РефератыКоммуникации и связьУлУльтразвуковые колебательные системы технологического оборудования. Классификация колебательных систем

Ультразвуковые колебательные системы технологического оборудования. Классификация колебательных систем

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ ИРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра электронной техники и технологии


РЕФЕРАТ


на тему:


«Ультразвуковые колебательные системы технологического оборудования. Классификация колебательных систем»


МИНСК, 2008
Ультразвуковая колебательная система (УЗКС) предназначена для преобразования электрической энергии в акустическую и передачи ее ультразвуковому инструменту или технологической среде. Типичная УЗКС система показана на рис. 1. Колебательная система работающая в режиме продольных колебаний.


Рисунок 1. Колебательная система в режиме продольных колебаний


1 - преобразователь; 2 - корпус; 3 - опора; 4 - концентратор; 5 - инструмент; 6 - звукопоглащатель; 7. - уплотнение; 8. - охлаждающая жидкость.


Она состоит из преобразователя 1, трансформатора 4, инструмента 5 и поглотителя звуковых колебаний 6. Опоры 3 служат для крепления корпуса 2 и всего узла в составе технологической установки. Жидкость 8 охлаждает систему при ее нагреве. Герметизация охлаждаемого объема осуществляется уплотнением 7. В колебательной системе любой конструкции всегда присутствует активный и пассивный элемент. Активный элемент системы, УЗ преобразователь предназначен для непосредственного преобразования энергии электрических колебаний в энергию механических колебаний. По принципу работы преобразователи бывают: электродинамические, электростатические, пьезоэлектрические, электромагнитные, магнитострикционные. Наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические. Они позволяют достаточно эффективно преобразовывать и излучать в нагрузку большие плотности акустической энергии. Пассивный элемент системы выполняет одну или несколько из следующих функций


1. Трансформация амплитуд;


2. Согласование механического сопротивления внешней нагрузки (инструмента, технологической среды) с внутренним сопротивлением активного элемента.


3. Крепление колебательной системы в технологической машине.


4. Связь колебательной системы с инструментом.


5. Создание УЗ поля в технологической среде (например, в моющей жидкости), технологическом устройстве корпуса ванны, обрабатываемом объекте (расплаве металла).


В зависимости от выполняемой функции пассивный элемент может называться волноводом (ф.2,3), трансформатором амплитуд или концентратором (ф.1,2,3) или излучателем (ф.3,5). Иногда пассивный элемент выполняет функцию преобразования колебаний: например, продольных в изгибные, продольных в крутильные и т.д. Активный и пассивный элементы жестко соединяются между собой. Причем это соединение может быть как разъемным, так и не разъемным.


Параметры колебательных систем.


1. Резонансная частота (f0) - частота на которой достигаются наибольшие значения колебательных смещений и скоростей.


На резонансной частоте достигается наилучшее согласование всех элементов системы.


Система может иметь несколько резонансных частот. Для каждой резонансной частоты характерна своя форма колебаний и геометрическое распределение стоячей волны (изгибные, крутильные, продольные, комбинированные и т.д.)


Добротность Q - отношение накопленной в резонансной системе энергии к потерям ее за одни период.


Добротность характеризует крутизну и вид АЧХ, ширину полосы рабочих частот колебательной системы.


Обычно добротность определяют экспериментально. Для этого снимают экспериментальную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и вычисляют по формуле



Рисунок 2. К определению добротности.


, (1)


Где Δf = f1-f2 - изменение частоты колебаний системы, при которой амплитуда колебаний уменьшается в е раз.


При использовании колебательной системы для излучения в жидкости


Q= 10-20, что обеспечивает максимальную подачу энергии. При работе с концентратором стремятся к высоким значениям добротности Q = 100-1000. Такая добротность обеспечивает большие амплитуды колебаний выходного торца концентратора.


Механический импеданс (z) - отношение знакопеременного давления в какой либо точке поверхности тела или жидкости, на которое воздействует колебательная система, к колебательной скорости в этой точке.


При f0: z = zmin; приf ≠ f0 значение z→max;


Соответственно приzmin: ξ = ξmax, а при z ≠ zmaxξ << ξmax.


Колебательная система еще характеризуется: амплитудой смещения, подводимой электрической мощностью, мощностью отдаваем

ой в нагрузку


Классификация технологических колебательных систем
:

1. По типу преобразователя УЗКС делят на магнитострикционные и пьезоэлектрические, гидродинамические и аэродинамические.


2. По типу колебаний УЗКС делят на:


- системы продольных колебаний;


- системы продольных крутильных колебаний;


- cистемы продольных изгибных колебаний.



Рисунок 3 - Схематическое изображение продольных и поперечных деформаций в нулевой продольной волне.



Рисунок 4 - Схематическое изображение сдвиговых деформаций в нулевой крутильной волне.



Рисунок 5 - Схематическое изображение деформаций в изгибной волне.


Типы упругих колебаний


Продольные колебания однородного стержня постоянного сечения для одномерного случая описываются уравнением:


, (2)


где С2пр = Е/p, поскольку связь между напряжением и смещением выражается законом Гука. Решением уравнения является:


, (3)


где


.


Крутильные колебания однородного стержня постоянного сечения описываются уравнением


, (4)


гдеθ – угол поворота поперечного сечения стержня;


С2кр=G/p; G – модуль сдвига;


p– плотность.


Решение уравнения


, (5)


где .


Изгибные колебания однородного стержня описываются уравнением


, (6)


где С2изг = EJ/m;


E – жесткость стержня на изгиб;


J – момент инерции площади поперечного сечения стержня относительно нейтральной оси перпендикулярной плоскости колебаний;


m – масса стержня единичной длины.


Решением уравнения является выражение


, (7)


где


А, В, С, D – постоянные интегрирования определяются из граничных условий, соответствующих характеру связей существующих на концах стержня. Для нахождения четырех неизвестных надо задавать по два граничных условия на каждом конце стержня.


В простейшем случае конец стержня может быть:


1. Свободен .


2. Жестко закреплен .


3. Свободно оперт (шарнирно закреплен) .


В чистом виде все три вида колебаний существуют редко. Наибольшее применение для технологических целей нашли системы продольных колебаний. Линейные размеры каждого элемента такой системы, да и самой системы в целом должны быть кратны половине резонансной длины волны


, (8)


где n – целое число.


По числу длин волн укладывающихся в колебательной системе их разделяют на типы: полуволновые, двухволновые, трехволновые и т.д.



Рисунок 6 - Полуволновые колебательные системы с преобразователем (1) и излучателем переменного сечения используют для излучения в жидкие среды.



Рисунок 7. – Параллельное включение УЗКС.


Если мощности одного преобразователя недостаточно, то на пассивном элементе размещают несколько преобразователей. Причем размещают их в синфазно колеблющихся точках пассивного элемента, т.е. на расстояниях кратных длине волны.



Рисунок 8 – Четвертьволновая УЗКС.


При необходимости получения значительной амплитуды колебаний и компактности конструкции используют схему с четверть волновым преобразователем и концентратором. Недостаток схемы соединение концентратора с преобразователем в точке максимальных механических напряжений.


Двухволновые системы свободны от недостатков предыдущих. Точки крепления в кучности напряжений требует усиленного фланца. Используются в мощных технологических установках до 600 Вт.



Рисунок 9 – Трехполуволновая УЗКС.


В условиях мощности до 1,0 – 4,0 кВт используют трехполуволновые системы. Возможно два места крепления (чем ближе к выходу точки закрепления, тем выше жесткость системы). Возможно использование составного пассивного элемента.


Системы с большим числом полуволн используются реже.


ЛИТЕРАТУРА


1.Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн.1. /Под ред. П.Н.Учаева. — 3-е изд. испр. — М.: Машиностроение


2.Конструирование приборов: В 2-х кн. /Под ред. В.Краузе; Пер. с нем. В.Н.Пальянова; Под ред. О.Ф.Тищенко. —Кн.1. М.: Машиностроение


3. Конструирование приборов: В 2-х кн. /Под ред. В.Краузе; Пер. с нем. В.Н.Пальянова; Под ред. О.Ф.Тищенко. — Кн.2. М.: Машиностроение


4.Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии:Учеб. пособие для вузов.— М.: Высш. шк.,

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Ультразвуковые колебательные системы технологического оборудования. Классификация колебательных систем

Слов:1058
Символов:9701
Размер:18.95 Кб.