книги из ГПНТБ / Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении

диапазону частот ультразвуковые генераторы делятся на низкочастотные, широкодиапазонные и высокочастотные, которые в конкретном исполнении могут быть различных типов, например, УЗГ, УМ, УГ, ГУ, УЛГ, малогабарит­ ные, лабораторные и др.

Широкое применение в промышленности получили ультразвуковые генераторы серии УЗГ (УЗГ-2.5М,

УЗГ-6М, УЗГ-10М, УЗГ-10-22, УЗГ-2-10, УЗГ-10У). Они используются в различных технологических процессах, в том числе для обработки труднообрабатываемых мате­ риалов, очистки и обезжиривания деталей перед гальва­ ническим и другими покрытиями, травления и удаления окалины после термической обработки, снятия заусенцев с деталей после механической обработки и штамповок, сварки металлов и пластмасс, пропитки электроэлементов и отливок, дегазации алюминиевых расплавов и в других

ведены в табл. 10. Одними из последних промышленных моделей этой серии являются ультразвуковые генераторы УЗГ-2-10 и УЗГ-З-0,4.

Ультразвуковой генератор УЗГ-2-10 (рис. 29) яв­ ляется универсальным источником питания различного ультразвукового технологического оборудования, пред­ назначенного для очистки, механической размерной об­ работки, интенсификации электрохимических процессов, диспергирования суспензий, дегазации алюминиевых рас­ плавов, снятия заусенцев с мелких деталей и других тех­ нологических процессов с воздействием ультразвука. Генератор выполнен на одном мощном триоде ГУ-10А по схеме с трансформаторной положительной обратной связью. Генератор выгодно отличается простотой схемы, надежностью в работе и хорошим внешним видом от пре­ дыдущих моделей.

В комплект генератора входят четыре магнитострикционных преобразователя ПМС-6-22. Генератор может комплектоваться ультразвуковыми ваннами серии УЗВ или ультразвуковыми аппаратами РУЗ и УПХА-Р.

Ультразвуковой генератор УЗГ-З-0,4 является уни­ версальным маломощным источником питания ультразву­ кового технологического оборудования, предназначен­ ного для процессов очистки и обезжиривания, лужения и пайки, а также сварки алюминиевой фольги. Он является модернизированной моделью УЗГ-1-0,4. Генератор собран

90

Т а б л и ц а 10

Технические характеристики ультразвуковых генераторов серии УЗГ

Техническая характеристика УЗГ -3-0,4 УЗГ-2,5 УЗГ-2.5М

£1

по схеме самовозбуждения на тетроде ГУ-34Б с воздуш­ ным охлаждением, имеет ступенчатую и плавную регу­ лировку частоты и выходного напряжения в заданных пределах. Оригинально и удобно выполнена конструкция генератора. Органы управления, сигнализации и измери­ тельный прибор расположены на передней панели. Клемм­ ные зажимы для присоединения нагрузки (технологиче­ ского оборудования) расположены с задней стороны гене­ ратора. Внешний вид генератора отвечает современным эстетическим требованиям.

Ультразвуковые генераторы серии УМ предназначены для работы с магнитострикционными преобразователями в узком диапазоне ультразвуковых частот. Генераторы УМ выпускаются четырех типов: УМ1-0,4; УМЗ-2; УМ1-4 и УМ-25 соответственно мощностью 0,4; 2; 4 и 25 кВт. Описание генераторов и технические характеристики даны в работах [35 и 54]. В этих же работах приведены технические характеристики и дано краткое описание ультразвуковых генераторов типа УГ (УГ-32, УГ-41), широкодиапазонного генератора ГУ-3, высокочастотных генераторов УЛГ-2, УП2-2, малогабаритных генераторов, собранных на транзисторах, и некоторых специальных генераторов, предназначенных для лабораторных целей.

92

технологических установок.

Современная отечественная промышленность начинает все шире применять малогабаритную и экономичную уль­ тразвуковую аппаратуру с питающими генераторами на полупроводниках мощностью 100—600 Вт (УЗГ4-0,1,

УЗП-0,25, УЗП-0,6).

Ультразвуковой генератор УЗГ4-0,1 предназначен для работы с пьезоэлектрическими преобразователями. Ге­ нератор выполнен по схеме с независимым возбуждением и состоит из трех каскадов: задающего генератора, пред­ варительного усилителя, усилителя мощности и имеет фиксированную настройку на рабочую частоту. Питается генератор от выпрямителя, собранного по двухфазной однополупериодной схеме на двух диодах Д7Ж, предва­ рительный усилитель и усилитель мощности — от общего выпрямителя, собранного по такой же схеме на двух дио­ дах Д215. Конструктивно генератор выполнен в виде

93

тырех каскадов. Первые три каскада аналогичны каскадам генератора УЗГ-4-0,1. Четвертый каскад представляет собой усилитель мощности, собранный из трех последова­ тельно-двухтактных ячеек на транзисторах типа П210А, соединенных последовательно и работающих в режиме переключения. Рабочая частота 18 кГц + 7,5%; потреб­ ляемая мощность генератора 400 Вт; выходная мощность 250 Вт, общий к. п. д. 63%; масса 15 кг, габариты 400X

X 310 X 190 мм.

Ультразвуковой генератор УЗГ 1-0,6 собран на полу­ проводниковых триодах, но в отличие от двух предыдущих генераторов может быть использован для питания как для пьезоэлектрических, так и магнитострикционных преобра­ зователей. Генератор выполнен в виде двух блоков, ко­ торые можно встроить в отдельный кожух или в каркас любого технологического устройства. Потребляемая мощ­ ность генератора 1 кВт, выходная мощность 600 Вт, рабочая частота 18 кГц.

Использование рассмотренных ультразвуковых генера­ торов подтвердило их высокие эксплуатационные показа­ тели и пригодность для практического использования. Сравнение транзисторных генераторов с ламповыми пока­ зывает их несомненное преимущество по энергетическим показателям. Например, ламповый генератор УМ2-0.1 имеет общий к. п. д. 25%, в то время как транзисторный генератор той же мощности УЗГ4-0,1 — 65%. Разработаны и эксплуатируются образцы транзисторных генераторов мощностью 1,6 и 2,5 кВт [75]. Современное состояние полупроводниковой техники дает реальную возможность на мощностях до 1,6 кВт использовать преимущественно ультразвуковые генераторы на транзисторах. Другим направлением в развитии ультразвуковых генераторов является расширение их частотного диапазона. Исполь­ зование новых типов кремниевых транзисторов в ультра­ звуковых генераторах позволит расширить их частот­ ный диапазон свыше 100 кГц без заметного ухудшения к. п. д.

При лабораторных исследованиях часто возникает не­ обходимость в ультразвуковых генераторах с широким диапазоном частот и нагрузок, способных работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах с большими

94

пределами регулирования частоты следования импульсов их длительности и большой надежностью в работе.

В ЦКБ УВУ разработан ультразвуковой генератор со следующими техническими параметрами [23]: диапазон генерируемых частот 10—50 кГц; стабильность частоты задающего генератора 1 • ІО-4; мощность в непрерывном и импульсном режимах 630 Вт; длительность генерируе­ мого импульса 20—600 мкс; период следования импуль­ сов 0,5—3 с; нагрузкой генератора могут служить пре­ образователи с сопротивлениями 50—300 Ом; питание от

задающий генератор, буферный и мощный каскады, ка­ скад предварительного усилителя, генератор пилообраз­ ного напряжения, заторможенный мультивибратор и источники питания. Отличительная особенность схемы ге­ нератора — построение выходного каскада (усилителя мощности) на полупроводниковых триодах.

Конструктивно генератор выполнен в виде трех бло­ ков. В верхнем блоке размещены задающий генератор, буферный каскад, предварительный усилитель мощности, цепи подмагничивания и накала, блок манипулирующего устройства с питанием. В среднем блоке смонтирован уси­ литель мощности, в нижнем — расположена катушка с раз­ делительными и компенсирующими емкостями и батарея конденсаторов фильтра выпрямителя мощного выходного блока.

Для исследовательских и опытных работ с магнитострикционными преобразователями в диапазоне частот от 5 до 50 кГц создан специальный генератор 27-УЗГИ-М-1,5 [35]. В нем предусмотрены возможность плавного изме­ нения частоты и входной мощности в широких пределах, работа в непрерывном и импульсном режимах с регулиро­ ванием длительности импульса и скважности. Для кон­ троля за работой генератора предусмотрены вольтметр, измеряющий анодное напряжение, амперметр, измеряю­ щий анодный ток и токи экранирующих сеток генератор­ ных ламп, высокочастотный ваттметр, измеряющий актив­ ную мощность, отбираемую магнитострикционными излу­ чателями.

Большинство современных ультразвуковых технологи­ ческих установок состоит из ультразвукового генератора и ультразвукового преобразователя, являющегося на­ грузкой генератора, работающих на определенной резо-

95

нансной частоте. Однако во время работы может произойти уход резонансной частоты, основными причинами которого являются [30]: нагрев элементов преобразователей, из­ менение их геометрических размеров (например, износ инструментов при обработке труднообрабатываемых мате­ риалов), нелинейность собственных параметров преобра­ зователя и изменение внешней нагрузки на преобразова­ тель (например, при ультразвуковой сварке, дегазации сплавов и др.). Все это приводит к снижению стабиль­ ности работы и к. п. д. генератора. Для поддержания по­ стоянного режима и высокого к. п. д. генераторов при из­ менении резонансных характеристик нагрузки нашли при­ менение схемы с акустической обратной связью (АОС), автоматически поддерживающие частоту генератора с ре­ зонансной частотой преобразователя. Обратная связь может быть достигнута по току или напряжению, снимае­ мому с цепи питания преобразователя, и применением раз­ личных резонансных датчиков, создающих акустическую обратную связь между преобразователем и генератором.

Хорошие результаты дает сочетание акустической об­ ратной связи с электрической обратной связью (ЭОС), когда напряжение акустической обратной связи сни­ мается с обмотки резонансного датчика, а напряжение электрической обратной связи снимается с дополнитель­ ной обмотки, связанной с анодным контуром генератора. Такая схема повышает эксплуатационные характеристики ультразвуковых генераторов, создает стабильный и эко­

номичный режим при работе с переменной нерегулируе­ мой нагрузкой.

Ультразвуковые генераторы с самовозбуждением су­ щественно отличаются по схемному решению от генерато­ ров, работающих на параллельный колебательный контур. Для автоматической подстройки частоты (АПУ) на макси-, мум акустического излучения в схемах генераторов при-. меняют различные способы обратной связи [51 ], напри­ мер, связь по току, акустическая обратная связь или сме­ шанная связь (по напряжению и по механическим коле­ баниям). Применение методов анализа генераторов по реактивным сопротивлениям цепи в этих случаях очень затруднительно. Наиболее целесообразным является метод амплитудно-фазовых характеристик. При аналитическом рассмотрении вся схема разбивается на несколько после­ довательных участков или звеньев. Для каждого участка определяется коэффициент передачи синусоидального сиг-

96

нала как комплексное отношение выходного сигнала к входному.

На практике часто используют метод автоматической подстройки частоты ультразвуковых генераторов при об­ ратной связи по току и приведены примеры расчетов. При использовании входной проводимости преобразователя и применении компенсирующей электрической емкости и по­ лосовых фильтров возможна почти точная автоматическая подстройка частоты в некотором диапазоне, обычно доста­ точном для практических целей. Конструктивное выпол­ нение генератора в этом случае получается сравнительно простым и можно обойтись без предварительных усилите­ лей. Использование входной проводимости может дать хорошие результаты и в том случае, когда один генератор работает на несколько параллельно соединенных преобра­ зователей. При неизбежном разбросе частот отдельных преобразователей такая система позволяет настраиваться на максимум активной составляющей тока, т. е. на макси­ мум акустической мощности, излучаемой всеми преобра­ зователями. Существуют и другие методы автоматической подстройки частоты, которые находят практическое при­ менение в различных технологических процессах [18], [51], [53].

В некоторых случаях применения ультразвуковых уста­ новок необходима стабилизация выходной мощности гене­ ратора. Задача эта может быть решена стабилизацией вы­ ходного напряжения генератора. В работе [73] рассмотрен стабилизатор напряжения, основанный на автокомпенсационном способе регулировки выходного напряжения с помощью управляемого дросселя, включенного в цепь выхода генератора последовательно с нагрузкой. Важное значение имеют вопросы оптимального согласования системы генератор—преобразователь — технологическая среда. Расстройка колебательной системы и изменение мощности, вводимой в нагрузку, зависят от величины и характера сопротивления системы, внутреннего сопро­ тивления преобразователя, коэффициента усиления и типа применяемого трансформатора скорости.

Исходя из общей эквивалентной схемы преобразова­ теля как системы с распределенными параметрами [30], выведены уравнения для активной и реактивной состав­ ляющих нагрузки, приведенных к активным стержням через концентратор и накладку преобразователя. Чисто активная нагрузка, приведенная к активным стержням

пакета, кроме активной составляющей вносит еще отри­ цательную реактивную составляющую. Согласование пре­ образователя с технологической средой предусматривает такой режим электромеханической колебательной си­ стемы, при котором в нагрузку поступает мощность, близ­ кая к максимальной при достаточно высоком к. п. д. си­ стемы. Эффективным методом, позволяющим значительно повысить к. п. д. преобразователя, является обеспечение его питания от генератора с автоматической регулировкой амплитуды (АРА) на рабочем торце. При этом снижаются до минимума механические потери, а мощность, потребляе­ мая генератором и вводимая в нагрузку, изменяется в соот­ ветствии с приложенной механической нагрузкой.

Обычно при использовании серийной ультразвуковой аппаратуры с автоматической подстройкой частоты под­ ключается лишь один преобразователь. Однако такая схема включения не является оптимальной, учитывая, что выходная мощность генераторов может обеспечить одно­ временную работу нескольких преобразователей. Поэтому целесообразно при выполнении технологических операций на нескольких однотипных позициях, особенно при авто­ матизации процесса, использовать всего один ультразвуко­ вой генератор. Существует схема подключения трех магнитострикционных преобразователей к генератору УЗГ-10У с акустической обратной связью. По этой схеме обратную связь с колебательным контуром генера­ тора имеет только один из трех преобразователей, который и будет обеспечивать автоматическую подстройку частоты. Остальные два работают в режиме вынужденных колеба­ ний, частота которых не зависит существенно от их аку­ стических параметров. Применение схемы подключения возможно при условии, когда собственные частоты пре­ образователей отличаются не более чем на 40—50 Гц [167].

Конструкции источников питания ультразвуковых тех­ нологических установок, как и любая область техники, непрерывно совершенствуются. Перед проектировщиками стоит задача создания ультразвуковых генераторов с улуч­ шенными энергетическими и эксплуатационными харак­ теристиками и повышенной надежностью. Это может быть достигнуто применением новых тиратронов, деталей с боль­ шим сроком службы, а также полупроводников. Уделяется значительное внимание и созданию машинных генераторов большой мощности, а также импульсных генераторов, применяющихся для предотвращения накипеобразований.

98

Г л а в а III ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

В ПРОЦЕССАХ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЖИРИВАНИЯ

Одним из наиболее перспективных направлений исполь­ зования ультразвука на машиностроительных заводах яв­ ляется очистка поверхности деталей и узлов от жировых и механических загрязнений. Качество очистки поверх­ ности деталей и узлов механизмов во многом предопре­ деляют срок их службы и надежность работы. Особенно тщательная очистка нужна для деталей быстровращаю­ щихся устройств, подшипников, электрических контактов, реле, топливной аппаратуры, а также деталей электрон­ ной, вычислительной техники, часовых механизмов, опти­ ческих приборов и т. д. Механическая ручная очистка даже с применением различных растворов не всегда отве­ чает требованиям современного промышленного произ­ водства. Если же детали имеют сложную форму с трудно­ доступными отверстиями и полостями, то их хорошо очи­ стить практически невозможно. Высококачественная очистка деталей от жировых загрязнений занимает важное место в современной технологии массового производства. Долгое время на многих машиностроительных заводах для очистки применяли струйные моечные машины, ко­ торые не всегда обеспечивают необходимую чистоту дета­ лей. Кроме струйных машин применяют и другие методы очистки: пескоструйный, дробеметный, гидравлический, химическое и электрохимическое обезжиривание, про­ мывка органическими растворителями, керосином под дав­ лением, выжиганием нагара и многие другие. Однако все эти методы не отвечают современным требованиям техно­ логических процессов.

: Внедрение на многих промышленных предприятиях ультразвукового технологического оборудования позволя­ ет сэкономить огромные средства. Особенно это характер­ но для таких предприятий, где ультразвуковые установ­ ки для очистки могут быть включены в автоматическую или полуавтоматическую линию технологического процесса.