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

ввиде прямоугольной пластины постоянного сечения из стали Х18Н9Т. Двигатели выполнены в виде пакетов из штампованных пластин толщиной 0,2 мм из сплава ЭП207. Отличительными особенностями преобразователя яв­ ляется большая излучающая поверхность и мощность, наличие датчика акустической обратной связи.

Ультразвуковой магнитострикционный цилиндриче­ ский преобразователь ПМС-50А (рис. 12, е) предназначен для ультразвуковой обработки продуктов в жидкой фазе

внепрерывном потоке. Применение преобразователя для обработки мазута перед сжиганием в мартеновских печах сократило время плавки на 8 мин и позволило отказаться от изготовления установки для обезвоживания мазута.

Особенностью преобразователя является наличие дат­ чика акустической обратной связи, служащего для не» прерывного дистанционного контроля режима работы установки. Надежность и долговечность конструкции, а также простота в эксплуатации позволяют считать, что преобразователь ПМС-50А отвечает уровню мировых стан­ дартов.

Технические характеристики ультразвуковых преобра­ зователей, предназначенных для возбуждения ультра­ звуковых колебаний в жидкости, приведены в табл. 4.

Во многих технологических процессах возникает необ­ ходимость в применении интенсивного ультразвукового излучения. Однако интенсивность, снимаемая с поверх­ ности ультразвуковых преобразователей, ограничивается рядом факторов: усталостной прочностью материала пре­

образователя и его нагревом вследствие электрических и механических потерь. Значительная часть излучаемой энергии расходуется на кавитацию. Для повышения интенсивности излучения применяют фокусирующие пре­ образователи, с помощью которых можно получить ин­ тенсивность в тысячи вт/см2 [62]. Повышения интенсивно­ сти излучения магнитострикционных стержневых пре­ образователей можно добиться применением их в сочета­ нии с различными концентраторами, назначение которых сводится к увеличению амплитуды смещений. Наиболее выгодно применять ступенчатые концентраторы, у кото­ рых коэффициент усиления амплитуды смещения равен отношению площадей входного и выходного сечения. Однако большие напряжения, возникающие в зоне пере­ хода между ступенями при работе с амплитудами смеще­ ний 20 мк и более, вызывают сильный нагрев и, как след-

44

Т а б л и ц а 4

Технические характеристики ультразвуковых преобразователей

Наименование характеристики ПМС-46 ПМС-6-22 ПМС-58А ПМС-50А

ствие, значительное изменение частоты колебаний в си­ стеме.

Более совершенными конструктивными формами обла­ дают составные концентраторы. Особенно перспектив­ ными из них являются ступенчатые концентраторы с пере­ ходным экспоненциальным участком.

В настоящее время проводятся работы по усовершен­ ствованию ультразвуковых магнитострикционных пре­ образователей со значительно улучшенными техническими характеристиками и расширенной областью их примене­ ния. Так, в последние годы разработаны и созданы новые колебательные системы с развитой излучающей поверх­ ностью. Характерная особенность такой колебательной системы —■наличие согласующего элемента, который мо­ жет иметь вид, например, диафрагмы, оболочки с вну­ тренним излучением или тела колокольного типа. Основ­ ное преимущество колебательной системы с развитой излучающей поверхностью — согласование сопротивле­ ния преобразователя с волновым сопротивлением среды и равномерное распределение резонансной частоты на

45

всей излучающей поверхности. В колебательных систе­ мах с развитой излучающей поверхностью на диафрагме диаметром до 500 мм получены амплитудные смещения до 15 мкм. Преобразователи с согласующимися элемен­ тами можно успешно применять в процессах очистки, дис­ пергирования и дегазации.

Для получения ультразвуковых колебаний большой мощности в качестве источника электрических колебаний иногда применяют машинные генераторы, которые трудно поддаются регулировке частоты в процессе работы. Не­ совпадение резонансной частоты преобразователя с ча­ стотой тока генератора недопустимо. В результате рас­ стройки уменьшается амплитуда колебаний преобразова­ теля, возникают потери упругих колебаний в местах креп­ ления и соединений колебательной системы, что приводит к уменьшению к. п. д. установки.

Отклонение резонансной частоты преобразователя от расчетной происходит из-за неоднородности технологиче­ ской обработки магнитострикционного материала. Кроме того, сказывается влияние пассивных материалов (клей, прокладки) и арматуры преобразователя. Суммарное отклонение реальной резонансной частоты изготовленного преобразователя от заданной может достигать 6—8%. Корректировка резонансной частоты может быть достиг­ нута изменением некоторых геометрических размеров преобразователя. При использовании ламповых генерато­ ров в некоторых их конструкциях предусматривается автоматическая подстройка частоты. Это особенно необ­ ходимо в таких технологических процессах, как резание и долбление труднообрабатываемых материалов, дегаза­ ция расплавленных металлов, где в процессе обработки ультразвуковой инструмент изнашивается, а следова­ тельно, изменяется его резонансная частота [21], [51], [151 ].

Магнитострикционные преобразователи, использу­ ющиеся для ввода ультразвуковых колебаний в химически агрессивные среды, имеют низкий срок службы из-за разрушения рабочих поверхностей диафрагмы от кави­ тационно-коррозионного воздействия. Никель имеет хо­ рошую стойкость только в растворах щелочей и органи­ ческих кислот. В растворах серной и фосфорной кислот он имеет пониженную стойкость, а в растворах азотной и соляной кислот никель совершенно нестоек. Преобра­ зователи, изготовленные даже из коррозионностойких

46

материалов, например, аустенитной стали типа Х18Н9Т,

Относительно высокой кавитационно-коррозионной стойкостью в воде обладают вольфрам, молибден, тантал, титан и некоторые виды бронзы. Однако применение этих материалов для изготовления диафрагм преобразо­ вателей неоправдано из-за их высокой стоимости. Опыты показали, что подобрать материал, который имел бы удо­

шения кавитационно-коррозионной стойкости материалов и, в частности, стали Х18Н9Т. Лучшие результаты полу­ чены при электроискровой обработке (упрочнении) стали, которая явилась наиболее эффективным средством повы­ шения кавитационно-коррозионной стойкости ультразву­ ковых преобразователей.

Проведены исследования по выяснению факторов, действующих на диафрагму в процессе ее работы, и изуче­ ние механизма разрушения [85 J. Исследовались стой­ кость диафрагм при работе в различных средах, характер колебаний диафрагм, распространение кавитации над различными зонами излучающей поверхности и влияние отдельных факторов на ход разрушения. Замечено резкое изменение скорости распространения волн при изменении толщины диафрагмы, что характерно для распростране­ ния изгибных волн, длина которых зависит от толщины

исвойств материала и частоты колебаний. Изгибные коле­ бания диафрагмы сопровождаются образованием на ее поверхности пучностей, где амплитуда смещения достигает нескольких микрон и узлов, где амплитуда близка к нулю. На диафрагмах квадратной формы при центральном рас­ положении пакета наиболее четкий характер колебаний наблюдается в двух взаимно перпендикулярных направ­ лениях от пакета к краям. Геометрические размеры диа­ фрагм по двум главным взаимно перпендикулярным осям

идлину волны изгибных колебаний можно определить по формуле

I = Вп + 2ХИЗГ (n -f 1),

где I — длина диафрагмы по соответствующей оси; Вп —> коэффициент, учитывающий ширину пакета; п — число

47

пучностей, расположенных от центра до края диафрагмы; А,изг — длина волны изгибных колебаний;

где b — толщина диафрагмы; f — частота колебаний; К — коэффициент, зависящий от свойств материала диафрагмы.

Таким образом, можно сделать вывод, что при изучении механизма разрушения диафрагм следует учитывать три основных фактора: среду, кавитацию и знакопеременные напряжения, возникающие в узлах смещений изгибных колебаний. Расчет знакопеременных изгибных напряже­ ний в пучностях изгибных колебаний диафрагм постоян­ ного сечения можно произвести по формуле

ААЬЕ

где А — амплитуда смещения пучности; Е — модуль Юнга; ЯизГ — длина волны изгибных колебаний.

Следовательно, основными мерами по увеличению дол­ говечности диафрагм при работе в агрессивных средах являются снижение знакопеременных напряжений в пуч­ ностях изгибных колебаний и выбор для диафрагм мате­ риала, обладающего высокой кавитационно-коррозионной Стойкостью.

Для измерения параметров магнитострикционных пре­ образователей используют различные методы и приборы. Так, для измерения амплитуды ультразвуковых колебаний наиболее доступный способ — оптический, при котором амплитуда колебаний измеряется микроскопом, снабжен­ ным микрометрической головкой. Недостаток этого спо­ соба — трудоемкость, особенно при измерениях ампли­ тудных смещений, значения которых превышают 20— 30 мкм.

При исследовании акустической колебательной си­ стемы зачастую необходимо знать внутренний баланс энергии в системе относительно подводимой к ней общей электрической энергии, которая, как известно, расхо­ дуется на излучение в среду и на потери в акустическом тракте. Если, например, рассматривать баланс мощности в концентраторе ультразвуковых колебаний, то коэффи­ циенты перераспределения мощности могут быть выражены через механическую добротность для разных состояний

48

К а н а л /

Осциллограф

Рис. 13. Функциональная схема приставки для исследования резонанс­ ных характеристик магнитострикционных преобразователей

концентратора и через резонансную частоту. При значи­ тельной мощности на нагруженном преобразователе можно наблюдать за изменениями -резонансных свойств акусти­ ческих преобразователей в докавитационном и кавита­ ционном режимах. Следовательно, оценка акустического устройства определяется ее резонансными свойствами.

В научно-исследовательской лаборатории ультра-аку­ стики Воронежского политехнического института разра­ ботана и изготовлена установка для исследования резо­ нансных характеристик магнитострикционных преобра­ зователей, представляющая собой транзисторную при­ ставку к серийному низкочастотному осциллографу типа С1-4 [97]. Компактность, простота конструкции и удобство в эксплуатации обеспечивают возможность изго­ товления и использования ее в любой лаборатории. При­ ставка состоит из двух симметричных каналов (рис. 13), в каждый из которых входят генераторы, буферный кас­ кад, эмиттерный повторитель с исследуемой колебатель­ ной системой, усилитель напряжения и детектор.

Принцип действия приставки основан на возбуждении исследуемой колебательной системы напряжением, по­ стоянным по амплитуде и переменным по частоте, полу­ чаемым от генератора качающейся частоты и наблюдении резонансных кривых на экране низкочастотного осцил­ лографа.

На кафедре экспериментальной физики Одесского университета предложен относительный метод измерения

49