Ультразвуковой излучатель для жидкостных нагрузок с промежуточным резонатором

 

Полезная модель относится к средствам получения мощных ультразвуковых колебаний для воздействия на объекты в условиях различных технологических процессов и может применяться для очистки изделий от загрязнений, при эмульгировании, гомогенизации, электрохимических, химикотехнологических и других процессов, применяемых в производственных и ремонтно-восстановительных работах. Полезная модель содержит стержневой электроакустический преобразователь 1 и соединенную с ним соосно посредством жесткой связи излучающую пластину 3. При этом толщина ее периферической части 4 выполнена меньше толщины ее центральной части 5. Согласно полезной модели излучающая пластина выполнена в виде плоского круглого диска, имеющего ступенчатый переход с диаметром Do от центральной части 5 к периферической части 4. Жесткая связь излучающей пластины 3 и преобразователя 1 выполнена центральной резьбовой. При этом диаметр ступенчатого перехода Do назначают из условия: 1,28 МDo1,56M, в котором параметр M={fo-1H(E-1(1-2))-0,5}0,5, где М-параметр, [м]; Н - толщина центральной части пластины, [м]; fo - резонансная частота преобразователя, [с-1]; - плотность, [кг/м3]; Е - модуль Юнга, [Н/м 2]; - коэффициент Пуассона материала, из которого изготовлена излучающая пластина, толщину h периферической части которой выбирают в пределах, исходя из выражения: 2Н/h4.

В частном случае в излучающей пластине 3 в зоне резьбы выполнена кооксиальная проточка 10 глубиной S=(0,3÷0,5) Н. При работе преобразователь 1 передаст свои электроакустические колебания излучающей пластине 3 в качестве промежуточного резонатора. При этом излучающая пластина, выполненная в виде плоского ступенчатого диска с диаметрами Do и D и толщинами Н и h в центральной и периферической частях 5 и 4, соответственно, совершает изгибные колебания, частота которых максимально соответствует резонансной частоте преобразователя 1. На плоской поверхности излучающей пластины 3 образуется ряд зон, в которых формируются пучности амплитуды изгибных колебаний. В этих зонах в условиях жидкостной среды будет наблюдаться процесс кавитации, создавая значительные энергетические воздействия на изделие. Полезная модель направлена на повышение ресурса работы излучателя и эффективности процесса возбуждения акустических колебаний в промежуточном резонаторе - излучающей пластине, а также на улучшение технологичности при изготовлении и ремонте. 1 з. п. ф., 2 ил.

Настоящая полезная модель относится к средствам получения мощных ультразвуковых колебаний в диапазоне частот 10...80 кГц для управляющего и интенсифицирующего воздействия на жидкостные технологические процессы типа очистки поверхностей изделий от загрязнений, эмульгирования, гомогенизации, электрохимических, химико-технологических и других подобных процессов, применяемых в производственных и ремонтно-восстановительной технологиях, в т.ч. в процессах восстановления и ремонта деталей и узлов автотранспортных агрегатов.

Известны устройства для очистки элементов различных конструкций, содержащие излучатели электроакустические для мощного ультразвукового излучения в жидкие технологические среды, состоящие из магнитострикционного стержневого электромеханического преобразователя и припаянной к его торцу симметрично по центру изгибно колеблющейся излучающей металлической пластины, возбуждаемой преобразователем в области ее геометрического центра [1]. Содержащийся в составе указанной ультразвуковой моечной установки магнитострикционный преобразователь нормально присоединен всей поверхностью торца к плоской, имеющей постоянную толщину излучающей диафрагме в ее центре, причем по периферии диафрагмы последняя присоединяется к дну ванны через резиновую прокладку.

Наиболее широко известны излучатели магнитострикционные типа ПМС-6, а в наиболее поздней модификации - ПМС-6-22, с излучающей пластиной в форме квадрата, которые содержат стержневой электромеханический преобразователь и припаянную к его торцу по центру излучающую металлическую пластину, толщина которой уменьшается от центра к периферии [2]. Именно такие излучатели и рассматриваются нами в качестве прототипа к предлагаемому изобретению. Они широко используются при синтезе больших плоских излучающих поверхностей и ванн для жидкостной технологии.

Основными недостатками описанных и применяемого серийно излучателя типа ПМС-6, выбранного в качестве прототипа, являются прежде всего очень низкий ресурс работы, а именно не более 200-500 часов, и кроме этого частые выходы из строя в пределах обусловленного ресурса. Причиной этого является несоответствие криволинейной формы собственных изгибных колебаний пластины поршневым, т.е. возвратно-поступательным, колебательным перемещениям источника упругой энергии-преобразователя. Из-за этого несоответствия усталостное разрушение паяного соединения наступает достаточно легко и быстро. Кроме того, конструкция описанных преобразователей является недостаточно технологичной при их производстве из-за того, что излучающую пластину требуется выполнять в форме квадрата и переменной по толщине от центра к периферии в сторону уменьшения для обеспечения функции выравнивания амплитуды колебаний в направлении к периферии. При этом угловые зоны пластины обладают пониженной эффективностью кавитационного воздействия и лишь усложняют форму колебаний осесимметрично возбуждаемой излучающей пластины.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение ресурса работы излучателя и эффективности процесса возбуждения акустических колебаний в промежуточном резонаторе - излучающей пластине, за счет большей степени соответствия ее собственных изгибных колебаний колебательным перемещениям ультразвукового излучателя, а также улучшение технологичности конструкции при ее изготовлении и ремонте.

Для решения поставленной технической задачи в ультразвуковом излучателе для жидкостных нагрузок с промежуточным резонатором, содержащем стержневой электроакустический преобразователь и соединенную с ним соосно посредством жесткой связи излучающую пластину, толщина h периферической части которой меньше, чем толщина ее центральной части, согласно изобретению излучающая пластина выполнена в виде плоского круглого диска со ступенчатым переходом от центральной части к периферии, а жесткая связь пластины и преобразователя выполнена резьбовой, при этом диаметр ступенчатого перехода D 0 назначают из условия:

1,28 МDo1,56М, в котором параметр

М={fo-1H(E-1(1-2))-0,5}0,5,

где М - параметр, [м];

Н - толщина центральной части пластины, [м];

fo - резонансная частота преобразователя, [с-1];

- плотность, [кг/м3];

Е - модуль Юнга, [Н/м2];

- коэффициент Пуассона материала, из которого изготовлена излучающая пластина, толщину h периферической части которой выбирают в пределах, исходя из выражения: 2Н/h4.

Кроме этого поставленная техническая задача решается также тем, что в частном случае в излучающей пластине в зоне резьбы выполнена коаксиальная кольцевая проточка глубиной S=(0,3÷0,5)Н.

Повышение ресурса работы излучателя достигается благодаря тому, что жесткая связь между излучающей пластиной и ультразвуковым излучателем выполнена в виде центрального резьбового соединения как более надежного вида крепления. Выполнение излучающей пластины в виде плоского круглого диска со ступенчатым переходом от центральной части к периферии, подбор ее характерных геометрических параметров, а именно, толщины Н и диаметра Do ступенчатого перехода в ее центральной части, а также толщины h ее периферической части, определяемых с помощью предлагаемых соотношений, все это позволяет существенно улучшить акустическое согласование между преобразователем, совершающим поршневые колебания, и излучающей пластиной, совершающей изгибные колебания. При этом центральная утолщенная часть пластины работает в условиях резонансной частоты возбуждения, на крайней кромке которой формируются пучности амплитуды изгибных смещений. Это позволяет с помощью массивного центрального резонатора изгибных колебаний существенно увеличить равномерность распределения огибающей амплитуды изгибных колебаний более тонкой периферической части излучающей пластины, что существенно повышает эффективность акустического излучателя.

В частном случае при выполнении в зоне резьбы излучающей пластины кооксиальной кольцевой проточки глубиной S, выбираемой в определенном соотношении с толщиной Н центральной части, эффектиность излучателя еще более повышается в связи с тем, что резко снижается импеданс излучающей пластины по сдвиговым деформациям в центральной зоне, а это дополнительно улучшает согласованность акустических колебаний преобразователя с изгибными колебаниями излучающей пластины.

И, наконец, в целом предлагаемая конструкция излучающей пластины, выполненная в виде круглого плоского диска со ступенчатым переходом в центральной зоне, более проста как в изготовлении, так и в ремонте по сравнению с некруглой формой и с переменной толщиной от центра пластины к ее периферии, как в случае прототипа, то есть заявляемый излучатель обладает большей технологичностью по сравнению с известными устройствами.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид предлагаемого излучателя, а на фиг.2 изображен выносной элемент 1 в частном случае выполнения излучателя. На чертежах используются следующие обозначения: Н и h - соответственно, толщина центральной и периферической частей излучающей пластины, a S - глубина выполненной в зоне резьбы излучающей пластины коаксиальной проточки; Do и D -диаметр ступенчатого перехода в центральной части и максимальный диаметр излучающей пластины, соответственно.

Ультразвуковой излучатель содержит стержневой электроакустический преобразователь 1, имеющий припаянную технологическую переходную вставку 2, и соединенную с ним соосно посредством жесткой связи (на черт. не обозначена) излучающую пластину 3, выполняющую роль промежуточного резонатора, толщина h периферической части 4 которой меньше, чем толщина Н ее центральной части 5. Согласно полезной модели излучающая пластина 3 выполнена в виде плоского круглого диска диаметром D со ступенчатым переходом 6 диаметром Do при переходе от центральной части 5 к периферической части 4. При этом жесткая связь излучающей пластины 3 и преобразователя 1 выполнена резьбовой и включает шпильку 7 и пару законтренных между собой гаек 8 и 9. Причем при выполнении диаметра Do ступенчатого перехода 6 руководствуются тем условием, что

1,28 МDo1,56M, в котором параметр

M={fo ,-1H(E-1(1-2))--0,5}0,5,

где М-параметр, [м];

Н - толщина центральной части пластины, [м];

fo - резонансная частота преобразователя, [с-1];

- плотность, [кг/м3];

Е - модуль Юнга, [Н/м2];

- коэффициент Пуассона материала, из которого изготовлена излучающая пластина, толщину h периферической части которой выбирают в пределах, исходя из выражения: 2Н/h4.

В частном случае выполнения устройства в излучающей пластине 3 ультразвукового излучателя в зоне резьбы выполнена коаксиальная кольцевая проточка 10 глубиной S=(0,3÷0,5)H.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При включении устройства стержневой электроакустический преобразователь 1 возбуждает продольные ультразвуковые механические колебания, которые через технологическую припаянную вставку 2 и жесткую связь в виде резьбовой связи, состоящей из шпильки 7 и двух законтренных между собой гаек 8 и 9, передаются утолщенной центральной части 5 излучающей пластины 3, выполненной в виде плоского круглого диска с диаметром D. При этом в центральной части 5 возбуждаются центрально-симметричные изгибные колебания, которые далее посредством ступенчатого перехода 6, выполненного на диаметре Do, передаются от центральной части с толщиной Н к утонченной периферической части 4, имеющей толщину h. При выполнении диаметра Do ступенчатого перехода 6 согласно условию 1,28 МD01,56M в месте ступенчатого перехода 6 будет находиться зона, характеризуемая пучностью механических изгибных колебаний, т.е. соответствующая максимальной амплитуде последних. Приведенное выше условие получено, основываясь на выражении, взятом из известного источника [3], с помощью которого посредством параметра М можно охарактеризовать связь геометрических параметров - диаметра D и толщины Н излучающей пластины, физических характеристик - плотности , модуля Юнга Е и коэффициента Пуассона с материала колеблющейся пластины, присоединенной к источнику возбуждения акустических колебаний, с колебательными характеристиками последнего, а именно с резонансной частотой fo преобразователя. Указанный интервал является оптимальным, поскольку, если Do<1,28M или Do>1,56M, собственная частота изгибных колебаний излучающей пластины не будет находиться в соответствии с резонансной частотой электроакустического преобразователя, что приведет к снижению эффективности излучателя.

Выполнение условия, касающегося соотношения толщин h периферической части 4 и Н центральной части 5, в виде выражения, содержащего пределы, а именно 2Н/h4, позволяет обеспечить соотношение изгибных импедансов периферической и центральной частей 4 и 5, соответственно, в пределах порядка 1:4-1:16, что является достаточным условием для большего выравнивания амплитуды колебаний в направлении к периферии излучающей пластины с диаметром Do [3].

Центрально-симметричные изгибные колебания более тонкой периферической части 4 излучающей пластины 3 возбуждаются внешней кромкой ее центральной части 5, причем, поскольку большая амплитуда колебаний из-за большой толщины Н центрального участка задается на контуре большого диаметра D, равномерность распределения амплитуд колебаний здесь соответственно возрастает. В зонах пучностей изгибных колебаний всей поверхности излучающей пластины диаметра D в рабочей технологической жидкости при использовании излучателя данной конструкции в сборе с соответствующей установкой и будет происходить процесс кавитации, характеризующийся значительным энергетическим воздействием на объект акустического излучения.

При выполнении излучателя согласно полезной модели характер криволинейной формы собственных изгибных колебаний излучающей пластины 3 в наибольшей степени будет соответствовать возвратно-поступательным, колебательным перемещениям источника упругой энергии-преобразователя 1. При этом характер жесткой связи, выполненной резьбовой и посредством которой колебательная энергия от преобразователя 1 передается к излучающей пластине 3, обеспечит прочность, а, следовательно, и надежность значительно нагруженного соединения двух элементов - преобразователя 1 и излучающей пластины 2, что напрямую связано с ресурсом устройства в целом. В известных устройствах, в которых предусматривалось паяное соединение преобразователя 1 с излучающей пластиной 2, в условиях несоответствия их колебательных характеристик друг другу не имелось предпосылок для обеспечения предусмотренного ресурса работы.

При работе устройства согласно частного случая выполненная в зоне резьбы излучающей пластины 3 коаксиальная проточка 10 с определенной глубиной S=(0,3÷0,5)H позволяет снизить значение входного импеданса и повысить амплитуду колебаний в центральной части 5 излучающей пластины 3, т.е. способствует в конечном итоге эффективности процесса возбуждения акустических колебаний в целом в промежуточном резонаторе - излучающей пластине 3. Пределы выбора глубины S проточки 10 ограничены условием прочности, с одной стороны, а с другой стороны, условием иметь вполне определенные упругие свойства у излучающей пластины 3 в ее центральной части 5.

Предложенная конструкция излучателя в части излучающей пластины 3, выполненной в виде плоского круглого диска со ступенчатым переходом и максимальным диаметром D его периферической части 4, делают ее достаточно технологичной как при изготовлении, так и при ремонте.

Проведенные ресурсные испытания показали, что ресурс предлагаемого ультразвукового излучателя составляет не менее 600 часов, что превосходит ресурс прототипа.

Таким образом, изобретение позволяет значительно увеличить ресурс работы устройства по сравнению с известными устройствами и повысить эффективность процесса возбуждения акустических колебаний в промежуточном резонаторе - излучающей пластине, а также улучшить технологичность при изготовлении и ремонте.

Литература

1. А.С. СССР 191329, МПК В06В 1/08, опубл. 1967 г.

2. Китайгородский Ю.И. Ультразвуковые преобразователи // Ультразвуковая технология / Под ред. Б.А.Аграната. - М., 1974. - С.66-106 (прототип).

3. Агранат Б.А., Долгова Т.И., Макаров Л.О. Оптимальное распределение вынуждающей силы по диафрагме ультразвукового излучателя. Сб. Прочность - пластичность материалов в ультразвуковом поле (тезисы докладов научно-технической конференции), Минск, 1973, с.88.

1. Ультразвуковой излучатель для жидкостных нагрузок с промежуточным резонатором, содержащий стержневой электроакустический преобразователь и соединенную с ним соосно посредством жесткой связи излучающую пластину, толщина периферической части которой меньше, чем толщина ее центральной части, отличающийся тем, что излучающая пластина выполнена в виде плоского круглого диска со ступенчатым переходом от центральной части к периферической, а жесткая связь излучающей пластины и преобразователя выполнена центральной резьбовой, при этом диаметр ступенчатого перехода D0 назначают из условия:

1,28 МD01,56M, в котором параметр

M={f0-1H(E-1(1-2))-0,5}0,5,

где М - параметр, м;

Н - толщина центральной части пластины, м;

f0 - резонансная частота преобразователя, с-1;

- плотность, кг/м3;

Е - модуль Юнга, Н/м2;

- коэффициент Пуассона материала, из которого изготовлена излучающая пластина,

толщину h периферической части которой выбирают в пределах, исходя из выражения: 2Н/h4.

2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что в излучающей пластине в зоне резьбы выполнена коаксиальная кольцевая проточка глубиной S=(0,3÷0,5)Н.



 

Наверх