Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

их геометрических размеров заданной резонансной ча­ стоте. Поэтому магнитострикционные преобразователи представляют собой резонансные системы, длина которых равна половине длины волны:

где к — длина волны в см; с — скорость распространения

то, что они при работе сильно нагреваются в результате возникающих вихревых токов. Для поддержания темпе­ ратурного режима предусматривается охлаждение с по­ мощью водяных или масляных рубашек.

П л о с к и е п а к е т н ы е п р е о б р а з о в а т е л и изготовляют из листового магнитострикционного мате­ риала, вырубленного в виде листов определенных разме­ ров, из которых набирают пакеты необходимой толщины. Плоские пакетные преобразователи находят наиболее широкое применение на частотах 8—80 кГц. Они могут быть одностержневыми и многостержневыми.

Собственную частоту колебаний плоского пакетного преобразователя можно определить из выражения

где I — длина стержня в см; b — размер стороны излуча­ ющей поверхности (толщина пакета) в см; р — плотность материала стержня в г/см3; Е — модуль упругости в дин/см2.

Расчет плоских пакетных магнитострикционных пре­ образователей приведен в работах [35] и [54].

Амплитуда колебаний магнитострикционного пакета может оказаться недостаточной для некоторых техноло­ гических процессов. Для увеличения амплитуды колеба­ ний до необходимого значения применяют концентраторы (трансформаторы амплитуды смещения).

37

Выбор размеров пакета является первой частью рас­ чета преобразователя и предшествует его электрическому расчету. Размеры пакета определяют его энергетические параметры и резонансную частоту. Выработаны рекомен­ дации по определению размеров пакета магнитострикционного преобразователя и, в частности, размеров пакетов преобразователей из железокобальтового сплава К-65, для диапазона частот от ІО4 до 2,5-ІО4 Гц [125]. Размеры выбраны такими, чтобы обеспечить достаточную ширину окна для размещения обмотки и ее охлаждение и рацио­ нальное отношение площади излучения к суммарной пло­ щади поперечного сечения стержней. Пользуясь таблицей, можно выбрать необходимые размеры пакета или оценить его энергетические возможности. Размер b (толщина пакета) является главным размером.

Ц и л и н д р и ч е с к и е п а к е т н ы е п р е о б р а з о ­

тах 2—80 кГц. Обмотка возбуждения накладывается на преобразователь или пропускается через специальные пазы (отверстия). Магнитные силовые линии проходят по окружностям, лежащим в плоскостях, перпендикуляр­ ных оси цилиндра. Под влиянием переменных магнито­ стрикционных сил, развивающихся в теле цилиндра, сред­ няя длина окружности цилиндра периодически изме­ няется, что вызывает радиальные колебания преобразо­ вателя.

Для магнитострикционного цилиндрического преобра­

У магнитострикционных ультразвуковых преобразо­ вателей имеются преимущества, заключающиеся в боль­ шой мощности, реализуемой в единице оборудования, высокой удельной мощности излучения и большой меха­ нической прочности. Однако в существующих конструк­

38

циях преобразователей не используются достаточно полно все возможности магнитострикционного материала. В США проверены исследования по повышению эффек­ тивности магнитострикционных материалов. Одной из фирм разработан магнитострикционный преобразователь с малыми потерями. В нем в качестве активного материала применен ванадий-пермендюр (железокобальтовый сплав с небольшим содержанием ванадия). Преобразователь представляет собой ленту, свернутую в виде цилиндра, с изолирующей прокладкой. В таком преобразователе возбуждается весь магнитострикционный материал. В обычном же преобразователе возбуждается не более 70% материала.

Поиски новых материалов для преобразователей при­ вели к разработке керамики с магнитострикционными свойствами — специальных типов ферритов, которые на­ шли применение в технике как магнитные материалы. В Советском Союзе в 1951 г. академик Н. Н. Андреев предложил использовать ферриты в качестве материала для электроакустических преобразователей. Подобные данные о магнитострикционных преобразователях из ферритов приведены в работе [62].

Свойства ферритов в большой степени зависят от со­ ставляющих (окислы железа, цинка, закись никеля). Ферриты относительно устойчивы против коррозии и имеют значительно меньшую, чем у металлов, зависимость частоты от температуры. Так, для некоторых составов ферритов точка Кюри лежит выше 500° С, что позволяет применять ферритовые излучатели при высоких темпера­ турах. Ферритовые преобразователи обладают значи­ тельным магнитострикционным эффектом, близким к ни­ келю (30-10“ 6), имеют относительно большую магнитную проницаемость (2000—3000). У ферритов электрическое сопротивление в ІО8— 1010 раз больше, чем у металлов, поэтому потери на вихревые токи (токи Фуко) в них практически отсутствуют.

Сравнительная дешевизна и простота изготовления делает применение ферритовых магнитострикционных пре­ образователей весьма перспективным, особенно при ра­ боте на высоких частотах. Однако у ферритов есть недо­ статок —■малая механическая прочность, что вызывает опасность их перегрузки при работе в колебательных системах большой мощности. Механические напряжения, возникающие в материале, приводят к образованию

39

трещины, а затем и к разрушению ферритового сердеч­ ника преобразователя.

Расчет ферритовых преобразователей можно сделать исходя из следующей зависимости между основными данными излучателя [35]:

Si ctg klt = S 2 tg kl2,

где S lt l i — площадь поперечного сечения и половина длины стержневой части в см; S 2, /2— площадь и длина

накладки в см; k = -jr; с — скорость звука в феррите

всм/с; со = 2л/.

ВСоветском Союзе освоено производство различных по назначению магнитострикционных преобразователей, применяемых во многих технологических процессах. Кон­ структивное оформление преобразователей определяется их назначением. Для обработки жидких сред применяются стержневые, пакетные с плоскими диафрагмами и цилин­ дрические преобразователи. Преобразователи со стерж­ невыми трансформаторами упругих колебаний приме­

няются для возбуждения ультразвуковых колебаний в твердых телах, а также для ввода колебаний в расплав­ ленные металлы и сплавы.

Наряду с уже применяющимися на промышленных предприятиях магнитострикционными преобразователями (ПМС-7, ПМС-11, ПМС-15, ПМС-24 и др.) в последнее время разработан и изготовлен ряд новых преобразова­ телей. Так, ультразвуковые магнитострикционные пре­ образователи со стержневыми трансформаторами ПМС-27, ПМС-39, ПМС-51 (рис. 12, а) предназначены для возбу­ ждения упругих колебаний ультразвуковой частоты в твердых телах и могут быть применены в различных ультразвуковых установках, предназначенных для абра­ зивной обработки долблением твердых и хрупких мате­ риалов, для интенсификации различных технологических процессов и других технологических и лабораторных целей.

По сравнению с аналогичными отечественными и за­ рубежными образцами в указанных выше преобразова­ телях в результате рационального выбора конструкцион­ ных элементов и технологии изготовления имеются сле­ дующие преимущества: 1) значительно снижен расход дорогостоящего магнитострикционного материала (пермендюра) при одновременном улучшении технических

40

U

Рис. 12. Ультразвуковые магнитострикционные преобразователя:

а — ПМС-51* б — ПМС-15А-18; в — ПМС-46; г — ПМС-6-22; д — ПМС-58А; е — ЛМС/50А

характеристик преобразователей: 2) дорогостоящая и труднообрабатываемая нержавеющая сталь заменена кон­ струкционной сталью с антикоррозионным покрытием; 3) значительно снижена трудоемкость изготовления в ре­ зультате повышения технологичности ряда деталей и ме­ ханизации их изготовления; 4) вследствие усовершен­ ствования ряда узлов значительно снижена трудоемкость сборочных операций; 5) с применением сменных штуце­ ров, снижающих давление охлаждающей жидкости в бачке, повышена надежность обмотки против кавитационного разрушения изоляционного слоя; 6) наличие фланца на бачке преобразователя обеспечивает удобство и надеж­ ность его монтажа на различных установках; 7) приме­ нение клеммной колодки на корпусе бачка придает пре-

41

образователю законченный вид, что отвечает современным требованиям технической эстетики.

Ультразвуковой магнитострикционный преобразова­ тель ПМС-15А-18 (рис. 12, б) предназначен для возбу­ ждения ультразвуковых колебаний в твердых телах и может также применяться в различных установках, пред­ назначенных для интенсификации технологических про­ цессов, например, дегазации расплавленных металлов и сплавов, диспергирования, некоторых видов очистки и удаления заусенцев с деталей. Преобразователь состоит из следующих частей: двигателя; датчика обратной акусти­ ческой связи (АОС); трансформатора упругих колебаний и бачка с системой охлаждения. Двигатель и датчик АОС выполнены в виде пакетов из штампованных пластин магнитострикционного материала — сплава ЭП207 или К50Ф2 (пермендюр). Трансформатор упругих колебаний имеет форму усеченного конуса с коэффициентом усиле­ ния 1,4.

По сравнению с преобразователем ПМС-15А преобра­ зователь ПМС-15А-18 имеет вдвое большую величину амплитуды смещения, большую номинальную мощность (4 кВт), высокий коэффициент усиления, лучшую нагру­ зочную характеристику, более надежен и технологичен в работе.

Технические характеристики магнитострикционных преобразователей стержневого типа, предназначенных для возбуждения ультразвуковых колебаний в твердых телах, приведены в табл. 3.

Ультразвуковой магнитострикционный преобразова­ тель ПМС-46 (рис. 12, б) предназначен для возбуждения ультразвуковых колебаний в жидких средах. Он может быть использован для интенсификации процессов очистки, электрохимических, гальванических и др. Особенно эф­ фективно применение этого преобразователя в ваннах малого объема. Преобразователь состоит из диафрагмы с двигателями. Отличительной особенностью преобразо­ вателя является равномерно распределенное поле излуче­ ния.

Ультразвуковой магнитострикционный преобразова­ тель ПМС-6-22 (рис. 12, г) предназначен для возбуждения колебаний в жидких средах. Он состоит из активного элемента (двигателя) и трансформатора упругих колеба­ ний (диафрагмы). Двигатель выполнен в виде пакета из штампованных пластин толщиной 0,2 мм. В качестве

42

Т а б л и ц а 3

Технические характеристики ультразвуковых преобразователей

ЭП207 или К50Ф2 (пермендюр). Диафрагма имеет раз­ витую излучающую поверхность квадратной формы. Изго­ товляется из стали 1Х18Н9Т, обладающей высокой стой­ костью к коррозионному и кавитационному разрушению.

Ультразвуковой магнитострикционный преобразова­ тель ПМС-58А (рис. 12, д) предназначен для возбуждения мощных ультразвуковых колебаний в жидких средах. Он может быть использован для интенсификации с по­ мощью ультразвука процессов очистки, электрохимиче­ ских, гальванических и др. Особенно эффективно приме­ нение этого преобразователя в металлургической промыш­ ленности для очистки стальных листов шириной до 800 мм. Преобразователь состоит из двух основных частей: диафрагмы с двигателями и датчиком обратной связи и балки с системой охлаждения. Диафрагма изготовлена

43