Ультразвуковые колебательные системы технологического оборудования. Классификация колебательных сист...
Ультразвуковые колебательные системы технологического оборудования. Классификация колебательных сист...
БЕЛОРУССКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ ИРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра
электронной техники и технологии
РЕФЕРАТ
на
тему:
«Ультразвуковые
колебательные системы технологического оборудования. Классификация
колебательных систем»
МИНСК, 2008
Ультразвуковая
колебательная система (УЗКС) предназначена для преобразования электрической
энергии в акустическую и передачи ее ультразвуковому инструменту или
технологической среде. Типичная УЗКС система показана на рис. 1. Колебательная
система работающая в режиме продольных колебаний.
Рисунок 1. Колебательная
система в режиме продольных колебаний
1 - преобразователь; 2 -
корпус; 3 - опора; 4 - концентратор; 5 - инструмент; 6 - звукопоглащатель; 7. -
уплотнение; 8. - охлаждающая жидкость.
Она состоит из
преобразователя 1, трансформатора 4, инструмента 5 и поглотителя звуковых
колебаний 6. Опоры 3 служат для крепления корпуса 2 и всего узла в составе
технологической установки. Жидкость 8 охлаждает систему при ее нагреве.
Герметизация охлаждаемого объема осуществляется уплотнением 7. В колебательной
системе любой конструкции всегда присутствует активный и пассивный элемент.
Активный элемент системы, УЗ преобразователь предназначен для непосредственного
преобразования энергии электрических колебаний в энергию механических
колебаний. По принципу работы преобразователи бывают: электродинамические,
электростатические, пьезоэлектрические, электромагнитные, магнитострикционные.
Наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Они позволяют достаточно эффективно преобразовывать и излучать в нагрузку
большие плотности акустической энергии. Пассивный элемент системы выполняет
одну или несколько из следующих функций
1. Трансформация амплитуд;
2. Согласование механического
сопротивления внешней нагрузки (инструмента, технологической среды) с
внутренним сопротивлением активного элемента.
3. Крепление колебательной
системы в технологической машине.
4. Связь колебательной системы с
инструментом.
5. Создание УЗ поля в
технологической среде (например, в моющей жидкости), технологическом устройстве
корпуса ванны, обрабатываемом объекте (расплаве металла).
В зависимости от выполняемой
функции пассивный элемент может называться волноводом (ф.2,3), трансформатором
амплитуд или концентратором (ф.1,2,3) или излучателем (ф.3,5). Иногда пассивный
элемент выполняет функцию преобразования колебаний: например, продольных в
изгибные, продольных в крутильные и т.д. Активный и пассивный элементы жестко
соединяются между собой. Причем это соединение может быть как разъемным, так и
не разъемным.
Параметры колебательных
систем.
1. Резонансная частота (f0) - частота на которой достигаются
наибольшие значения колебательных смещений и скоростей.
На резонансной частоте
достигается наилучшее согласование всех элементов системы.
Система может иметь несколько
резонансных частот. Для каждой резонансной частоты характерна своя форма колебаний
и геометрическое распределение стоячей волны (изгибные, крутильные, продольные,
комбинированные и т.д.)
Добротность Q - отношение накопленной в
резонансной системе энергии к потерям ее за одни период.
Добротность характеризует
крутизну и вид АЧХ, ширину полосы рабочих частот колебательной системы.
Обычно добротность определяют
экспериментально. Для этого снимают экспериментальную амплитудно-частотную
характеристику (АЧХ) и вычисляют по формуле
Рисунок 2. К определению
добротности.
, (1)
Где Δf = f1-f2 - изменение частоты колебаний
системы, при которой амплитуда колебаний уменьшается в е раз.
При использовании
колебательной системы для излучения в жидкости
Q = 10-20, что обеспечивает максимальную подачу энергии. При работе с
концентратором стремятся к высоким значениям добротности Q = 100-1000. Такая добротность
обеспечивает большие амплитуды колебаний выходного торца концентратора.
Механический импеданс (z) - отношение знакопеременного
давления в какой либо точке поверхности тела или жидкости, на которое
воздействует колебательная система, к колебательной скорости в этой точке.
При f0: z = zmin; при f ≠ f0 значение z→max;
Соответственно при zmin: ξ = ξmax, а при z ≠ zmax ξ << ξmax.
Колебательная система еще
характеризуется: амплитудой смещения, подводимой электрической мощностью,
мощностью отдаваемой в нагрузку
1.
По типу
преобразователя УЗКС делят на магнитострикционные и пьезоэлектрические,
гидродинамические и аэродинамические.
2.
По типу
колебаний УЗКС делят на:
- системы продольных
колебаний;
- системы продольных
крутильных колебаний;
- cистемы продольных изгибных колебаний.
Рисунок 3 - Схематическое
изображение продольных и поперечных деформаций в нулевой продольной волне.
Рисунок 4 - Схематическое
изображение сдвиговых деформаций в нулевой крутильной волне.
Рисунок 5 - Схематическое
изображение деформаций в изгибной волне.
Типы упругих колебаний
Продольные колебания
однородного стержня постоянного сечения для одномерного случая описываются
уравнением:
, (2)
где С2пр = Е/p, поскольку связь между напряжением и
смещением выражается законом Гука. Решением уравнения является:
, (3)
где
.
Крутильные колебания
однородного стержня постоянного сечения описываются уравнением
, (4)
где θ – угол поворота поперечного сечения
стержня;
С2кр=G/p; G – модуль сдвига;
p – плотность.
Решение уравнения
, (5)
где .
Изгибные колебания
однородного стержня описываются уравнением
, (6)
где С2изг = EJ/m;
E – жесткость стержня на изгиб;
J – момент инерции площади поперечного
сечения стержня относительно нейтральной оси перпендикулярной плоскости
колебаний;
m – масса стержня единичной длины.
Решением уравнения является выражение
, (7)
где
А, В, С, D – постоянные интегрирования
определяются из граничных условий, соответствующих характеру связей
существующих на концах стержня. Для нахождения четырех неизвестных надо
задавать по два граничных условия на каждом конце стержня.
В простейшем случае конец стержня
может быть:
1.
Свободен .
2.
Жестко
закреплен .
3.
Свободно
оперт (шарнирно закреплен) .
В чистом виде все три вида колебаний
существуют редко. Наибольшее применение для технологических целей нашли системы
продольных колебаний. Линейные размеры каждого элемента такой системы, да и
самой системы в целом должны быть кратны половине резонансной длины волны
, (8)
где n – целое число.
По числу длин волн укладывающихся в
колебательной системе их разделяют на типы: полуволновые, двухволновые,
трехволновые и т.д.
Рисунок 6 - Полуволновые
колебательные системы с преобразователем (1) и излучателем переменного сечения
используют для излучения в жидкие среды.
Рисунок 7. – Параллельное включение
УЗКС.
Если мощности одного преобразователя
недостаточно, то на пассивном элементе размещают несколько преобразователей.
Причем размещают их в синфазно колеблющихся точках пассивного элемента, т.е. на
расстояниях кратных длине волны.
Рисунок 8 – Четвертьволновая УЗКС.
При необходимости получения
значительной амплитуды колебаний и компактности конструкции используют схему с
четверть волновым преобразователем и концентратором. Недостаток схемы
соединение концентратора с преобразователем в точке максимальных механических
напряжений.
Двухволновые системы свободны от
недостатков предыдущих. Точки крепления в кучности напряжений требует усиленного
фланца. Используются в мощных технологических установках до 600 Вт.
Рисунок 9 – Трехполуволновая УЗКС.
В условиях мощности до 1,0 – 4,0 кВт
используют трехполуволновые системы. Возможно два места крепления (чем ближе к
выходу точки закрепления, тем выше жесткость системы). Возможно использование
составного пассивного элемента.
Системы с большим числом полуволн
используются реже.
ЛИТЕРАТУРА
1.Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. В
2-х кн. Кн.1. /Под ред. П.Н.Учаева. — 3-е изд. испр. — М.: Машиностроение
2.Конструирование приборов: В 2-х кн. /Под ред. В.Краузе; Пер. с нем.
В.Н.Пальянова; Под ред. О.Ф.Тищенко. —Кн.1. М.: Машиностроение
3. Конструирование приборов: В 2-х кн. /Под ред. В.Краузе; Пер. с нем.
В.Н.Пальянова; Под ред. О.Ф.Тищенко. — Кн.2. М.: Машиностроение
4.Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной
технологии:Учеб. пособие для вузов.— М.: Высш. шк.,
| 
