Полуволновой пьезоэлектрический преобразователь для ультразвуковых ванн очистки
Полезная модель относится к ультразвуковой очистке изделий, особенно, авиационных фильтров для гидравлических, топливных и масляных систем. Пьезоэлектрический преобразователь имеет последовательно соединенные между собой пассивную накладку из стали, несколько пар пьезоэлементов, связанных электрически с генератором, и излучающую накладку из алюминия или алюминиевого сплава, выполненную в виде усеченного конуса, меньшим основанием прикрепленного к пьезоэлементам, при этом излучающая и пассивная накладки выполнены разной высоты, а отношение высоты пассивной накладки к высоте излучающей накладки выполнено равным или большим единицы. Количество пар пьезоэлементов равно двум или более. 5 ил.
Полезная модель относится к ультразвуковой очистке изделий, преимущественно авиационных фильтров для гидравлических, топливных и масляных систем в моющей жидкости с использованием технологических эффектов развитой кавитации. Преимущественное рассмотрение именно авиационных фильтров, в первую очередь, вызвано как их использованием для обеспечения безопасности полетов ЛА, так и тем, что для сравнительного анализа эффективности различных существующих пьезоэлектрических установок полезно в качестве очищаемых деталей испытывать именно авиационные фильтры, поскольку их очистка строго регламентируется метрологическими нормами.
В течение десятков лет единственным (из двух возможных) типом ультразвуковых установок для очистки авиафильтров в авиации использовался только магнитострикционный тип.Пьезоэлектрический же тип установок, выпускавшихся в мире с 1950 г., для очистки авиафильтров в авиации не использовался. В 1988 г. была отмечена возможность очистки фильтроэлементов путем использования пьезоэлектрического принципа (SLJ 
1440568, 1988 г.). В этом источнике тип фильтра и его назначение не указывались, а был назван просто как пример. Данный источник не рассматривается как документ, в котором впервые рекомендовано для авиации использование пьезоэлектрических установок для очистки авиафильтров. В этом документе описана возможность использования пьезоэлектрических установок для очистки фильтроэлементов на уровне постановки задачи без конкретизации ее решения и разработки методологии такого процесса.
22.03.1996 г. Павленко О.Г. запатентовал полезную модель (RU 3704, В08В 3/12, приоритет от 22.03.1996 г., сведения о патенте опубликованы 16.03.1997), в которой впервые было предложено использовать пьезоэлектрические установки для очистки именно авиационных фильтров (принято в качестве прототипа).
В этом патенте описано пьезоэлектрическое устройство для ультразвуковой очистки авиационных фильтров и фильтроэлементов, содержащее один ультразвуковой генератор, N усилителей мощности, выходы которых соединены соответственно с входами N ультразвуковых преобразователей, ванну с моющим раствором, N - 1 ультразвуковых генераторов, N блоков автоподстройки частоты и N блоков защиты от перегрузки, причем выход каждого ультразвукового генератора соединен с входом соответствующего блока защиты от перегрузки, выход которого соединен с входом соответствующего усилителя мощности, к управляющему входу каждого ультразвукового генератора подключен выход соответствующего блока автоподстройки частоты, своим входом соединенный с электрическим выходом соответствующего ультразвукового преобразователя, при этом сами преобразователи закреплены на съемной раме, которая в зависимости от конфигурации и размеров обрабатываемых авиационных фильтров может быть размещена внутри ванны в произвольном положении, а каждый ультразвуковой преобразователь содержит излучающую и пассивную накладки, между которыми расположены пьезоэлементы. При этом в ультразвуковом преобразователе отношение высоты пассивной стальной накладки к высоте излучающей алюминиевой накладки меньше единицы.
Уточнение вида и назначения фильтроэлементов обусловлено тем, что авиационные фильтры (то есть фильтры, применяемые на самолетах и вертолетах в их жидкостных системах - масляных, топливных, гидравлических) являются самостоятельным, специфическим объектом с повышенными требованиями к ним, отличающимися от требований, предъявляемых к фильтроэлементам в обычных наземных установках (бытовых или даже промышленных), хотя и те и другие являются пористо-капиллярными. Авиафильтры имеют свою специфику: они разделяются на авиационные фильтроэлементы и авиационные фильтропакеты. И на каждом самолете или вертолете есть и фильтроэлементы и фильтропакеты. Поэтому все нормативные авиационные документы и инструкции по очистке авиафильтров называются Инструкциями по очистке авиационных фильтроэлементов и фильтропакетов. Фильтроэлементы являются простейшими фильтрующими - сетчатого, саржевого плетения, - объектами. Авиационные же фильтропакеты конструктивно сильно отличаются от фильтроэлементов и представляют собой набор чечевицеобразных шайб, часто из специального хрупкого материала ФНС-15 из прессованного металлического порошка. Очистка таких фильтропакетов бывает наиболее тяжелой проблемой в авиации, - в частности, всем известна проблема очистки 5-ти микронных гидравлических фильтропакетов самолетов ТУ-154.
Этот патент явился результатом двухлетней предшествующей проверки и опытной эксплуатации в Шереметьевском Авиационно-техническом Центре пьезоэлектрической установки УЗУ-2-КОР для очистки авиафильтров, созданной изобретателем. Особенностью запатентованного устройства и способа его действия является то, что массогабаритные, энергетические и ценовые параметры были снижены в 10 раз.
В отличие от очистки фильтроэлементов любых наземных установок (гидравлических, топливных, масляных), при которой есть возможность использовать специализированные высокоэффективные моющие средства, в авиационной практике в качестве моющих жидкостей для очистки авиафильтров в ряде случаев предписывается использование не специализированных моющих средств, а всего лишь тех жидкостей, которые используются для других целей в самолетах и вертолетах. В качестве таких жидкостей рекомендуется использование авиационного керосина ТС-1 или гидравлического масла АМГ-10. Эту очистку в масле или керосине необходимо, по крайней мере, в соответствии с военными требованиями, -произвести за 10 минут, независимо от предыстории очищаемого фильтра.
Поэтому первая ответственная рекомендация использовать пьезоэлектрические установки для очистки авиационных фильтров была сделана лишь в полезной модели RU 3704, и, в частности, на основании опыта годовой пробной эксплуатации установок УЗУ-2-КОР в Шереметьевском Авиационно-техническом Центре при очистке множества фильтроэлементов и фильтропакетов со многих самолетов.
Практика применения пьезоэлектрических установок для очистки авиационных фильтров показывает необходимость контроля и учета затрачиваемой электрической энергии по отношению к ультразвуковому процессу, обеспечивающему очистку.
Однако, даже такая эффективная по действию очистки установка как УЗУ-2-КОР, защищенная патентом RU 3704 с мощностью 400 Вт с восемью излучателями, работающими на частоте 22 кГц, имеет недостаточную экономичность, обусловленную необходимостью подвода значительной энергии для формирования необходимой эффективности излучения.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по изменению параметров пьезоэлектрических излучателей и условий их работы в жидкой среде.
Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности работы пьезоэлектрического устройства для ультразвуковой очистки авиационных фильтров и фильтроэлементов.
Указанный технический результат достигается тем, что в полуволновом пьезоэлектрическом преобразователе для ультразвуковых ванн очистки, содержащем последовательно соединенные между собой пассивную накладку из стали, пьезоэлементы, связанные электрически с генератором, и излучающую накладку из алюминия или алюминиевого сплава, выполненную в виде усеченного конуса, меньшим основанием прикрепленного к пьезоэлементу, излучающая и пассивная накладки выполнены разной высоты, отношение высоты пассивной накладки к высоте излучающей накладки выбрано равным или больше единицы при количестве пар пьезоэлементов равном два или более. В отличие от типовых пьезоэлектрических преобразователей для очистки авиафильтров, в которых используется лишь одна пара пьезоэлементов и в которых излучающая алюминиевая накладка больше по высоте тыльной стальной (фиг.1) существо заявленной полезной модели заключается в увеличении количества пар пьезоэлементов и изменении соотношения высот накладок.
При этом пьезоэлектрический излучатель выполнен с возможностью прикрепления к ванне (фиг.3 и 4) с моющей жидкостью для очищаемого изделия или с возможностью погружения в ванну (фиг.5) с моющей жидкостью для очищаемого изделия.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - схема пьезоэлектрического излучателя по прототипу;
фиг.2 - схема пьезоэлектрического излучателя согласно полезной модели;
фиг.3 - пьезоэлектрический излучатель, первый пример размещения в ванне;
фиг.4 - пьезоэлектрический излучатель, второй пример размещения в ванне;
фиг.5 - пример исполнения погружного пьезоэлектрического излучателя.
В рамках настоящей полезно модели рассматривается пьезоэлектрическое устройство для ультразвуковых ванн очистки металлических изделий от индустриальных масел и полировочных паст, печатных плат от остатков канифоли, жиров и других загрязнений, фильтров и других деталей. Полезная модель рассматривается на примере очистки авиационных фильров и фильропакетов, так как последниеотносятся к категории детаолей, облеспечивающих безопасность полетов ЛА.
Предлагается полуволновой пьезоэлектрический преобразователь для ультразвуковой очистки в ванной, заполненной жидкостью, авиационных фильтров и фильтроэлементов (фиг.2), который представляет собой сборную конструкцию, состоящую из последовательно соединенных между собой пассивной накладки 1 из стали (в виде стального цилиндра), пьезоэлементов 2 (набор пьезоэлементов выполняется в количестве равном двум парам пьезоэлементов или более двух пар этих элементов) (выполнены в виде пьезокерамических шайб), которые связанные электрически с генератором формирования частоты ультразвуковых колебаний, и излучающей накладки 3 из алюминия или алюминиевого сплава или дюралюминия, выполненной в виде усеченного конуса, меньшим основанием прикрепленного к набору пьезоэлементов известной конструкции каждый. Особенностью излучателя согласно настоящей полезной модели является то, что в результате экспериментов установлена новая зависимость между конструктивными параметрами элементов излучателя и количеством пьезоэлементов в наборе. Так, излучающая и пассивная накладки выполнены разной высоты, отношение высоты пассивной стальной накладки h2 к высоте излучателя h1 выполняется равным или более единицы. В отличие от типовых пьезоэлектрических преобразователей для очистки авиафильтров, в которых используется лишь одна пара пьезоэлементов и в которых излучающая алюминиевая накладка больше по высоте тыльной стальной (фиг.1) накладки. Это позволило:
1. Повысить кпд устройства.
2. Повысить рабочий частотный диапазон излучения по сравнению с излучателем, выполненным с одной парой пьезоэлементов.
3. Повысить эффективность.
4. Уменьшить нагрев излучателя и увеличить надежность его работы. Абсолютное значение частоты подбирается увеличением или уменьшением размеров высот излучающей и пассивной накладки. При увеличении абсолютных размеров высот этих частей частота преобразователя будет меньше, и наоборот, при уменьшении абсолютных размеров высот этих частей частота преобразователя будет больше.
Пьезоэлектрический преобразователь для ультразвуковой очистки авиационных фильтров и фильтроэлементов может выполняться в стационарном исполнении, в котором излучающая накладка может быть приклеена к дну ванны 4 (фиг.3), заполненной моющей жидкостью 5 для очищаемого изделия или в дне ванны формируется посадочное гнездо с отверстием и излучающая накладка закрепляется в этом гнезде (фиг.4). В первом случае колебания передаются моющей жидкости через стенку ванны, во втором случае - излучатель имеет прямой контакт с моющей жидкостью и колебания передаются непосредственно в жидкость.
Возможно выполнение пьезоэлектрического преобразователя в виде погружного излучателя (фиг.5).
Для работы пьезоэлектрического устройства используется ультразвуковой генератор, конструкция которого описана в RU 3704.
Для ультразвукового пьезоэлектрического устройства для очистки авиационных фильтроэлементов и фильтропакетов используется моющая жидкость либо щелочные моющие растворы, либо имеющиеся на борту самолета жидкости, например топливо, предназначенное для работы двигателей или двигателя, или масла, предназначенные для работы масляных или гидравлических систем летательного аппарата, а запитка ультразвукового генератора, входящего в комплект ультразвукового пьезоэлектрического устройства для очистки авиационных фильтроэлементов и фильтропакетов, возможна от бортовых или наземных источников постоянного или переменного напряжения.
Электрические сигналы, сформированные генератором в виде пачек радиоимпульсов (или в непрерывном режиме) ультразвуковой частоты, через блоки защиты от перегрузки поступают на соответствующие усилители мощности и далее посредством герметичных кабелей на ультразвуковые пьезоэлектрические излучатели. С помощью блоков автоматической подстройки частоты, введенных в цепи обратной связи каждого канала, производится необходимая корректировка выходных частот радиоимпульсов (или непрерывных колебаний) ультразвуковых генераторов. В результате внутри моющей жидкости создается развитая кавитация, что, в конечном итоге, приводит к повышению качества очистки авиационных фильтроэлементов и фильтропакетов.
Для запитки генераторов или генератора напряжениями разного характера (от переменного или от постоянного) они или он содержат в своем составе соответствующие источники возбуждения пьезопреобразователей, выполненные с помощью известных методов и средств.
Так, при запитке от сети переменного напряжения источник может быть выполнен в соответствии со схемами выпрямителей, описанных на стр.15-18 кн. "Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет", под редакцией С.Д.Додика и Е.И.Гольперина. Сов. радио, М., 1969 г.
При запитке от сети постоянного напряжения она сама является источником питания. Питание для повышения стабильности может быть подано через стабилизатор, выполненный, например, по схеме рис.111.6 или по схемам на с.200-201 той же книги.
Настоящая полезная модель позволяет обеспечить эффективную качественную очистку различных типов фильтроэлементов и фильтропакетов. При этом процесс очистки идет в автоматическом режиме контроля степени очистки по показаниям прибора, реагирующего на разницу давлений между полостью фильтра и внешней средой.
Настоящая полезная модель промышленно применима, так как может быть реализована с использованием известных средств и приемов, применяемых в электротехнике при изготовлении электротехнических устройств.
Полуволновой пьезоэлектрический преобразователь для ультразвуковых ванн очистки, содержащий последовательно соединенные между собой пассивную накладку из стали, пьезоэлементы, связанные электрически с генератором формирования частоты ультразвуковых колебаний, и излучающую накладку из алюминия, или алюминиевого сплава, или дюралюминия, выполненную в виде усеченного конуса, меньшим основанием прикрепленного к пьезоэлементу, излучающая и пассивная накладки выполнены разной высоты, отличающийся тем, что отношение высоты пассивной накладки к высоте излучающей накладки выполнено равным или большим единицы при количестве пьезоэлементов, равном двум и более парам, при этом пьезоэлектрический излучатель выполнен с возможностью прикрепления к ванне с моющей жидкостью для очищаемого изделия или с возможностью погружения в ванну с моющей жидкостью для очищаемого изделия.
