6. Размеры магнитострикционных преобразователей и потребляемая мощность

Примечание. Преобразователи изготовляют из магнитострикционного материала 49КФ.

Общими рекомендациями по конструированию элементов стерж­невых колебательных систем можно считать условия, которые требуют, чтобы поперечные размеры элементов системы были существенно меньше половины длины звуковой волны в материале. Это требование, как из­вестно, связано с возникновением в стержне поперечных волн.

Кроме магнитострикционного преобразователя в колебательную сис­тему входят волновод, играющий роль промежуточного звена, и непос­редственно концентратор-излучатель - элемент, связывающий колеба­тельную систему с технологической средой. Соединение магнитострик­ционного преобразователя с промежуточным звеном-волноводом либо непосредственно с согласующим элементом, передающим колебания в технологическую среду, осуществляют пайкой. В отдельных случаях, особенно при малых мощностях ультразвука, преобразователь припаива­ют к переходному звену типа гайки, которая, в свою очередь, свинчивает­ся с волноводом. Существует большое количество различных конструк­тивных решений по креплению стержневой колебательной системы в технологических устройствах. Широкое распространение получили креп­ления по одной или двум узловым плоскостям волновода.

При обеспечении хорошего акустического контакта между отдельны­ми элементами колебательной системы ее можно рассматривать как монолитную, имеющую собственную резонансную частоту.

С учетом требуемого коэффициента концентрации геометрическая форма волновода может иметь ступенчатую, экспоненциальную и другие формы. Если промежуточное звено-волновод непосредственно не свя­зано с технологической средой, то его размеры остаются на протяжении всего периода эксплуатации колебательной системы. Расчет резонансных размеров волновода может быть выполнен с требуемой точностью.

В технологических установках, связанных с очисткой, концентратор-инструмент подвержен кавитационному износу, который приводит к ухудшению условий излучения акустической мощности в технологичес-

63

кий объем. Отсюда возникает необходимость периодического восстанов­ления шероховатости излучающей поверхности, которая изменяется за счет кавитационной эрозии.

Понятно, что конструктивные элементы колебательной системы различны по своему функциональному назначению и соответственно различаются по используемым для их изготовления материалам, однако есть и некоторые общие требования, предъявляемые к ним. К таким общим требованиям относятся малые акустические потери (малое за­тухание колебаний) и высокая усталостная прочность. Затухание ко­лебаний в твердых телах определяется потерями энергии и обозначается символом Q^-1 . Коэффициент потерь Q^-1 характеризует отношение энер­гии, рассеянной в определенном объеме материала образца, к полной упругой энергии в том же объеме. Потери энергии связаны с внутренним трением, которое является свойством твердого тела, характеризующим его способность рассеивать энергию механических колебаний.

Внутреннее трение для одного и того же материала различно в за­висимости от величины амплитуды ультразвуковых напряжений. Обыч­но при малых амплитудах эта величина изменяется незначительно и зависит от химического состава, степени упорядоченности структуры, температу­ры, механического и магнитного состояния материала. С ростом ампли­туды колебаний для большинства конструкционных материалов наблюда­ется резкое увеличение коэффициента внутренних потерь. Наименьшими акустическими потерями обладают некоторые марки титановых спла­вов, однако пайка магнитострикционного преобразователя к титано­вому волноводу затруднена, и это пока сдерживает изготовление волноводного звена из титановых сплавов. Наиболее предпочтитель­ными материалами для изготовления волноводов можно считать ста­ли 40Х, 65Г.

Лучшим материалом для изготовления излучателей для высокоам­плитудных стержневых колебательных систем, работающих на жидкую нагрузку, нужно считать титановые сплавы. Обладая малыми акустичес­кими потерями, они одновременно имеют высокую усталостную проч­ность и кавитационную стойкость. При изготовлении концентраторов-излучателей чаще всего применяют титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ6, ВТ9. Эти сплавы обладают наиболее низкими потерями. Титановый сплав ВТ8 и технический титан ВТ1-0 имеют значительные акустические потери и не пригодны для изготовления элементов колебательных систем.

В стержневых колебательных системах увеличение амплитуды коле­баний может быть достигнуто за счет изменения размеров и формы по­перечного сечения концентратора-инструмента по определенному за­кону.

В некоторых жидкостных технологических процессах (очистка, дегазация и т.д.) бывает весьма существенным получение больших амплитуд колебаний на возможно большей излучающей площади. В этих случаях концентраторы можно выполнять грибковой формы с развитой излучающей поверхностью, размеры которой увязывают с акустическим сопротивлением среды в рабочем режиме и входной электрической мощностью. На рис. 40 показаны элементы стержневых

64

Рис 40. Элементы стержневой колебательной системы и колебательная система Рис. 41. Стержневая спаренная колебательная система

высокоамплитудных колебательных систем и колебательная система в собранном состоянии с концентратором грибковой формы.

Необходимо иметь в виду, что колебательные системы стержнево­го типа обладают высокой добротностью и, как известно, в этом случае требуют точной настройки в резонанс и поддержания резонансной частоты в процессе всего технологического цикла. Это обстоятельство затрудня­ет подключение к одному источнику питания одновременно нескольких колебательных систем, так как это вызывает усложнение их частотно­го согласования.

Разработка колебательной системы с поперечными размерами элементов, соизмеримыми с \/2, связана с определенными трудностя­ми, обусловленными искажением фронта продольной волны в стержне с ростом его поперечных резмеров. Одним из возможных путей решения этой задачи является создание специальных протяжных элементов колеба­тельной системы, снабженных продольными прорезями, разделяющими эти элементы на секции, сохраняя между ними жесткие связи [А.с. № 450599 (СССР) ]. Схема спаренной колебательной системы, рассчитанной на ра­боту в жидкости при малых акустических нагрузках, показана на рис. 41.

Основным звеном колебательной системы, качество которого су­щественно зависит от технологии его изготовления, является магнитострикционный преобразователь. Существуют две основные технологичес­кие операции, фактически определяющие эффективность и безотказность работы магнитострикционного преобразователя и колебательной сис­темы в целом: термическая обработка магнитострикционного материа­ла; пайка магнитострикционного преобразователя к промежуточному звену-волноводу.

Магнитострикционные и механические свойства собственно пре­образователей из пермендюра в значительной степени зависят от их термической обработки. Отжиг создает устойчивую магнитную текстуру, улучшает магнитную проницательность, повышает механические свойства.

65

Выпускаемые преобразователи ПМС-6-22, ПМС-15А-18 проходят отжиг в среде инертного газа. Перед отжигом нарубленные пластины обезжиривают, укладывают в специальные контейнеры и помещают в печь, предварительно нагретую до 300 °С. Температуру в печи повышают до 840-860 °С, при которой пластины выдерживают около 3 ч. Охлаждение проходит со скоростью 50°С/ч. Отжиг пластин из железокобальтовых сплавов можно производить в вакууме при аналогичных условиях наг­рева, выдержки и охлаждения.

Существует несколько методов соединения магнитострикционных преобразователей с волноводом. Наиболее надежным нужно считать пайку серебряными припоями. Предпочтительность серебряных при­поев связана со сравнительно низкой температурой их плавления и дос­таточно высокими прочностными характеристиками [24]. Широко рас­пространенным серебряным припоем является припой ПСр-40 с темпера­турой плавления 600 °С и пределом прочности около 300 МПа при отно­сительном удлинении 15%. Наибольшее применение при пайке серебряны­ми припоями получили флюсы 209 и 284. Состав флюсов и рабочие темпе­ратуры пайки представлены в табл. 7.