16.2. Элементы оборудования ультразвуковых установок

Основными элементами колебательной системы являются источник УЗ колебаний и акустический трансформатор скорости.

Источники УЗ колебаний могут быть двух видов: механические и электрические.

К механическим источникам относятся ультразвуковые сирены и свистки. Электрические источники УЗК преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания соответствующей частоты. Для этих целей служат различные преобразователи: электродинамические, магнитострикционные, пьезоэлектрические. Наиболее распространенными являются магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Принцип действия магнитострикционных преобразователей (МСП) основан на продольном магнитострикционном эффекте (МЭ), который проявляется в изменении длины металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объема) под действием магнитного поля. Высокой магнитострикцией обладают никель и пермендюр.

Пакет МСП представляет собой сердечник из тонких пластин, на котором размещена обмотка для возбуждения поля высокой частоты. При МЭ знак деформации сердечника не изменяется при изменении направления поля на обратное. Частота изменения деформации в 2 раза больше частоты переменного тока, проходящего по обмотке преобразователя.

Рис. 16.1. Схема МСП

По схеме замещения можно рассчитать механические параметры аналогично расчету электрических схем, но с учетом коэффициента электромеханической связи , характеризующего связь колеблющейся механической части системы с электрической цепью. В соответствии с первой системой электромеханических аналогий коэффициент используют при пересчете электрических напряжений в механические усилия; j – пересчетный коэффициент колебательных скоростей в токе, а ² – коэффициент пересчета электрических сопротивлений в механические. Параметры схемы замещения изменяются в зависимости от конструкции и материала преобразователя.

На рис. 16.1 показана схема МСП. Обмотка 5 сердечника преобразователя 4 питается от генератора тока высокой частоты 1. Под действием электромагнитов 3 и 6, питаемых от источника постоянного тока 2, возникает постоянное магнитное поле. В результате в системе будет проходить два магнитных потока: постоянный с индукцией B₀ и переменный с индукцией B_п. В любой момент времени результирующий магнитный поток B_p равен их алгебраической сумме В_p=В₀+В_п. В случае согласного направления потоков, когда B_p 0, сердечник имеет длину l₁, когда же потоки направлены встречно и результирующий поток B_p 0, длина сердечника l₂ l₁. Таким образом, с помощью высокочастотного генератора 1, выпрямителя 2, концентратора 7 (акустического преобразователя скорости) электрическая энергия преобразуется в механическую энергию колебаний технологического элемента преобразователя 8, воздействующего на обрабатываемую деталь 10. Через шланг 9 к месту обработки подается рабочая жидкость.

Недостатками МСП является наличие потерь на перемагничивание сердечника, потребление значительного тока на подмагничивание, невысокая экономичность, низкий КПД.

Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры в электрическом поле. Распространение получили пьезоэлементы на основе титаната бария, цирконата-титаната свинца (ЦТС). Колеблющаяся пластинка из пьезоэлектрического материала является электромеханическим преобразователем.

Примером технического применения пьезоэлектрического преобразователя являются установки для озвучивания растворов с целью их гомогенизации (рис. 16.2). Раствор, протекающий по каналу или находящийся в сосуде, облучается определенное время в звуковом поле, что ускоряет растворение компонентов.

Рис. 16.2. Конструкция многослойного

пьезопреобразователя:

1 – ванна с раствором; 2 – днище ванны; 3 – клеящийся состав;

4 – верхняя накладка; 5 – диски на ЦТС; 6 – нижняя отражающая

накладка

Акустические трансформаторы скорости (АТС) – концентраторы продольных упругих колебаний. Они служат для согласования параметров преобразователя с нагрузкой, для крепления колебательной системы и ввода УЗК в зону обрабатываемого материала. Эти устройства представляют собой стержни различного сечения, выполненные из материалов со специальными требованиями.

Рис. 16.3. Формы акустических трансформаторов скорости

Формы АТС показаны на рис. 16.3, а-е. Они характеризуются коэффициентом концентрации колебаний, равному отношению площади сечения большего торца концентратора (соединенного с вибратором) к малому выходному его торцу.

Источники питания ультразвуковых установок предназначены для преобразования электрической энергии промышленной частоты в энергию ультразвуковой частоты для возбуждения преобразователя. Основные требования: стабильность генерируемой частоты и возможность ее регулирования; регулирование мощности; небольшие стоимость, масса и размеры; надежность.

Существуют ультразвуковые генераторы (УЗГ) на транзисторах, тиристорах, ламповые и машинные. Схема УЗГ8-0,1/22 с автоматической подстройкой частоты представлена на рис. 16.4. Генератор состоит из двух каскадов, первый – возбудитель в виде блокинг-генератора на транзисторах Т₁, Т₂, питающийся от выпрямителя с выходным напряжением Е₁; второй – выходной каскад выполнен по полумостовой схеме на транзисторах Т₃, Т₄. Нагрузка М подключена к генератору через согласующий трансформатор Тр₂, цепь согласования C1, L1 и C2, L2, дифференциальный трансформатор обратной связи Тр₃. Напряжение обратной связи с трансформатора Тр₃ подается в базовые цепи транзисторов T₁ и Т₂ и осуществляет синхронизацию работы возбудителя. В генераторе имеется возможность ступенчатого регулирования мощности от 10 до 100 % номинальной. Потребляемая из сети мощность – 180 В А, выходная мощность – 100 Вт, рабочая частота – (22± 1,65) кГц.

Рис. 16.4. Принципиальная схема ультразвукового генератора УЗГ-01/22