Są to urządzenia do zwiększania amplitudy oscylacyjnego przemieszczenia cząstek ośrodka, czyli natężenia ultradźwięków. Stosowane są dwa rodzaje koncentratora: skupiający (w celu wytworzenia drgań ultradźwiękowych na zewnątrz koncentratora) i prętowy. Koncentratory ogniskujące pokazano na rysunkach 6.12 i 6.13.

Kulista powłoka może służyć jako element promieniujący (rys. 6.12), który oscyluje z częstotliwością rezonansową wzdłuż grubości. Powłoka jest wzbudzana przez płytki piezoceramiczne, które mają tę samą częstotliwość rezonansową i pokrywają ją całkowicie w formie mozaiki. Promieniowanie drgań do wnęki z wodą i opadającą falą sferyczną skupia się u podstawy szyby z badanym obiektem. Szklana wnęka jest oddzielona od medium kontaktowego przez przezroczystą dla dźwięku folię. Jako środek kontaktowy można również użyć substancji stałej o niskim pochłanianiu dźwięku (rys. 6.13). Koncentrator prętów - pręt pełny o zmiennym przekroju lub zmianie gęstości, przymocowany do chłodnicy szerszym końcem lub częścią o większej gęstości materiału. Zasada działania opiera się na zwiększeniu amplitudy drgań cząstek pręta w wyniku zmniejszenia jego przekroju lub gęstości zgodnie z prawem zachowania pędu. Wzrost amplitudy jest tym większy, im większa jest różnica średnic lub gęstości przeciwległych końców pręta. Takie koncentratory działają na częstotliwościach od 18 do 100 kHz przy częstotliwości rezonansowej, to znaczy, że ich długość musi być wielokrotnością całkowitej liczby półfal. Maksymalny wymiar liniowy szerokiego końca koncentratora musi być mniejszy niż λ/2. Wzmocnienie K koncentratora jest stosunkiem amplitudy przemieszczeń (lub prędkości) na jego wąskim końcu A 0 (V 0) i szerokim A n (V n).

Koncentratory prętów kwalifikują się:

Według kształtu przekroju podłużnego (schodkowy, stożkowy, wykładniczy, katenoidalny, ampułka)

Według kształtu przekroju (okrągły, klinowy i inne)

Według liczby połączonych szeregowo piast rezonansowych o długości półfalowej (jeden, dwa itd.)

Na rysunku 6.14 przedstawiono różne typy koncentratorów półfalowych, a także rozkład amplitud przemieszczeń A i napięcia Δ. Istnieją 2 tryby pracy koncentratorów: tryb oscylacyjny poza stanem obciążenia (tryb fali stojącej), tryb fali biegnącej przy obciążeniu na całkowicie pochłaniającym medium aktywnym. Stopień zbliżenia oscylacji do modów fali biegnącej lub stojącej określa współczynnik fali biegnącej:

A 0 min - amplituda przemieszczenia w sekcji węzłowej

A 0 max - amplituda przemieszczeń w antywęźle oscylacji

Zmienną powierzchnię przekroju koncentratora można zapewnić poprzez zmianę ich profilu wewnętrznego (ryc. 6.15). Koncentratory mogą być wykonane ze stopów tytanu (minimalne straty akustyczne, duża amplituda drgań, wytrzymałość zmęczeniowa), jednak połączenie tytanu z materiałami magnetostrykcyjnymi jest utrudnione, coraz częściej koncentratory wykonuje się ze stali 40X i 45. napięcia są minimalne.

Połączenie konwerterów ferrytowych z piastą jest klejone. Przetworniki piezoceramiczne za pomocą podkładek i śrub sprzęgających, oprócz układów oscylacyjnych z drganiami wzdłużnymi, wykorzystują układy z drganiami zginającymi i skrętnymi (rys. 6.16). Piezoceramiczne przetworniki drgań skrętnych mogą być stosowane z dwóch półcylindrycznych elementów piezoelektrycznych spolaryzowanych na kołowy i połączonych klejem (rys. 6.17). Nie zapewniają jednak dużej mocy promieniowania. Aby to wyeliminować, zastosowano projekty pokazane na rysunku 6.18. Pomiędzy podkładkami redukującymi częstotliwość (ryc. 6.18.a) za pomocą śruby i nakrętki zamocowane są pierścienie piezoceramiczne, pozyskane z oddzielnych sekcji piezoceramiki i elektrod srebrnych (ryc. 6.18.b). Piezoceramika jest spolaryzowana na całym obwodzie.

Do wielokierunkowej transmisji energii ultradźwiękowej wykorzystywane są akustyczne układy oscylacyjne, które przetwarzają drgania w kilku kierunkach lub akumulują energię z kilku źródeł w jednym kierunku (rys. 6.19-6.20).

5 OPRACOWANIE SYSTEMÓW DRGAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH DO REALIZACJI TECHNOLOGICZNEGO PROCESU WYMIAROWANIA

1. Schematy strukturalne i skład ultradźwiękowych systemów oscylacyjnych

Każda ultradźwiękowa jednostka procesowa, w tym urządzenia ultradźwiękowe do wymiarowej obróbki materiałów, zawiera źródło energii (generator oscylacji elektrycznych) i ultradźwiękowy system oscylacyjny.

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

W przetworniku (element aktywny) układu oscylacyjnego energia drgań elektrycznych jest przekształcana w energię drgań sprężystych o częstotliwości ultradźwiękowej i powstaje przemienna siła mechaniczna.

Element dopasowujący systemu (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 systemów oscylacyjnych jest częstotliwość rezonansowa. Wynika to z faktu, że wydajność procesy technologiczne jest określany przez amplitudę oscylacji (wartości przemieszczeń wibracyjnych), a maksymalne wartości amplitud uzyskuje się, gdy ultradźwiękowy układ oscylacyjny jest wzbudzany z częstotliwością rezonansową. Wartości częstotliwości rezonansowych ultradźwiękowych systemów wibracyjnych 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 zużytej na działanie technologiczne dla każdego okresu oscylacji nazywany jest współczynnikiem jakości układu oscylacyjnego. Współczynnik jakości określa maksymalną amplitudę drgań przy częstotliwości rezonansowej oraz charakter zależności amplitudy drgań od częstotliwości (tj. szerokość zakresu częstotliwości).

Wygląd zewnętrzny Typowy ultradźwiękowy system oscylacyjny 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 ( naprężenia mechaniczne) F w układzie oscylacyjnym ma postać fal stojących (pod warunkiem pominięcia strat i promieniowania).

Jak widać na rysunku 5.1, istnieją płaszczyzny, w których przemieszczenia i naprężenia mechaniczne są zawsze zerowe. Płaszczyzny te nazywane są 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 - Dwupołówkowy układ oscylacyjny i rozkład amplitud oscylacji A i działających naprężeń mechanicznych F

W układzie oscylacyjnym zawsze występują połączenia, które zapewniają akustyczne i mechaniczne połączenie jego elementów. Połączenia mogą być jednoczęściowe, jednak w przypadku konieczności zmiany narzędzia roboczego połączenia są gwintowane.

Ultradźwiękowy układ oscylacyjny wraz z obudową, urządzeniami do zasilania i otworów wentylacyjnych wykonywany jest zwykle jako oddzielna jednostka. W przyszłości, używając terminu ultradźwiękowy system oscylacyjny, będziemy mówić o całym węźle jako całości.

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

jeden). Praca w zadanym zakresie częstotliwości;

2). Pracuj ze wszystkimi możliwymi zmianami obciążenia podczas procesu technologicznego;

3). Zapewnij niezbędną intensywność promieniowania lub amplitudę oscylacji;

cztery). Mieć najwyższy możliwy stosunek przydatne działanie;

5). Części ultradźwiękowego systemu oscylacyjnego stykające się z cieczą muszą mieć odporność na kawitację;

6). Mieć sztywne mocowanie w ciele;

7). Musi mieć minimalne wymiary i wagę;

osiem). Należy przestrzegać wymogów bezpieczeństwa.

Ultradźwiękowy układ oscylacyjny pokazany na rysunku 5.1 jest układem oscylacyjnym składającym się z dwóch półfal. W nim przetwornik ma wielkość rezonansową równą 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 przedstawiony 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 niewielkiej wagi, stosuje się półfalowe układy oscylacyjne, składające się z przetwornika ćwierćfalowego i koncentratora. Taki układ oscylacyjny jest schematycznie pokazany na rysunku 5.2. Oznaczenia elementów układu oscylacyjnego odpowiadają oznaczeniom z rysunku 5.1.

Przy wdrażaniu konstruktywnego schematu półfalowego możliwe jest zapewnienie minimalnego możliwego rozmiaru wzdłużnego i masy ultradźwiękowego układu oscylacyjnego, a także zmniejszenie liczby połączeń mechanicznych.

Wadą takiego układu oscylacyjnego jest połączenie konwertera z koncentratorem w płaszczyźnie największych naprężeń mechanicznych. Jednak tę wadę, jak zostanie pokazane poniżej, można częściowo wyeliminować poprzez przesunięcie elementu aktywnego przekształtnika z punktu maksymalnych napięć roboczych.

Drgania ultradźwiękowe o dużej intensywności w urządzeniach technologicznych wytwarzane są za pomocą przetworników magnetostrykcyjnych i piezoelektrycznych.

Rysunek 5.2 - Półfalowy układ oscylacyjny i rozkład amplitud oscylacji A i napięć roboczych F

Przetworniki magnetostrykcyjne są w stanie zapewnić wysoką moc promieniowania drgań ultradźwiękowych, wymagają jednak zastosowania wymuszonego chłodzenia wodą. To sprawia, że ​​nie nadają się do zastosowania w wielofunkcyjnych urządzeniach o niewielkich rozmiarach o szerokim zastosowaniu.

Materiały piezoceramiczne charakteryzują się bardzo wysokimi temperaturami pracy (powyżej 200°C) i dlatego są stosowane bez wymuszonego chłodzenia. Dlatego przetworniki o mocy do 1 kW z reguły wykonywane są ze sztucznych materiałów piezoceramicznych na bazie cyrkonianu ołowiu z różnymi dodatkami.

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

Ponadto z piezoceramiki można wykonać elementy piezoelektryczne o niemal dowolnym kształcie - okrągłe dyski, kwadratowe płytki, pierścienie itp. Ponieważ elementy piezoceramiczne podczas produkcji poddawane są specjalnej operacji technologicznej - polaryzacja 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.

Z piezoceramiki wykonuje się płyty okrągłe i elementy pierścieniowe o wymiarach podanych w tabeli 5.1.

Wielkość podłużna elementu piezoelektrycznego (jego grubość) zależy od właściwości materiału i zadanej częstotliwości roboczej. 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 - Wymiary produkowanych elementów piezoelektrycznych

Średnica zewnętrzna, mm
Średnica wewnętrzna, mm
Grubość, mm

Elementy piezoelektryczne o tej grubości nie są produkowane przez przemysł. Dlatego w ultradźwiękowych układach oscylacyjnych wykonanych na bazie materiałów piezoceramicznych stosuje się przetworniki typu sandwicz zaproponowane przez Langevina.

Przetworniki takie składają się z dwóch metalowych płytek o cylindrycznym kształcie, pomiędzy którymi zamocowany jest aktywny element wykonany z piezoceramiki. Metalowe płytki działają jak dodatkowe masy i określają częstotliwość rezonansową przetwornika.

Wzbudzenie elementu aktywnego odbywa się w taki sposób, aby cały układ pracował jako półfalowy przetwornik rezonansowy. Typowy obwód przetwornika półfalowego pokazano na rysunku 5.3.

Rysunek 5.3 - Półfalowy przetwornik piezoelektryczny

Przetwornik składa się z dwóch piezoceramicznych elementów pierścieniowych 1, wyłożenia promieniującego 2, wyłożenia refleksyjnego 3, podkładek z miękkiej folii przewodzącej 4 oraz śruby dociskowej 5. Tuleja izolacyjna 6 służy do izolowania elektrycznego wewnętrznej powierzchni cylindrycznej elementów piezoelektrycznych od metalowej śruby mocującej.

Powierzchnie przyłączeniowe elementów piezoelektrycznych i nakładek są starannie pocierane podczas montażu przetworników. Śruba ściągająca i miękkie (zwykle miedziane) uszczelki zapewniają mocne połączenie mechaniczne. Wytworzenie wstępnego naprężenia mechanicznego w elementach piezoelektrycznych (powyżej 20 MPa/cm2) umożliwia zwiększenie sprawności przetwornika. Aby wytworzyć niezbędne siły dociągające, stosuje się śruby mocujące M12 ... M18 z drobnym gwintem. Konieczność stosowania śrub o wskazanych średnicach wymusza zastosowanie w przetwornikach pierścieniowych elementów piezoelektrycznych o średnicy wewnętrznej powyżej 14 mm (uwzględniając konieczność zastosowania tulei izolacyjnych).

Miedź rozprzestrzenia się pod wpływem ściskających nacisków, wypełnia mikronierówności powierzchni elementów piezoelektrycznych (obturacja) i nakładek, zapewniając w ten sposób niezawodny kontakt akustyczny. W celu obniżenia napięcia wzbudzenia zasilającego przetwornik ultradźwiękowy, a także zapewnienia możliwości uziemienia górnej i dolnej nakładki, element aktywny jest złożony z dwóch elementów piezoelektrycznych o tej samej grubości. Elementy piezoelektryczne są zainstalowane w taki sposób, aby ich wektory polaryzacji były skierowane przeciwnie. W takim przypadku wymagane napięcie wzbudzenia zmniejsza się o połowę, a rezystancja przetwornicy przy częstotliwości rezonansowej wynosi jedną czwartą rezystancji przetwornicy z jedną płytką.

Na sprawność przetwornika ma wpływ położenie elementów piezoelektrycznych w układzie (w płaszczyźnie węzłowej, w antywęźle lub w położeniu pośrednim między węzłem a antywęzłem oscylacji), grubość elementów piezoelektrycznych, stosunek określone opory falowe (iloczyn gęstości materiału i prędkości propagacji w nim drgań ultradźwiękowych) piezoelementów i nakładek.

Najtrudniejsze warunki pod względem charakterystyk wytrzymałościowych powstają, gdy elementy piezoelektryczne znajdują się w węzłowej płaszczyźnie drgań, tj. w płaszczyźnie maksymalnych naprężeń mechanicznych. Specyficzna moc promieniowania przetwornika jest w tym przypadku ograniczona wytrzymałością piezomateriału. Umieszczenie elementów piezoelektrycznych na końcu przetwornika (w antywęźle drgań) umożliwia uzyskanie maksymalnej sprawności. Zmniejszeniu ulegają naprężenia mechaniczne w sekcji roboczej, co umożliwia zwiększenie mocy sygnału elektrycznego dostarczanego do elementów piezoelektrycznych. Jednak duża impedancja wejściowa przekształtnika w tym przypadku wymaga znacznego wzrostu napięcia zasilania, co jest niepożądane w przypadku urządzeń wielofunkcyjnych stosowanych zwłaszcza w warunkach domowych.

Przy stosowaniu przetworników z aktywnymi elementami piezoceramicznymi duże znaczenie ma stabilność ich działania. Straty w materiale piezoceramicznym, podkładkach, podporach prowadzą do własnego nagrzewania się przetwornika. Dodatkowo w trakcie procesu technologicznego obrabiane materiały są nagrzewane, zmienia się obciążenie zewnętrzne na skutek zmian właściwości obrabianych materiałów. Te czynniki destabilizujące prowadzą do zmiany częstotliwości rezonansowej przekształtnika, jego impedancji wejściowej i mocy promieniowanej.

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

Najlepsza opcja działaniem przetwornika kompozytowego jest umieszczenie elementów piezoelektrycznych pomiędzy płaszczyzną węzłową a czołem okładziny odblaskowej. W tym przypadku uzyskuje się pośrednie warunki uśrednienia wytrzymałości piezomateriału, sprawności i stabilności przetwornika.

Maksymalna amplituda oscylacji przetworników piezoelektrycznych, nawet w trybie rezonansowym, jest niewielka (zwykle nie więcej niż 3...10 µm). Dlatego w celu zwiększenia amplitudy drgań narzędzia roboczego oraz dopasowania przetwornika do obciążenia (przetwarzanego medium) stosuje się koncentratory ultradźwiękowe. Dla uzyskania wysokiej sprawności elektroakustycznej konieczne jest, aby stosunek rezystancji przetwarzanego medium (stosunek wypromieniowanej mocy akustycznej do kwadratu prędkości drgań) do rezystancji wewnętrznej przetwornika odpowiadał w przybliżeniu 10. W praktyce przetworniki o natężeniu 3...10 W/cm2 mają ten stosunek równy 0,65...0,85.

Dlatego maksymalną skuteczność 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 metali. W zależności od kształtu tworzącej koncentratory dzielą się na stożkowe, wykładnicze, katenoidalne i schodkowe. Wygląd koncentratorów oraz 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 małym obciążeniu są koncentratory schodkowe, w których współczynnik wzmocnienia amplitudy jest równy stosunkowi powierzchni sekcji wlotowej i wylotowej (tj. kwadrat stosunku średnic sekcji wylotowej i wlotowej). Jednak pod względem możliwości dopasowania przetwornika do medium, takie koncentratory znacznie ustępują koncentracjom 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 system oscylacyjny z koncentratorem schodkowym charakteryzuje się wąskim pasmem częstotliwości pracy, a co za tym idzie bardzo ograniczoną możliwością regulacji częstotliwości przy zmianach obciążenia. Nieznaczne odchylenia częstotliwości rezonansowej układu oscylacyjnego od częstotliwości rezonansowej koncentratora schodkowego prowadzą do gwałtownego wzrostu rezystancji wejściowej, a w konsekwencji do spadku sprawności całego układu oscylacyjnego.

Duże naprężenia mechaniczne występujące w strefie przejściowej pomiędzy odcinkami o różnych średnicach przy pracy z amplitudami powyżej 20 μm powodują silne nagrzewanie się koncentratora i w efekcie znaczne zmiany częstotliwości drgań układu. Dlatego koncentratory schodkowe nie mają wystarczającej wytrzymałości, a ich żywotność jest bardzo krótka ze względu na pojawienie się pęknięć zmęczeniowych.

Te niedociągnięcia wykluczają możliwość stosowania koncentratorów schodkowych w układach oscylacyjnych, które zapewniają powstawanie drgań ultradźwiękowych o dużej intensywności o amplitudzie około 30 ... 50 mikronów lub więcej.

Koncentratory o kształcie stożkowym, wykładniczym i katenoidalnym zapewniają korzystniejsze warunki przenoszenia drgań ultradźwiękowych na obciążenie i uzyskania niezbędnych charakterystyk wytrzymałościowych układów oscylacyjnych. Jednak zyski takich koncentratorów nie przekraczają stosunku średnic sekcji wylotowej i wlotowej. Dlatego przy znacznych powierzchniach sekcji wylotowej (do 5 cm2 i więcej), a co za tym idzie i narzędzia roboczego, w celu uzyskania odpowiednio wysokich wartości wzmocnienia wymagane są tak duże gabaryty sekcji wlotowej, które praktycznie z góry przesądzają o braku możliwości zastosowania takich koncentratorów w urządzeniach wielofunkcyjnych.

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

Rysunek 5.5 - Złożony schodkowy koncentrator wykładniczy

Koncentratory takie umożliwiają, przy stosunkowo małych wymiarach sekcji wlotowej, uzyskanie wzmocnień, które praktycznie odpowiadają wzmocnieniom schodkowego koncentratora klasycznego. Obecność przejściowego przekroju wykładniczego zmniejsza koncentrację naprężeń i zapewnia korzystniejsze warunki do propagacji drgań ultradźwiękowych, poprawia właściwości wytrzymałościowe koncentratorów. Ponadto obecność sekcji wykładniczej pozwala na przekształcenie obciążenia bez znaczącej zmiany trybu rezonansowego ultradźwiękowego układu oscylacyjnego.

Wykorzystanie podanych w pracy zależności teoretycznych przy projektowaniu koncentratorów schodkowych z płynnymi przejściami jest bardzo pracochłonne i wymaga kłopotliwych obliczeń. Dlatego zwykle stosuje się technikę obliczeniową, uzyskaną w wyniku badań eksperymentalnych wyjściowych wyrażeń analitycznych w szerokim zakresie zmian parametrów wymiarowych koncentratorów. W następnym podrozdziale pokazano, w jaki sposób przeprowadzane są praktyczne obliczenia ultradźwiękowych układów oscylacyjnych z rozważanymi schodkowymi koncentratorami związków.

1. Niewielki ultradźwiękowy system oscylacyjny do narzędzi ręcznych

Przy tworzeniu ultradźwiękowych układów oscylacyjnych dla urządzeń wielofunkcyjnych należy zapewnić co najmniej 10-krotny wzrost amplitudy drgań narzędzia roboczego za pomocą 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. Wada ta jest eliminowana w układzie oscylacyjnym wykonanym w postaci korpusu obrotowego utworzonego przez dwie metalowe płytki, pomiędzy którymi znajdują się elementy piezoelektryczne nad węzłem przesunięcia fali ultradźwiękowej.

Wzmocnienie amplitudy oscylacji zapewnia się dzięki temu, że tworząca korpusu obrotowego układu oscylacyjnego jest wykonana w postaci krzywej ciągłej, takiej jak katenoidy, wykładniki itp., zapewniającej koncentrację energii ultradźwiękowej. Po przyłożeniu napięcia elektrycznego do elektrod elementów piezoelektrycznych powstają drgania mechaniczne, które są wzmacniane przez wykonanie nakładek w postaci krzywej ciągłej, a następnie przenoszone na narzędzie robocze.

Z punktu widzenia zapewnienia optymalnego dopasowania rezystancji wejściowej elementu czynnego i rezystancji przetwarzanego medium konieczne jest wykonanie nakładek roboczych odbijających i promieniujących w postaci korpusu obrotowego z tworzącą wykonaną w forma katenoidy. Zysk w tym przypadku będzie maksymalny i może osiągnąć wartości równe:

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

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

W rozpatrywanym układzie oscylacyjnym elementy piezoelektryczne znajdują się, jak wspomniano, powyżej węzła przemieszczenia. Odległość między nimi a końcem układu oscylacyjnego dobiera się tak, aby w obszarze elementów piezoelektrycznych naprężenia dynamiczne miały wartości nie przekraczające 0,3 Fmax, co zwiększa niezawodność i stabilność działania układu.

Zastanówmy się, czy możliwe jest wykorzystanie rozważanego układu oscylacyjnego do urządzeń wielofunkcyjnych do celów technologicznych.

Tak więc, aby uzyskać współczynnik wzmocnienia K równy 10, przy średnicy powierzchni czołowej promieniującej podkładki roboczej równej 10 mm, zgodnie z powyższym wzorem konieczne jest zastosowanie podkładki tylnej o średnicy 90 mm. Tak znaczny wzrost gabarytów układu oscylacyjnego prowadzi nie tylko do pojawienia się oscylacji promieniowych, które znacznie zmniejszają wzmocnienie, ale również jest praktycznie niemożliwy do zrealizowania ze względu na brak elementów piezoelektrycznych o dużych średnicach (powyżej 70 mm).

Dlatego zaproponowano i opracowano ultradźwiękowy układ oscylacyjny w postaci korpusu obrotowego z dwóch nakładek i dwóch elementów piezoelektrycznych umieszczonych pomiędzy tymi nakładkami, tak aby tworząca korpusu obrotowego była wykonana w postaci ciągłej odcinkowo gładkiej krzywa, składająca się z trzech odcinków. Pierwsza sekcja jest cylindryczna o długości l1, druga ma długość wykładniczą lz, trzecia jest cylindryczna o długości l2.

Elementy piezoelektryczne znajdują się pomiędzy sekcją wykładniczą a powierzchnią końcową podkładki odblaskowej. Długości kształtowników spełniają następujące warunki:

,

,

,

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

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

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

h jest grubością elementu piezoelektrycznego, (m);

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

Rozważany ultradźwiękowy system oscylacyjny jest schematycznie pokazany na rysunku 5.6. Ten sam rysunek przedstawia rozkład amplitud oscylacji 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 system oscylacyjny zawiera obudowę 1, w której za pomocą łączników przez wspornik 2, ultradźwiękowy system oscylacyjny jest zamocowany w jednostce wyporowej, składającej się z odblaskowej płytki metalowej 3, elementów piezoelektrycznych 4, do których elektrod poprzez kabel połączeniowy doprowadzane jest elektryczne napięcie wzbudzenia emitującej metalowej płytki 5. Narzędzie robocze 6 jest zamocowane jako ostatnie.

Tworząca korpusu obrotowego, składająca się z nakładek i elementów piezoelektrycznych układu oscylacyjnego, wykonana jest w postaci ciągłej odcinkowo gładkiej krzywej zawierającej trzy sekcje. Pierwsza - cylindryczna - zawiera nakładkę odblaskową 3 oraz elementy piezoelektryczne 4. Druga (wykładnicza) i trzecia (cylindryczna) sekcja to nakładka robocza 5.

R
Rysunek 5.6 - Ultradźwiękowy system wibracyjny

Długości odcinków dobierane są zgodnie z powyższymi wzorami.

Uzyskanie zależności analitycznych do praktycznych obliczeń w projektowaniu układów oscylacyjnych jest utrudnione ze względu na brak szeregu dokładnych danych dotyczących propagacji drgań w prętach o zmiennym przekroju z przemiennych różnych materiałów. Obliczenia przybliżone wymagają obliczeń uciążliwych, dlatego podane współczynniki stosuje się w połączeniu z zależnościami graficznymi uzyskanymi w wyniku praktycznych badań koncentratorów o różnych stosunkach parametrów l 1 , l z , l 2 .

Otrzymane wyniki, pokazujące zależność wzmocnienia złożonego schodkowo-wykładniczego układu oscylacyjnego, od współczynników k 1 i k 2, określających długości odcinków wejściowych i wyjściowych, przedstawiono na rysunku 5.7.

Pod warunkiem, że współczynnik skurczu 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 w jego wartości zbliża się do wzmocnienia schodkowego koncentratora. W przypadku N > 3 maksymalne wzmocnienie układu oscylacyjnego ma współczynniki korekcyjne k 1 i k 2 równe 1,1 i w praktyce nie osiąga wartości odpowiadających wzmocnieniu koncentratora schodkowego. Przy N = 3 wzmocnienie złożonego schodkowego 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 osiągane jest przy k 1 = k 2 = k i jest dość dobrze opisane wzorem

Folia posiada zdolność niezawodnego przylegania do ziaren materiału polerskiego znajdujących się na talerzu polerskim. Podczas przesuwania padu polerskiego folia jest usuwana wraz ze szkłem i powstaje nowa folia.

Rozkład szkła i tworzenie filmu następuje w ułamku sekundy. Z chemicznego punktu widzenia polerowanie można traktować jako ciągłe usuwanie warstwy ze szkła i jej natychmiastowe tworzenie.

Polerowanie należy traktować jako złożony proces fizykochemiczny aktywowania szkła.

Polerowanie części odbywa się na maszynie B1.M3.105.000 wodnym roztworem polirytu optycznego.

Obróbka odbywa się przy prędkości szlifierki 40 obr/min.

Mocowanie części na urządzeniu odbywa się za pomocą wosku dentystycznego.

Polyrite jest głównym proszkiem do polerowania stosowanym w przemyśle optycznym. Ma kolor cynamonowy i jest chemicznie mieszaniną tlenków pierwiastków ziem rzadkich. Zawiera głównie tlenek ceru (co najmniej 45%). Gęstość polirytu wynosi 5,8-6,2*103 kg/m3.

Bardzo ważny dla pomyślnego wykonania polerowania jest problem właściwy wybór polerka. Parametry materiałów padów polerskich obejmują ich względną sztywność, strukturę warstwy wierzchniej materiału, obecność włochatości i jej charakter.

Parametry te bezpośrednio wpływają na wydajność procesu, dokładność parametrów geometrycznych oraz chropowatość polerowanej powierzchni. Im wyższa sztywność talerza polerskiego, tym mniejsza recesja ziarna ściernego pod wpływem obciążeń i większy nacisk w strefie styku ziarna ściernego z materiałem części. Nacisk ten może prowadzić do zwiększenia głębokości wnikania ziarna ściernego w materiał części, czemu może towarzyszyć pewien wzrost wydajności procesu z jednoczesnym pogorszeniem klasy chropowatości powierzchni i wzrostem głębokość uszkodzonej warstwy i zniszczenie ziarna ściernego, co może powodować kraterowe odpryski materiału części. Zwiększenie sztywności materiału krążka polerskiego pozwala zredukować charakterystyczne dla polerowania defekty parametrów geometrycznych szkła - blokowanie krawędzi i falistość powierzchni.

Do polerowania detali służy Moleskin. Jego warstwa wierzchnia wykonana jest w postaci dobrze utrwalających się komórek z cząstek polirytu, które wykonują mikro-nacinanie powierzchni części. Dobra zwilżalność tego materiału przez zawiesinę ścierną ułatwia okresową zmianę cząstek ściernych w komórkach tarczy polerskiej.

Rys.26. Schemat blokowy procesu technologicznego obróbki płyty ze szkła elektropróżniowego C40-1

Proces technologiczny mechanicznej obróbki Policor . biorąc pod uwagę zastosowanie frezowania ultradźwiękowego jest to połączenie sekwencyjnego wykonywania następujących operacji:

Szlifowanie powierzchni.

Szlifowanie części ceramicznych odbywa się na szlifierka do profiliŚciernica diamentowa o profilu prostym JE525, ziarnistość 80/63; spoiwo bakelitowe B1; stężenie ziaren diamentowych wynosi 50%.

Spoiwo bakelitowe pozwala na zmielenie bardzo delikatnych materiałów. Wynika to z dużej elastyczności wiązania bakelitowego w porównaniu z ceramiką. Dzięki takiej elastyczności wiązanie to nieco zmniejsza obciążenie udarowe cząstek obrabianego materiału od ziaren ściernych, czyli stwarza warunki do ich łagodniejszego wprowadzania do materiału.

Ultradźwiękowy.

Główne kształtowanie odbywa się na stanowisku doświadczalnym z narzędziem ultradźwiękowym z warstwą zawierającą diament o wielkości ziarna 80/63 przy prędkości wrzeciona 2500 obr/min, posuwie 0,7 mm/min i częstotliwości 22 kHz. Detale naklejane są na płytę ze szkła technologicznego (okienkowego) za pomocą mastyksu składającego się z wosku, kalafonii i parafiny. Średnica narzędzia odpowiada minimalnej średnicy na średnicy zewnętrznej. W jednej operacji wycinane są kontury zewnętrzne i wewnętrzne.

Do czyszczenia części szklanych po polerowaniu stosuje się płyny myjące, które można podzielić na rozpuszczalniki organiczne i gorące roztwory alkaliczne.

Czyszczenie części z resztek mastyksu i różnych zanieczyszczeń odbywa się sekwencyjnie w toluenie, roztworze nadtlenku i amoniaku, po czym następuje mycie w przewodzie zjonizowanej wody. Części są następnie czyszczone i suszone w alkohol izopropylowy. Gotowanie w alkoholu izopropylowym odwadnia (odwadnia) i jednocześnie dodatkowo oczyszcza. Części są trzymane na powietrzu, aż alkohol izopropylowy całkowicie wyparuje.

Rys.27. Schemat blokowy procesu technologicznego obróbki mechanicznej Policoru.

6. Obliczanie koncentratora schodkowego.

6.1. Koncentratory i falowody ultradźwiękowe.

Koncentratory i falowody pełnią rolę rezonansowych połączeń długości, które wzmacniają i przekazują energię ultradźwiękową z przetwornika do obszaru roboczego - do narzędzia. Maksymalne amplitudy oscylacji przetworników Koll" href="/text/category/koll/" rel="bookmark"> oscylacji przyrządu i dopasowanie przetwornika do obciążenia, stosowane są koncentratory ultradźwiękowe (transformatory prędkości). o stałym przekroju łączącym przetwornik lub koncentrator z obciążeniem nazywamy falowodami ultradźwiękowymi.

W zależności od rodzaju drgań koncentratory i falowody mogą mieć drgania podłużne, zginające lub poprzeczne. Możliwe są falowody i inne i nie tylko złożone typy wahania. Trwają prace nad stworzeniem falowodów do wielokierunkowej transmisji oscylacji oraz układów oscylacyjnych z różnymi rodzajami oscylacji.

Łącząc kilka falowodów razem, można uzyskać różne opcje wielokierunkowego przesyłania energii akustycznej. Układy takie mogą być wykorzystywane zarówno do wielokierunkowego przenoszenia drgań z jednego przekształtnika, jak i jako układ akumulacyjny, gdy energia z kilku źródeł jest przesyłana w jednym kierunku. Falowód przekształcający drgania promieniowe na podłużne jest dyskiem, w którym przetworniki są zamocowane na obwodzie, w tym przypadku drgania podłużne występują na końcach walca połączonego z dyskiem.

6.2. Charakterystyka koncentratorów.

Koncentratory ogniskujące wykonywane są zwykle albo w postaci układów zwierciadlanych, albo w postaci tzw. ogniskujących emiterów ultradźwiękowych o kształcie kulistym lub cylindrycznym. Te ostatnie są najczęściej wykonane z ceramiki piezoelektrycznej i oscylują z częstotliwością rezonansową na całej grubości. Stosowane są również cylindryczne emitery magnetostrykcyjne. Koncentratory skupiające znajdują zastosowanie zarówno w praktyce laboratoryjnej jak i w przemyśle, głównie w instalacjach do technologicznego zastosowania ultradźwięków: mycie ultradźwiękowe, dyspersja, produkcja aerozoli itp. Do 90% całej emitowanej energii dźwięku jest gromadzone w ognisku koncentratorów . Ponieważ dla dobrego ogniskowania konieczne jest, aby wymiary koncentratorów były duże w porównaniu do długości fali, ten typ koncentratora jest używany głównie w obszarze wysokich częstotliwości ultradźwiękowych (105 Hz i więcej). Za ich pomocą uzyskuje się intensywności rzędu 103-104 W/cm2. Schemat emitera sferycznego skupiającego pokazano na rysunku 28.

Ryż. 28 - Schemat ogniskującego sferycznego emitera wykonanego z piezoceramiki, oscylującego na grubości

Koncentrator falowodowy (czasami nazywany transformatorem mechanicznym) to odcinek falowodu niejednorodnego (zbieżnego), w którym koncentracja energii następuje w wyniku zmniejszenia przekroju. Rozpowszechnione są rezonansowe koncentratory falowodowe w postaci metalowych prętów o połowie długości fali o przekroju, który zmienia się płynnie zgodnie z pewnymi prawami lub skokami. Takie koncentratory mogą dawać wzmocnienie w amplitudzie 10-15 razy i umożliwiają uzyskanie w zakresie częstotliwości ~104 Hz amplitudy drgań do 50 µm. Stosowane są w ultradźwiękowych maszynach do obróbki mechanicznej, w ultradźwiękowych instalacjach spawalniczych, ultradźwiękowych instrumentach chirurgicznych itp. Schemat falowodowych koncentratorów akustycznych przedstawiono na rysunku 29.

Do obróbki ultradźwiękowej najczęściej stosuje się koncentratory wykładnicze stożkowe i symetryczne schodkowe. Podany poniżej sposób obliczania wskazanych koncentratorów umożliwia uzyskanie danych do ich konstrukcji w sposób dość prosty iz wystarczającą dokładnością do praktycznego zastosowania.

Dane wyjściowe do obliczenia koncentratora:

D2 – średnica otworu 14 mm

n jest wzmocnieniem amplitudy 5

f jest częstotliwością rezonansową przetwornika Hz

6.3. Sposoby mocowania narzędzia do piasty.

Najlepsze właściwości użytkowe posiadają narzędzia wykonane jako jeden zespół z koncentratorem.

Jednak ze względu na zużycie takie narzędzie ma ograniczoną żywotność. Liczba części wyprodukowanych przez jedno narzędzie zależy od obrabianego materiału, charakteru operacji i wymaganej dokładności obróbki.

https://pandia.ru/text/78/173/images/image128.png" width="244" height="25">

(wg rys. T. do mocy maszyny 2,5 kW bierzemy 56 mm)

Optymalny stosunek średnic stopni określa się z krzywych doświadczalnych pokazanych na ryc. 31.

2) Określana jest szacowana długość huba (https://pandia.ru/text/78/173/images/image132.png" width="328" height="49">

Obliczoną długość koncentratora można również wyznaczyć z krzywych eksperymentalnych na rysunku 31.

Prędkości dźwięku w różnych materiałach użytych do produkcji koncentratorów przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2

Materiał	Gęstość ρ	Moduł sprężystości E	Prędkość fali wzdłużnej C
Aluminium

3) Wagę koncentratora można określić z wyrażenia:

Na ryc. 32. przedstawia koncentrator schodkowy do obróbki otworów o średnicy 29,6 mm ze wzmocnieniem amplitudy n=5 i częstotliwością rezonansową f=19 kHz.

Ryż. 32-biegowa piasta

Do piast schodkowych https://pandia.ru/text/78/173/images/image140.png" width="178" height="49">

gdzie S1 i S2 to pola przekroju dużego i małego stopnia.

N to współczynnik powierzchni.

7. Analiza niebezpiecznych i szkodliwych czynniki produkcji.

Wybrane parametry oświetlenia nie są sprzeczne z wymaganiami GOST 12.3.025-80, zgodnie z którymi oświetlenie ogólne w warsztatach montażu maszyn powinno wynosić co najmniej 300 luksów.

GOST 12.1.003 - 83 określa maksymalne dopuszczalne warunki ciągłego hałasu w miejscu pracy, w których hałas działający na pracownika podczas ośmiogodzinnego dnia pracy nie szkodzi zdrowiu. Normalizacja odbywa się w pasmach oktawowych ze średnią geometryczną częstotliwości 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Hz.

Według GOST 12.1.003 nie powinna przekraczać 85 dBA, w miejscach pracy: u ślusarza - 75 ... 100 ( wysoki poziom hałas), ze szlifowaniem CNC - 80 dBA, z ultradźwiękami - 60 dBA.

Źródłami hałasu i drgań w projektowanym warsztacie są:

Obrabiarki do obróbki metali (szlifowanie, ślusarka, ultradźwięki);

Aby chronić przed hałasem i wibracjami, zapewniono następujące środki redukcji hałasu i wibracji:

Obróbka akustyczna pomieszczeń (montaż ekranów dźwiękochłonnych, obudów, montaż ogrodzeń dźwiękochłonnych);

Montaż tłumików w systemach wentylacyjnych.

Znaczącą redukcję hałasu uzyskuje się poprzez wymianę łożysk tocznych na łożyska ślizgowe (hałas zmniejszony o 10 dBA), części metalowe - częściami z tworzywa sztucznego.

Przeprowadzenie tych działań zmniejszy wartości poziomów hałasu i prędkości drgań do wartości nieprzekraczających wartości dopuszczalnych (GOST 12.1.003, GOST 12.1.012).

Zgodnie z GOST 12.1.030 zaprojektowany warsztat spełnia wymagania bezpieczeństwa elektrycznego (wszystkie maszyny są uziemione). Nie ma ryzyka porażenia prądem.

8. Środki w celu zapewnienia bezpieczne warunki praca.

Główne wymagania ochrony pracy dla produktu i procesu technologicznego to:

- bezpieczeństwo ludzi;

– niezawodność i łatwość obsługi sprzętu wykorzystywanego w tym procesie.

Dlatego działaniu ultradźwiękowej maszyny do obróbki wymiarowej musi towarzyszyć spełnienie wszystkich wymagań bezpieczeństwa, określonych przez:

GOST 12.2.009-80 „System standardów bezpieczeństwa pracy. "Maszyny do obróbki metali"

GOST 12.3.024-80 „System standardów bezpieczeństwa pracy. „Bezpieczeństwo obrażeń”

Głównymi przyczynami urazów podczas pracy na maszynach mogą być:

– mechanizmy ruchome obrabiarek;

- ostre elementy przedmiotu obrabianego i urządzenia do jego mocowania;

– nieprawidłowe działanie narzędzia ręcznego;

- przewodzące części instalacji lub części maszyny, które przypadkowo są pod napięciem;

- zła konstrukcja miejsca pracy operatora maszyny;

- słabe oświetlenie miejsca pracy;

W przypadku pracownika, który będzie pracował na tej maszynie, wymagania dotyczące ochrony pracy można przedstawić w postaci następujących czynników:

– parametry mikroklimatu;

– oświetlenie przemysłowe;

– hałas przemysłowy;

– wibracje produkcyjne;

9. Parametry mikroklimatu.

Towarzyszące parametry mikroklimatu aktywność zawodowa każdego uczestnika procesu technologicznego to:

- temperatura środowisko, t, °С;

– prędkość powietrza, W, m/s;

Optymalne i dopuszczalne wartości tych parametrów ustalane są dla całego obszaru roboczego zakładu produkcyjnego z uwzględnieniem pory roku i nasilenia wykonywanej pracy.

Zgodnie z GOST 12.1.005-88 w warsztacie zostaną utrzymane optymalne parametry mikroklimatu (tabela 3).

Tabela 3 - Parametry mikroklimatu

Okres roku		Wilgotność względna, %	Temperatura, C	Prędkość powietrza m/s, nie więcej
Przeziębienie

Wyszczególnione parametry mikroklimatu wspierają systemy ogrzewania i wentylacji.

Zgodnie z SN 245-71 (88), przy określonej objętości większej niż 40 m3 / osobę, dozwolone jest stosowanie ogólnego systemu wentylacji w pomieszczeniach przemysłowych. Aby usunąć wytworzony pył i aerozole chłodziwa, lokalnie układ wydechowy wentylacja.

W celu utrzymania temperatury w pomieszczeniu (szczególnie zimą) warsztat wyposażony jest w system ogrzewania wody oraz grzejniki elektryczne z wentylatorami, które zimą tworzą kurtyny termiczne przy bramach i drzwiach wejściowych.

10. Oświetlenie przemysłowe.

W warsztacie budynku produkcyjnego zapewnione jest oświetlenie naturalne i sztuczne.

Oświetlenie naturalne - górne (przez latarnie) i boczne dwustronne (przez boczne otwory w ścianach budynku).

Oświetlenie sztuczne - kombinowane, składające się z oświetlenia ogólnego i lokalnego. Oświetlenie ogólne zrealizowano za pomocą wysokoprężnych rtęciowych lamp wyładowczych typu DRL-400 (700,1000). Oświetlenie lokalne realizowane jest za pomocą żarówek 36 V.

Oświetlenie przemysłowe w warsztatach metalowych jest standaryzowane zgodnie z SNiP 23.05.95.

W wyjaśnieniu dla warsztatów mechanicznych i precyzyjnych maszyn do cięcia metalu można podać następujące normy oświetlenia (tabela 4):

Tabela 4 - Oświetlenie warsztatów ślusarskich OBRÓBKA METALU
Oświetlenie, lx	Współczynnik pulsacji Kp, %
Łączny oświetlenie	Z opraw oświetlenia ogólnego w systemie kombinowanym
	Od generała	Lampy wyładowcze	rozżarzony

W przypadku oświetlenia lokalnego stosuje się lampy zainstalowane na maszynie i wyregulowane tak, aby oświetlenie obszaru roboczego nie było niższe niż ustalone wartości.

Oprawy używane do oświetlenia miejscowego muszą być wyposażone w nieprzezroczyste odbłyśniki o kącie ochronnym co najmniej 30°.

Szyby, otwory okienne i świetliki są czyszczone co najmniej dwa razy w roku.

10.1. Obliczanie sztucznego oświetlenia.

Oświetlenie miejsca pracy jest najważniejszym czynnikiem w tworzeniu normalnych warunków pracy. Niewystarczające oświetlenie miejsce pracy może powodować szybkie zmęczenie oczu, utratę uwagi, a w rezultacie prowadzić do obrażeń przy pracy.

Minimalne oświetlenie miejsca pracy powinno wynosić co najmniej Emin=400lx.

Określ odległość między lampami:

gdzie h \u003d 5 m - wysokość instalacji lampy nad poziomem podłogi.

Zatem l=1,4*5=7m.

Określamy wymiary warsztatu, w którym wykonuje się toczenie:

wielkość warsztatu A = 8 m; B = 20m.

powierzchnia pokoju S = A*B = 160m2

3. Określ ilość lamp w warsztacie:

Przyjmujemy n=12 sztuk.

4. Określ wymagany strumień świetlny:

gdzie: k=1,3 – współczynnik mocy lampy,

b=0,47 - współczynnik wykorzystania instalacji oświetleniowej,

z=0,9 - współczynnik nierównomierności oświetlenia,

Strumień świetlny jednej lampy:

Taką wartość strumienia świetlnego zapewnia oprawa typu DRL o mocy 200 W o strumieniu świetlnym Fl = 4,3 * 103lm.

1) Określ rzeczywiste oświetlenie:

11. Ochrona środowiska.

W dobie współczesnej rewolucji naukowo-technicznej niezwykle dotkliwy stał się problem naruszenia równowagi ekologicznej, wyrażający się pogorszeniem jakości środowiska w wyniku zanieczyszczenia odpadami przemysłowymi. Ich stale rosnąca liczba zagraża samooczyszczającej funkcji biosfery, zaburza równowagę ekologiczną, a ostatecznie grozi niekorzystnymi skutkami dla człowieka. Zanieczyszczenie środowiska wiąże się ze zużyciem i produkcją energii elektrycznej, produkcją rolną, rozwojem transportu, przemysłem jądrowym i innymi gałęziami przemysłu. Kraje uprzemysłowione już zaczynają odczuwać niedobory czystej wody. Przemysł zużywa coraz więcej tlenu, wzrasta emisja dwutlenku węgla. Obecnie działalność produkcyjna człowieka osiągnęła taką skalę, że powoduje zmiany nie tylko w poszczególnych biogeocenozach (step, łąka, pole, las itp.), ale także w szeregu historycznie utrwalonych procesów w obrębie całej biosfery.

Przy produkcji ostrzy LPT wszystkie niekorzystne i szkodliwe substancje są przetwarzane zgodnie z wymogami ochrony pracy: płynne odpady produkcyjne, takie jak roztwór myjący, z pralki, zużyty płyn chłodzący są wyprowadzane do stacji neutralizacji, stałe odpady wióry metalowe przekazywane są do punktów zbiórki odpadów metalowych.

12. Oczyszczanie powietrza.

Podczas szlifowania uwalniany jest pył. Największe zastosowanie do oczyszczania powietrza z pyłu o wielkości cząstek powyżej 10 mikronów otrzymały cyklony. Ich urządzenie jest proste i proste w obsłudze, mają stosunkowo niski opór hydrauliczny (750-1000 Pa), wysoką wydajność ekonomiczną. Cyklony pracują przez długi czas w różnych warunkach środowiskowych przy temperaturze powietrza do 550 K.

Cyklony (Rysunek 22) służą do oczyszczania powietrza z suchego, niewłóknistego i niekoalescencyjnego pyłu. Separacja pyłów w cyklonach opiera się na zasadzie separacji odśrodkowej. Wchodząc do cyklonu stycznie przez rurę wlotową /, strumień powietrza nabiera ruchu obrotowego po spirali i opada na dno stożkowej części korpusu 3, wyjścia przez rurę centralną 2. Pod działaniem sił odśrodkowych cząstki wyrzucane są na ścianę cyklonu i opadają do dolnej części cyklonu, a stamtąd do odpylacza 4.

Ryż. 33 - Odpylacz: Cyklon

12.1. Zanieczyszczenie powietrza i oczyszczanie miejsca pracy

Obróbce metali towarzyszy wydzielanie wiórów, pary wodnej, mgły olejowej i emulsji.

Maksymalne dopuszczalne stężenia niektórych z najczęściej występujących substancji w powietrzu obszaru roboczego (tabela 5):

GOST 12.2.009-80 „System standardów bezpieczeństwa pracy. „Maszyny do obróbki metali. Ogólne wymagania security” zapewnia urządzenie do usuwania kurzu, drobnych wiórów i szkodliwych zanieczyszczeń na wielozadaniowych maszynach do obróbki metalu.

Tabela 5 — Maksymalne dopuszczalne stężenie

Substancja	Stężenie, mg/m3	Klasa zagrożenia
Aluminium i jego stopy
Wolfram
metal kobaltowy
metal miedzi,
Stale stopowe

GOST 12.3.025-80 „System standardów bezpieczeństwa pracy. «Obróbka metali przez cięcie. Wymagania bezpieczeństwa” dla procesu obróbki metali przy użyciu chłodziw nakładają następujące wymagania:

płyny obróbkowe muszą być zatwierdzone przez Ministerstwo Zdrowia;

brak korozji stałej lub wżerowej pod wpływem LC na próbce o chropowatości Ra = 0,63 przez 24 godziny;

LC, dostarczany do strefy cięcia przez natrysk, musi spełniać wymagania higieniczne;

Czyszczenie miejsc pracy z wiórów i kurzu powinno wykluczać powstawanie pyłu.

Wentylacja to zorganizowana i regulowana wymiana powietrza, która zapewnia usuwanie z pomieszczeń powietrza zanieczyszczonego przez zagrożenia przemysłowe. - mechaniczny. Rodzaje wentylacji ze względu na warunki naturalne. Wentylacja naturalna zapewnia niezbędną wymianę powietrza ze względu na różnicę gęstości ciepłego i zimnego powietrza wewnątrz pomieszczenia i chłodniejszego na zewnątrz, a także ze względu na wiatr. Schemat wentylacji naszej witryny pokazano na rysunku 34.

Rys.34 − Schemat wentylacji budynku przemysłowego.

Rozróżnij napowietrzanie bezkanałowe i kanałowe. Pierwszy realizowany przy pomocy rygli (wlot powietrza) i latarnie wywiewne (wylot powietrza), zalecane w dużych pomieszczeniach oraz w warsztatach o dużym nadmiarze ciepła. Napowietrzanie kanałów jest zwykle rozmieszczone w niewielkich pomieszczeniach i składa się z kanałów w ścianach, a na wylocie kanałów na osłonach montuje się deflektory, które pod wpływem wiatru tworzą przeciąg. Wentylacja naturalna jest ekonomiczna i łatwa w obsłudze. Jego wady polegają na tym, że powietrze nie jest oczyszczane i ogrzewane po wejściu, usuwane powietrze również nie jest oczyszczane i zanieczyszcza atmosferę. Wentylacja mechaniczna składa się z kanałów powietrznych i stymulatorów ruchu (wentylatory mechaniczne lub eżektory). Wymiana powietrza odbywa się niezależnie od zewnętrznych warunków meteorologicznych, natomiast powietrze nawiewane może być ogrzewane lub chłodzone, nawilżane lub osuszane. Powietrze wywiewane jest oczyszczane. System wentylacji nawiewnej zasysa powietrze przez czerpnię, następnie powietrze przechodzi przez nagrzewnicę, gdzie powietrze jest podgrzewane i nawilżane oraz dostarczane przez wentylator kanałami powietrznymi do pomieszczenia poprzez dysze do regulacji przepływu powietrza. Zanieczyszczone powietrze jest wypychane przez drzwi, okna, latarnie, szczeliny. Wentylacja wyciągowa usuwa zanieczyszczone i przegrzane powietrze przez wyloty powietrza i oczyszczacz, natomiast świeże powietrze wchodzi przez okna, drzwi i nieszczelności konstrukcyjne.

Wentylacja lokalna przewietrza miejsca bezpośredniej emisji substancji szkodliwych, może być również nawiewna lub wywiewna. Wentylacja wyciągowa usuwa zanieczyszczone powietrze przez kanały powietrzne; powietrze jest pobierane przez wloty powietrza, które mogą być wykonane w postaci: Ssaki miejscowe rozmieszczone są bezpośrednio w miejscach uwalniania szkodliwych substancji: na stanowiskach spawania elektrycznego i gazowego, w ładowniach akumulatorni, przy wannach cynkowniczych. Aby poprawić mikroklimat ograniczonej powierzchni pomieszczenia, stosuje się lokalną wentylację nawiewną w postaci prysznica powietrznego, oazy powietrznej z czystym chłodnym powietrzem, kurtyny powietrznej. Kurtyna powietrzna zapobiega przedostawaniu się zimnego powietrza z zewnątrz do pomieszczenia. W tym celu w dolnej części otworu umieszczony jest wylot powietrza ze szczeliną, z którego ciepłe powietrze jest doprowadzane w kierunku strumienia zimnego powietrza pod kątem 30-45 stopni. z prędkością 10-15 m/s.

Zaleca się użycie pneumocyklonu, pokazanego na Rysunku 35, jako oczyszczacza powietrza na miejscu.

Ryż. 35 – Pneumocyklon

Zawieszone cząstki są oddzielane od strumienia gazu pod działaniem sił odśrodkowych i bezwładności. Przepływ gazu pylistego wchodzi stycznie przez rurę wlotową do korpusu, gdzie dzięki prowadnicom jest sekwencyjnie dzielony na oddzielne strumienie z dalszą separacją odśrodkową pyłu. Gruby kurz osadza się na ściankach prowadnic i korpusie i wpada do kosza na kurz.
Gazy z drobnym pyłem, podzielone na osobne strumienie, wchodzą do łopatek rozety, gdzie zmieniają kierunek o 180°. W tym momencie drobny pył wpada do dolnej części gniazda, a następnie do pojemnika na kurz i odpylacza. Oczyszczone gazy opuszczają odpylacz przez wewnętrzny kanał wylotowy przez rurę wylotową.

13. Konkluzja według sekcji.

W ten sposób dokonano analizy niebezpiecznych i szkodliwych czynników produkcji, które występują w obszarze ultradźwiękowej obróbki wymiarowej. Przeprowadzono obliczenia oświetlenia lokalnego niezbędnego do bezpiecznej pracy na maszynie ultradźwiękowej. Zaproponowano środki ochrony środowiska w celu ochrony miejsca pracy przed zanieczyszczeniem powietrza. Ultradźwiękowy proces zaklejania jest bezodpadowy i przyjazny dla środowiska.

14. Ogólny wniosek z pracy.

Podsumowanie wyników Praca dyplomowa można powiedzieć, że zastosowanie ultradźwięków pozwala nie tylko na zwiększenie produktywności i zmniejszenie zużycia narzędzi, ale również na obróbkę części o cieńszych ściankach poprzez zmniejszenie sił skrawania Rz. W procesie obróbki ultradźwiękowej zmniejsza się również prawdopodobieństwo odprysków i zniszczenia części. Szczegóły, dla których opracowano proces, spełniały dla nich podstawowe wymagania. Mianowicie: obecność pęknięć w szkle jest niedopuszczalna, nie było ich w żadnym z powyższych eksperymentów. Na końcowych powierzchniach płyt dozwolone były oddzielne wióry o długości nie większej niż 1 mm z dostępem do powierzchni roboczej o szerokości nie większej niż 0,2 mm, do powierzchni nieroboczej o szerokości nie większej niż 0,3 mm. Średnie zużycie narzędzia wynosi 0,03% dla pojedynczej części z policoru i 0,035% dla części ze szkła C-40. Główne ukształtowanie części musi być osiągnięte za pomocą narzędzia i operacji frezowania ultradźwiękowego. Udało się zmniejszyć liczbę operacji związanych z produkcją części, a tym samym skrócić czas produkcji części o 25-30%. Obecnie obrabiarki tego typu kosztują około 15 milionów rubli. Instalacja, na której przeprowadzono eksperymenty, szacowana jest na nieco ponad 1,7 mln.

Na podstawie eksperymentów stworzono raport i przesłano go do przedsiębiorstwa klienta. W przypadku pozytywnego wyniku pod względem wydajności, niezawodności oraz zadowolenia z ilości odpowiednich zostanie podpisana umowa na 2 podobne maszyny. Oprócz przedsiębiorstwa wskazanego w dyplomie, taki sprzęt będzie również bardzo interesujący dla innych produkcji instrumentów. Konstrukcja głowicy umożliwia nie tylko frezowanie ultradźwiękowe narzędziem diamentowym, ale również bez niego. Ta okazja w połączeniu z systemem CNC może służyć do produkcji części o skomplikowanym kształcie, pełniąc funkcję konwencjonalnego urządzenia do frezowania i grawerowania.

15. Spis piśmiennictwa.

1., Sh. Schwegla: Ultradźwiękowa obróbka materiałów (1984, 282 s.)

2. , : Ultradźwiękowa obróbka metali (1966 157s.)

3.: Ultradźwięki w inżynierii mechanicznej (1974, 282 s.)

4. E. Kikuchi, wyd. : Przetworniki ultradźwiękowe 423s.)

5. : Podręcznik elektryczny i metody ultradźwiękowe przetwarzanie (1971, 543 s.)

6. „Ultradźwiękowa obróbka materiałów” – M. „Inżynieria”, 1980

7. „Procesy technologiczne obróbki szkła w przemyśle elektropróżniowym” – M. Centralny Instytut Badawczy „Elektromechanika”, 1972

Wynalazek dotyczy technologii ultradźwiękowej, a mianowicie struktur ultradźwiękowych systemów wibracyjnych. Rezultatem technicznym wynalazku jest zwiększenie amplitudy drgań przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii, zmniejszeniu gabarytów i masy. Ultradźwiękowy układ oscylacyjny zbudowany jest z pakietów elementów piezoelektrycznych umieszczonych na powierzchni koncentratora wprawiających w drgania. Na opakowaniach elementów piezoelektrycznych znajdują się podkładki odblaskowe, których powierzchnia w przeciwieństwie do elementów piezoelektrycznych jest płaska lub o zmiennej średnicy skokowo. Koncentrator posiada punkt mocowania i zakończony jest powierzchnią z narzędziem roboczym. Powierzchnie tworzące i promieniujące koncentratora mają kształt prostokątny o tej samej długości w przekroju, a stosunek ich wymiarów poprzecznych dobierany jest z warunku zapewnienia danego współczynnika wzmocnienia koncentratora. Całkowita długość wykładziny odblaskowej, pakietu elementów piezoelektrycznych oraz przekroju koncentratora do punktu przyłączenia jest równa jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych. Długość sekcji koncentratora, na której odbywa się płynne przejście promieniowe, oraz sekcja o wymiarze poprzecznym odpowiadającym powierzchni promieniującej, są równe jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych. 2 chore.

Rysunki do patentu RF 2284228

Wynalazek dotyczy technologii ultradźwiękowej, a mianowicie projektowania ultradźwiękowych systemów oscylacyjnych i może być stosowany w urządzeniach technologicznych zaprojektowanych do przetwarzania dużych objętości płynnych i rozproszonych mediów w celu zapewnienia narażenia dużej powierzchni na drgania ultradźwiękowe o wysokiej amplitudzie, na przykład w urządzeniach przepływowych lub w realizacji zgrzewania szwów w prasie krokowej (tworzenie szwów uszczelniających o dużej długości).

W ramach dowolnego ultradźwiękowego aparatura technologiczna zawiera źródło drgań elektrycznych Wysoka częstotliwość(generator elektroniczny) i ultradźwiękowy system oscylacyjny.

Ultradźwiękowy system oscylacyjny składa się z przetwornika piezoelektrycznego oraz 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 wykonanej z metalu, w której stosunek obszarów powierzchni stykających się z przetwornikiem i kończących się na narzędziu roboczym (wypromieniowujące drgania ultradźwiękowe) określa wymagany współczynnik wzmocnienia.

Znane ultradźwiękowe systemy oscylacyjne z dużymi obszarami powierzchni promieniującej. Wszystkie znane układy oscylacyjne są wykonane według schematu konstrukcyjnego, który łączy piezoelektryczne lub magnetostrykcyjne przetworniki półfalowe i rezonansowe (wielokrotności połowy długości fali drgań ultradźwiękowych) koncentratory drgań ultradźwiękowych. Ich rozmiar podłużny odpowiada długości fali drgań ultradźwiękowych, a wymiar poprzeczny 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, co nie pozwala na takie samo działanie ultradźwiękowe na całej powierzchni promieniującej np. przy uzyskaniu wysokiej jakości przedłużony szew.

Najbliższy pod względem technicznym proponowanemu rozwiązaniu technicznemu jest ultradźwiękowy system wibracyjny według patentu US 4363992 przyjęty jako prototyp.

Ultradźwiękowy układ oscylacyjny składa się z kilku półfalowych przetworników piezoelektrycznych zainstalowanych na jednej z powierzchni (tworzących wibracje ultradźwiękowe) koncentratora, zakończonych końcówką roboczą (narzędziem) o określonym kształcie i rozmiarze. Przetworniki są wykonane w postaci montowanej szeregowo i połączonej akustycznie tylnej nakładki redukującej częstotliwość, pakietu parzystej liczby pierścieniowych elementów piezoelektrycznych oraz redukującej częstotliwość nakładki promieniującej. Promieniująca powierzchnia przetwornika jest akustycznie połączona z powierzchnią koncentratora, który wytwarza drgania ultradźwiękowe. Podłużna wielkość koncentratora odpowiada połowie długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora. Koncentrator wykonany jest w postaci trójwymiarowej figury o zmiennym przekroju wykonanej z metalu, w której stosunek obszarów powierzchni stykających się z przetwornikami (formującymi drgania ultradźwiękowe) i kończący się narzędziem roboczym (ultradźwięki promieniujące wibracje) określa wymagane wzmocnienie.

Koncentrator posiada rowki przelotowe, które umożliwiają wyeliminowanie nierównomiernego rozkładu amplitudy drgań wzdłuż powierzchni promieniującej koncentratora (tj. wykluczenie odkształcenia koncentratora prostopadle do kierunku siły). Umożliwia to uzyskanie takiego samego efektu ultradźwiękowego na całej powierzchni promieniującej.

Prototyp pozwala częściowo wyeliminować wady znanych układów oscylacyjnych, ale ma następujące wspólne istotne wady.

1. Dobrze znany ultradźwiękowy system oscylacyjny, składający się z przetworników ultradźwiękowych i koncentratora, jest systemem rezonansowym. Gdy częstotliwości rezonansowe przetworników i koncentratora pokrywają się, zapewniona jest maksymalna amplituda drgań ultradźwiękowych narzędzia roboczego, a tym samym maksymalny wkład energii w przetwarzane media. Podczas realizacji procesów technologicznych narzędzie robocze i część koncentratora zanurza się w różnych mediach technologicznych lub poddaje statycznemu naciskowi na powierzchnię promieniującą. Oddziaływanie różnych mediów technologicznych lub ciśnienia zewnętrznego jest równoznaczne z pojawieniem się dodatkowej masy przyczepionej do powierzchni promieniującej koncentratora i prowadzi do zmiany naturalnej częstotliwości rezonansowej koncentratora i całego układu oscylacyjnego jako całości. W takim przypadku naruszone zostaje optymalne dopasowanie częstotliwości konwertera i koncentratora. Niedopasowanie przetwornika ultradźwiękowego do koncentratora prowadzi do zmniejszenia amplitudy drgań powierzchni promieniującej (narzędzia roboczego) i zmniejszenia energii wprowadzanej do mediów.

Aby wyeliminować tę wadę, przy projektowaniu i wytwarzaniu układów oscylacyjnych przeprowadza się wstępne niedopasowanie przekształtnika i koncentratora pod względem częstotliwości rezonansowej, tak aby w przypadku pojawienia się obciążenia i spadku częstotliwości drgań własnych koncentratora odpowiadało to naturalnemu częstotliwości konwertera i zapewnia maksymalny pobór energii. Ogranicza to znacznie zakres takiego ultradźwiękowego układu oscylacyjnego i jest niewystarczające, ponieważ w większości realizowanych procesów technologicznych zmienia się wartość dodanej masy (np. przejście z mediów wodnych lub olejowych do ich emulsji, powstawanie i rozwój proces kawitacji prowadzący do powstania chmury pęcherzyków gazowo-parowych i zmniejszenia masy dodawanej w dowolnym ośrodku ciekłym) podczas realizacji samego procesu, co prowadzi do zmniejszenia skuteczności wprowadzania drgań ultradźwiękowych.

2. Problem optymalnego dopasowania częstotliwości przetwornika i koncentratora pogłębia konieczność dopasowania impedancji falowych mediów ciekłych i ciekłych do stałych materiałów piezoceramicznych przetworników. Dla optymalnego dopasowania wzmocnienie koncentratora powinno wynosić 10-15. Tak duże wzmocnienia można uzyskać tylko z koncentratorami schodkowymi, ale przy takich wzmocnieniach pogłębiają zależność naturalnej częstotliwości rezonansowej od obciążenia, wymagają małej sekcji wyjściowej o znacznej długości (odpowiadającej jednej czwartej długości fali drgań ultradźwiękowych). w materiale koncentratora), co prowadzi do zmniejszenia powierzchni promieniującej, utraty stabilności dynamicznej i pojawienia się drgań zginających. Z tego powodu systemy oscylacyjne stosowane w praktyce mają wzmocnienie nie większe niż 3...5, co czyni je nieodpowiednimi do zapewniania efektów ultradźwiękowych o dużej intensywności w różnych mediach technologicznych.

Oprócz głównych wad wynikających z zastosowanego schematu projektowania do budowy układów oscylacyjnych, prototyp ma kilka wad ze względu na technologiczne i operacyjne cechy ich wytwarzania i użytkowania.

1. Ultradźwiękowy system wibracyjny z dwoma lub więcej przetwornikami piezoelektrycznymi (o średnicy do 40...50 mm) może mieć długość powierzchni promieniującej większą niż 200...250 mm i szerokość większą niż 5 mm. W tym przypadku częstotliwości rezonansowe własne przetworników piezoelektrycznych są różne, co wynika z różnic w parametrach elektrycznych i geometrycznych elementów piezoelektrycznych, nakładek obniżających częstotliwość, różnic sił ściskających podczas montażu przetwornika itp., co są dopuszczalne zgodnie z dokumentacją regulacyjną i projektową. W tym przypadku wzbudzenie drgań mechanicznych koncentratora rezonansowego jest realizowane przez przetworniki o różnych częstotliwościach pracy, z których część nie pokrywa się z częstotliwością rezonansową koncentratora. Szczególnie trudno jest przeprowadzić koordynację w układzie oscylacyjnym z kilkoma przetwornikami o różnych częstotliwościach i koncentratorem schodkowym o maksymalnym wzmocnieniu. Ponieważ zmniejsza to skuteczność obróbki ultradźwiękowej, nawet w porównaniu z systemem oscylacyjnym tej samej wielkości, ale z jednym przetwornikiem.

2. Niemożność wykonania powierzchni promieniującej o złożonym profilu (na przykład do jednoczesnego tworzenia dwóch) spoiny i cięcie materiału między nimi), ponieważ w tym przypadku każdy wymiar podłużny określa własną częstotliwość rezonansową koncentratora, która nie odpowiada częstotliwości rezonansowej przetworników (efektywnie wykonywana jest tylko jedna z operacji - tworzenie szwu lub cięcie materiału).

3. Brak możliwości tworzenia ultradźwiękowych układów oscylacyjnych o rozszerzonym paśmie w porównaniu z układami rezonansowymi.

4. Dwupołówkowy układ oscylacyjny o częstotliwości roboczej 22 kHz ma wymiar wzdłużny co najmniej 250 mm i przy długości powierzchni promieniującej 350 mm waży co najmniej 10 kg. W tym przypadku montaż układu oscylacyjnego odbywa się w obszarze minimalnych drgań: albo w środku konwertera, albo w centrum koncentratora. To mocowanie prowadzi do niskiej stabilności mechanicznej i niemożności zapewnienia dokładności uderzenia. Ze względu na duże amplitudy drgań mechanicznych i nieuniknione tłumienie układu oscylacyjnego nie można zapewnić optymalnego mocowania w środku masy.

Ujawnione wady prototypu powodują jego niewystarczającą wydajność, ograniczenie funkcjonalność, przez co nie nadaje się do stosowania w wysokich wydajnościach, zautomatyzowana produkcja.

Proponowane rozwiązanie techniczne ma na celu wyeliminowanie mankamentów istniejących układów oscylacyjnych i stworzenie nowego układu oscylacyjnego zdolnego do zapewnienia promieniowania drgań ultradźwiękowych o równomiernym rozkładzie amplitudy wzdłuż powierzchni promieniującej koncentratora (narzędzia roboczego) z maksymalna wydajność przy wszystkich możliwych obciążeniach i zmianach właściwości przetwarzanych mediów oraz parametrów układu oscylacyjnego, czyli docelowo zapewnić wzrost wydajności procesów związanych z narażeniem ultradźwiękowym przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii.

Istota proponowanego rozwiązania technicznego polega na tym, że ultradźwiękowy układ oscylacyjny zawierający elementy piezoelektryczne i koncentrator zbudowany jest z koncentratora i pakietów parzystej liczby elementów piezoelektrycznych zamontowanych równolegle na powierzchni koncentratora i połączonych akustycznie do niego. Na opakowaniach elementów piezoelektrycznych znajdują się podkładki odblaskowe połączone akustycznie z elementami piezoelektrycznymi. Przeciwległa powierzchnia stykająca się z elementami piezoelektrycznymi jest płaska lub o zmiennej średnicy skokowo, a wymiary i liczba stopni dobierane są z warunku uzyskania danej szerokości pasma. Koncentrator posiada zespół mocujący i zakończony jest powierzchnią emitującą ultradźwiękowe drgania narzędzia roboczego. Powierzchnie tworzące i promieniujące koncentratora mają kształt prostokątny o tej samej długości w przekroju, a stosunek ich wymiarów poprzecznych dobierany jest z warunku zapewnienia danego współczynnika wzmocnienia koncentratora. Całkowita długość wykładziny odblaskowej, pakietu elementów piezoelektrycznych i sekcji koncentratora do punktu mocowania jest równa jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora. Wymiary sekcji koncentratora, na której dokonuje się płynnego przejścia, oraz sekcji o wymiarze poprzecznym odpowiadającym powierzchni promieniującej, są równe jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora i następuje płynne przejście promieniowy, a jego wymiary są wybierane z warunku:

Analiza możliwych schematów strukturalnych do budowy układów oscylacyjnych pozwoliła ustalić, że większość podstawowych ograniczeń związanych z dwupołówkowym schematem strukturalnym układu oscylacyjnego można wyeliminować za pomocą układów oscylacyjnych, które łączą przetwornik piezoelektryczny i koncentrator z wysokim współczynnikiem wzmocnienia i narzędziem roboczym dowolnej wielkości w schemacie strukturalnym półfalowym.

Układ oscylacyjny wykonany zgodnie z półfalowym schematem konstrukcyjnym jest pojedynczym rezonansowym układem oscylacyjnym, a wszystkie zmiany jego parametrów prowadzą jedynie do niedopasowania z generatorem elektronicznym. Brak praktycznych konstrukcji takich układów oscylacyjnych wynika z niemożności ich realizacji w oparciu o stosowane do niedawna przetworników magnetostrykcyjnych oraz złożoności praktycznej realizacji w oparciu o nowoczesne elementy piezoceramiczne ze względu na konieczność umieszczenia ich w maksymalnym naprężenia mechaniczne, a także ze względu na brak generatorów elektronicznych zdolnych zapewnić optymalne tryby zasilania dla takiego układu oscylacyjnego przy wszystkich możliwych zmianach jego częstotliwości rezonansowej (do 3...5 kHz).

Proponowane rozwiązanie techniczne zilustrowano na rys.1, który schematycznie przedstawia ultradźwiękowy układ oscylacyjny zawierający elementy piezoelektryczne 1, refleksyjne podkładki rezonansowe 2 oraz koncentrator 3. Strukturalnie układ oscylacyjny składa się z koncentratora 3 umieszczonego równolegle na powierzchni 4 tworzącej wibracje ultradźwiękowe i związane z nimi akustycznie pakiety parzystej liczby montowanych szeregowo elementów piezoelektrycznych 1 (rysunek 1 przedstawia układ oscylacyjny z dwoma pakietami elementów piezoelektrycznych). Na każdym z pakietów, składających się z parzystej liczby elementów piezoelektrycznych (zwykle dwóch lub czterech), znajdują się z nimi związane akustycznie podkładki odblaskowe 2, których przeciwległa powierzchnia stykająca się z elementami piezoelektrycznymi jest płaska 5 lub zmienna krokowo w długości 6, a wymiary i liczba stopni 7 są wybrane spośród warunków uzyskania danej szerokości pasma. Koncentrator 3 posiada zespół mocujący 8 i kończy się powierzchnią 9 emitującą wibracje ultradźwiękowe z narzędziem roboczym 10. Powierzchnie formujące 4 i emitujące 9 koncentratora mają kształt prostokątny o tej samej długości L, a stosunek ich wymiarów poprzecznych D 1 , D 2 jest wybierany z warunku zapewnienia danego współczynnika wzmocnienia koncentratora . Całkowita długość wykładziny odblaskowej 2, pakietu elementów piezoelektrycznych 1 i przekroju koncentratora do punktu mocowania jest równa jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora. Wymiary sekcji koncentratora, na której następuje płynne przejście, oraz sekcji o wymiarze poprzecznym odpowiadającym powierzchni promieniującej odpowiadają jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora, a płynne przejście jest wykonane promieniowo, a jego wymiary są wybierane z warunku:

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

Ultradźwiękowy system oscylacyjny działa w następujący sposób.

Gdy napięcie zasilania elektrycznego jest dostarczane z generatora oscylacji elektrycznych o częstotliwości ultradźwiękowej (nie pokazanej na rysunku 1), odpowiadającej częstotliwości własnej układu oscylacyjnego, do elektrod elementów piezoelektrycznych 1, energia oscylacji elektrycznych jest przekształcana w ultradźwiękowe drgania mechaniczne ze względu na efekt piezoelektryczny. Drgania te rozchodzą się w przeciwnych kierunkach i odbijają się od powierzchni granicznych wykładziny odbijającej i koncentratora (narzędzia roboczego). Ponieważ cała długość układu oscylacyjnego odpowiada wielkości rezonansowej (połowa długości fali drgań ultradźwiękowych), drgania mechaniczne są uwalniane z naturalną częstotliwością rezonansową układu oscylacyjnego. Obecność schodkowego koncentratora promieniowego umożliwia zwiększenie amplitudy drgań powierzchni promieniującej w porównaniu z amplitudą drgań na przeciwległej powierzchni wykładziny odbijającej w kontakcie z elementami piezoelektrycznymi. Wielkość amplitudy oscylacji na powierzchni promieniującej zależy od wzmocnienia koncentratora, które jest definiowane jako kwadrat stosunku obszarów powierzchni tworzącej i promieniującej koncentratora, które mają prostokątny przekrój tej samej długości.

Nasadka 8 piasta 3 (rysunek 1) znajduje się w pobliżu węzła minimalnych mechanicznych drgań ultradźwiękowych, co zapewnia minimalne tłumienie ultradźwiękowego układu oscylacyjnego, tj. maksymalna amplituda drgań powierzchni promieniującej i brak drgań w punktach mocowania układu oscylacyjnego na liniach produkcyjnych.

Ze względu na to, że uzyskanie analitycznych wskaźników wymiarów geometrycznych do praktycznych obliczeń w projektowaniu układów oscylacyjnych jest utrudnione ze względu na brak szeregu dokładnych danych na temat propagacji drgań ultradźwiękowych w korpusach o zmiennym przekroju z naprzemiennych różnych materiałów, gdy dobierając parametry układu oscylacyjnego wykorzystano wyniki symulacji numerycznej wraz z graficznymi zależnościami praktycznego badania układów oscylacyjnych o różnych stosunkach wymiarów poprzecznych powierzchni formujących i promieniujących koncentratora D 1 , D 2 oraz przekrojów system oscylacyjny o różnych długościach. Badania eksperymentalne pozwoliły ustalić, że maksymalny współczynnik przemiany elektromechanicznej jest zapewniony pod warunkiem przemieszczenia elementów piezoelektrycznych z obszaru minimalnych oscylacji (maksymalnych naprężeń mechanicznych) w taki sposób, że całkowita długość elementu odbijającego wykładzina, pakiet piezoelementów i sekcja koncentratora do punktu mocowania jest równa jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora. Dobór wielkości sekcji koncentratora, na której dokonuje się płynnego przejścia równej jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora oraz jego kształtu, zgodnie z powyższym wzorem, zapewnia niezbędne wzmocnienie i minimalne mechaniczne naprężenia na granicy przejścia między gładką sekcją przejściową a sekcją o wymiarze poprzecznym odpowiadającym powierzchni emitującej. Wyniki badań eksperymentalnych układów oscylacyjnych o różnych stosunkach wymiarów poprzecznych powierzchni formujących i promieniujących koncentratora D 1 , D 2 przedstawiono na rys. 2 a, 6, c, na którym przedstawiono wykresy głównych parametrów układ oscylacyjny: zmiana naturalnej częstotliwości rezonansowej f(a), wzmocnienie współczynnika M p (b) i maksymalne naprężenia mechaniczne max (c) od promienia przejścia płynnego. Na podstawie uzyskanych zależności stwierdzono, że dla dowolnego stosunku wymiarów poprzecznych powierzchni tworzącej i promieniującej koncentratora D 1 , D 2 , minimalny wpływ na naturalną częstotliwość rezonansową występuje przy

W tym przypadku wzmocnienie zbliża się do maksymalnego możliwego i zapewnione jest znaczne zmniejszenie naprężeń mechanicznych w obszarze elementów piezoelektrycznych.

Przeprowadzone badania eksperymentalne pozwoliły potwierdzić poprawność otrzymanych wyników oraz opracować praktyczne projekty układów oscylacyjnych dla różnych stosunków wymiarów poprzecznych powierzchni formujących i promieniujących koncentratora D 1 , D 2 .

Tak więc w układzie oscylacyjnym o poprzecznym wymiarze powierzchni promieniującej D2 =10 mm i poprzecznym wymiarze powierzchni tworzącej drgania D1 równym 38 mm (tj. przy zastosowaniu najpowszechniej stosowanych pierścieniowych elementów piezoelektrycznych o średnicy zewnętrznej 38 mm), opracowany system oscylacyjny zapewni wzmocnienie drgań ultradźwiękowych generowanych przez elementy piezoelektryczne nie mniej niż 11 razy (patrz rysunek 2).

Podobne wyniki uzyskano również dla innych wartości D 2 .

Tak więc, stosując pierścieniowe elementy piezoelektryczne o średnicy zewnętrznej 50 mm w proponowanym układzie oscylacyjnym i zapewniając wzmocnienie 10...15, poprzeczny rozmiar powierzchni promieniującej koncentratora D2 może być równy 16 mm.

Aby uzyskać wzmocnienie równe 10 ... 15 w utworzonym układzie oscylacyjnym o rozmiarze D 2 \u003d 20 mm, D 1 będzie równe tylko 70 mm, co również można łatwo wdrożyć w praktyce (elementy piezoelektryczne o średnicy 70 mm są produkowane seryjnie).

Tak więc, zapewniając amplitudę oscylacji pakietu dwóch elementów piezoelektrycznych równą 5 μm (napięcie zasilania nie większe niż 500 ... 700 V), amplituda oscylacji powierzchni promieniującej układu oscylacyjnego będzie wynosić 50 ... tryb rozwiniętej kawitacji w przetwórstwie mediów płynnych i płynnych, realizacji spawania materiałów polimerowych oraz obróbki wymiarowej materiałów stałych.

Opracowany ultradźwiękowy system oscylacyjny zapewnił sprawność (współczynnik konwersji elektroakustycznej) co najmniej 75% (przy promieniowaniu do wody).

Wykonanie wykładziny odblaskowej o skokowo zmieniającej się wielkości podłużnej (tj. wykonanie przeciwległej powierzchni stykającej się z elementami piezoelektrycznymi ma skokowo zmienną średnicę), pozwala na tworzenie kilku różnych rozmiarów rezonansowych wzdłuż długości układu oscylacyjnego. Każdy z tych rozmiarów rezonansowych odpowiada własnej częstotliwości rezonansowej drgań mechanicznych. Dobór liczby i wielkości stopni umożliwia uzyskanie niezbędnej szerokości pasma (tj. zapewnienie pracy układu oscylacyjnego w zakresie częstotliwości określonym przez maksymalne i minimalne wymiary wzdłużne wykładziny odblaskowej).

Wynik techniczny wynalazku wyraża się w zwiększeniu sprawności ultradźwiękowego układu oscylacyjnego (zwiększeniu amplitudy drgań wprowadzanych do różnych mediów) poprzez zapewnienie optymalnej koordynacji z mediami i generatorem elektronicznym. Wzdłużny całkowity rozmiar układu oscylacyjnego zmniejsza się 2 razy, a masa 4 razy w porównaniu z prototypem.

Ultradźwiękowy system oscylacyjny opracowany w laboratorium procesów i aparatury akustycznej Bijskiego Instytutu Technologicznego Państwowej Politechniki Ałtaju przeszedł testy laboratoryjne i techniczne i został praktycznie wdrożony jako część instalacji do wykonywania szwu wzdłużnego o długości 360 mm przy zgrzewaniu worków pakowanie produktów luzem.

Produkcja seryjna stworzonych układów oscylacyjnych planowana jest na 2005 rok.

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 Agranat. - M.: Metalurgia, 1974.

6. Chmelew WN, Popowa OW Wielofunkcyjne urządzenia ultradźwiękowe i ich zastosowanie w małych gałęziach przemysłu, rolnictwie i gospodarstwo domowe. Barnauł, Wydawnictwo AltGTU, 1997, 160 s.

PRAWO

Ultradźwiękowy system oscylacyjny zawierający elementy piezoelektryczne i koncentrator, charakteryzujący się tym, że zbudowany jest z koncentratora równoległego do powierzchni tworzącego drgania ultradźwiękowe i połączonych z nim akustycznie pakietów parzystej liczby elementów piezoelektrycznych zainstalowanych szeregowo, na których połączone są akustycznie płytki odblaskowe umieszczone są naprzeciw styku, z elementami piezoelektrycznymi, których powierzchnia jest płaska lub schodkowo o zmiennej średnicy, a wymiary i ilość stopni dobierane są z warunku uzyskania danej szerokości pasma, koncentrator ma punkt mocowania i końce powierzchnią emitującą wibracje ultradźwiękowe z narzędziem roboczym, powierzchnie tworzące i promieniujące koncentratora są prostokątne w przekroju o tej samej długości, a stosunek ich wymiarów poprzecznych dobierany jest z warunku zapewnienia danego wzmocnienia współczynnik koncentratora, całkowita długość odbicia n wyłożenie, pakiet elementów piezoelektrycznych i przekrój koncentratora do punktu przyłączenia jest równy jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w materiale koncentratora, wymiary sekcji koncentratora, na której następuje płynne przejście, oraz przekrój o wymiarze poprzecznym odpowiadającym powierzchni promieniującej odpowiada jednej szóstej długości fali drgań ultradźwiękowych w koncentratorze materiału, a płynne przejście jest wykonane promieniowo, a jego wymiary są wybierane z warunku

gdzie L z jest długością płynnego przejścia;

D1, D2 - wymiary poprzeczne powierzchni tworzących i promieniujących koncentratora.

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

Falowody są stosowane, gdy nie ma potrzeby wzmacniania amplitudy oscylacji przetwornika. Piasty to transformatory prędkości; mają zmienną powierzchnię przekroju, częściej cylindryczną. Dzięki temu przekrojowi przekształcają drgania ultradźwiękowe o niskiej amplitudzie zgłaszane przez przetwornik i skoncentrowane na jego końcu wejściowym na drgania o większej amplitudzie na końcu wyjściowym. Te ostatnie są zgłaszane do ciała roboczego (instrumentu) jednostki ultradźwiękowej. Wzmocnienie amplitudy następuje z powodu różnicy w obszarach końców wejściowych i wyjściowych koncentratora - obszar pierwszego (wejściowego) końca koncentratora jest zawsze większy niż obszar drugiego.

Falowody i koncentratory muszą być rezonansowe, tzn. ich długość musi być wielokrotnością całkowitej liczby półfal (λ/2). W tych warunkach powstają najlepsze możliwości dopasowania ich do źródła zasilania, układu oscylacyjnego jako całości i dołączonej do nich masy (narzędzia roboczego).

Ryż. 14. Koncentratory półfalowe

W ultradźwiękowych instalacjach technologicznych najczęściej stosuje się koncentratory wykładnicze (ryc. 14, a), stożkowe (ryc. 14, b) i schodkowe. 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 wymienny element. W pierwszym przypadku są lutowane bezpośrednio do konwertera. Wymienne piasty są połączone z układem oscylacyjnym (na przykład z kołnierzem adaptera) za pomocą gwintu.

W przypadku koncentratorów powierzchnia przekroju zmienia się zgodnie z pewnym wzorem. Ich główną cechą jest teoretyczne wzmocnienie K, pokazujące, ile razy amplituda oscylacji na końcu wyjściowym jest większa niż amplituda na końcu wejściowym. Współczynnik ten zależy od stosunku N średnic końców wlotowych D1 i wylotowych D2 koncentratora: N=D1/D2.

Najwyższe wzmocnienie amplitudy dla tej samej wartości N zapewnia koncentrator schodkowy. Ma K=N2. Wyjaśnia to powszechne stosowanie koncentratorów typu krokowego w różnych urządzeniach ultradźwiękowych. Ponadto koncentratory te są łatwiejsze w produkcji niż inne, co czasami jest najważniejszym warunkiem pomyślnego zastosowania obróbki ultradźwiękowej. Obliczanie koncentratora schodkowego jest znacznie prostsze niż innych typów koncentratorów.

Wartość współczynnika wzmocnienia amplitudowego koncentratora schodkowego uwzględnia się z uwzględnieniem zapobiegania możliwości wystąpienia drgań bocznych, które obserwuje się przy dużych współczynnikach wzmocnienia (K>8...10), a także jego danych wytrzymałościowych. W praktyce zakłada się, że wzmocnienie piasty schodkowej wynosi od czterech do sześciu.

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