых является излучающей, а вторая отражающей, с помощью соединительного элемента, отличающийся тем, что соединительный элемент имеет со стороны резьбовой части на всю длину резьбы отверстие диаметром 0,3÷0,4 от внутреннего диаметра d резьбы определяемого по формуле:
где U - напряжение возбуждения пьезоэлектрических пластин, В;
[σ] - допустимое напряжение на растяжение стали, из которого изготовлен соединительный элемент, МПа.
э
На чертеже изображен пьезоэлектрический преобразователь. Пьезоэлектрический преобразователь содержит две пьезопластины 1, между которыми заключена металлическая прокладка из отожженной меди 2 и изолирующая втулка из электротехнического текстолита 3, которые сжимаются частотопонижающими накладками 4 и 5, при этом накладка 4 является отражающей, а накладка 5 -излучающей Излучающая накладка выполнена из стали 40ХН, закаленной до HRC 44..46, а отражающая из мягкой стали 10. Жесткий акустический контакт осуществляется с помощью соединительного элемента в виде болта 6, который изготовлен из стали с высоким временным сопротивлением. Завинчивание осуществляется динамометрическим ключом. С ультразвукового генератора 7 подается электрический сигнал на пьезопластины.
1
Наиболее простой способ увеличения амплитуды колебаний на торце излучающей частотопонижающей прокладки - повышение момента завинчивания соединительного элемента. Однако с увеличением момента завинчивания соединительного элемента увеличиваются напряжения в резьбовом соединении, что ведет к разрушению по внутреннему диаметру резьбы. Исследования по повышению усталостной прочности соединительного элемента показали, что ее можно увеличить просверлив отверстие d диаметром 0,3-0,4 от внутреннего диаметра d, резьбы на всю длину резьбы.
Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.
1
В режиме излучения на поверхности пьезопластин 1, разделенных металлической прокладкой 2 из мягкой отожженной меди и изолирующей втулки 3 из электротехнического текстолита подается возбуждающее напряжение резонансной частоты пьезопластин. В соответствии с эффектом Пуансона пластины 1 изменяют свою толщину, вследствие чего возникает волна, которая передается на две частотопонижающие накладки, при этом накладка 4 является отражающей и выполнена из мягкой стали 10, а вторая излучающая 5 выполнена в виде концентратора из закаленной стали 40ХН, на торце которого имеется резьбовое отверстие d для завинчивания соединительного элемента 6, который представляет собой болт с мелкой резьбой и выполнен из высокопрочной низкоотпущенной стали. Электрический сигнал подается с ультразвукового генератора 7 на пьезопластины. Завинчивание осуществляется динамометрическим ключом.
При сборке пьезоэлектрического преобразователя жесткий акустический контакт осуществляется с помощью соединительного элемента (болта). Увеличивая его диаметр можно приложить и повышенный момент завинчивания, что приводит к уменьшению напряжения возбуждения пьезоэлектрических пластин, которое определяется по формуле:
где U - напряжение возбуждения пьезоэлектрических пластин, В;
кр
М - крутящий момент завинчивания соединительного элемента, Нм.
э
Данная зависимость получена при сборке пьезоэлектрического преобразователя, который представляет собой пакет Ланжевена, состоящий из двух пьезопластин маркок ЦТС-19 или ЦТС-24 с резонансной частотой 18÷24 кГц. Между ними установлена для подведения электрического сигнала металлическая прокладка из отожженной меди и изолирующая втулка из электротехнического текстолита. Излучающая накладка выполнена из закаленной стали 40ХН, закаленной до HRС 44..46, а отражающая - из мягкой стали 10. Сборка осуществляется при помощи центрального соединительного элемента (болта) изготовленного из стали 35ХГСА с резьбой M10×1 и динамометрического ключа, что позволяет измерять момент завинчивания. Электрический сигнал подается с ультразвукового генератора УЗГ 3-0,25, а амплитуда колебаний измерялась виброметром УБВ-2. Оптимальной амплитудой ультразвуковых колебаний при лезвийной механической обработке считается величина 4-6 мкм полученная экспериментальным путем. Момент завинчивания в зависимости от геометрических и прочностных характеристик соединительного элемента определяется по формуле:
1
где d - внутренний диаметр резьбы, мм;
- допускаемое предельное напряжение материала болта при растяжении под действием знакопеременной нагрузки, МПа;
n - минимальное значение коэффициента запаса прочности материала болта;
- предел выносливости материала болта при растяжении с симметричным циклом, МПа;
B
σ - временное сопротивление материала болта, МПа;
2
d - средний диаметр резьбы, мм;
- средний диаметр опорной поверхности головки соединительного элемента (болта), мм;
oтв
d- диаметр отверстия под соединительный элемент (болт), мм;
т
f - коэффициент трения на торце головки соединительного элемента (болта);
угол подъема средней винтовой линии резьбы соединительного элемента (болта);
Р - шаг резьбы;
- приведенный угол трения в резьбе;
P
f - коэффициент трения в резьбе;
α - угол профиля резьбы;
1
2
так как резьба на соединительном элементе нарезается с мелким шагом, то с достаточной точностью можно принять d=d
Из формул (1) и (2) следует, что внутренний диаметр резьбы определяется по формуле:
Соединительный элемент (болт) выполнен из стали 35ХГСА с метрической резьбой М10×1, тогда:
1
d=9 мм;
P
f=0,2
;
B
σ=1400÷1700, МПа, принимаем минимальное значение 1400 МПа; n=1,5÷2, принимаем n=1,5 для наиболее худшего случая.
1
Выходное напряжение ультразвукового генератора УЗГ 3-0,25 составляет от 180 до 220 В, которое и применяется при расчетах внутреннего диаметра d.
1
Подставляя полученные данные в формулы (1) и (2) получим d=8,8÷9,2 мм, внутренний диаметр резьбы M10x1 равен 9 мм, т.е. сходимость результатов удовлетворительна (погрешность измерения составляет 4,5%).
Предполагаемая конструкция пьезоэлектрического преобразователя в ультразвуковом станке для механической обработки, очистки и других целей позволит оптимизировать выбор стали и внутреннего диаметра резьбы соединительного элемента, что значительно повысить его надежность и долговечность в процессе эксплуатации.