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

трещины, а затем и к разрушению ферритового сердеч­ ника преобразователя.

Расчет ферритовых преобразователей можно сделать исходя из следующей зависимости между основными данными излучателя [35]:

Si ctg klt = S 2 tg kl2,

где S lt l i — площадь поперечного сечения и половина длины стержневой части в см; S 2, /2— площадь и длина

накладки в см; k = -jr; с — скорость звука в феррите

всм/с; со = 2л/.

ВСоветском Союзе освоено производство различных по назначению магнитострикционных преобразователей, применяемых во многих технологических процессах. Кон­ структивное оформление преобразователей определяется их назначением. Для обработки жидких сред применяются стержневые, пакетные с плоскими диафрагмами и цилин­ дрические преобразователи. Преобразователи со стерж­ невыми трансформаторами упругих колебаний приме­

няются для возбуждения ультразвуковых колебаний в твердых телах, а также для ввода колебаний в расплав­ ленные металлы и сплавы.

Наряду с уже применяющимися на промышленных предприятиях магнитострикционными преобразователями (ПМС-7, ПМС-11, ПМС-15, ПМС-24 и др.) в последнее время разработан и изготовлен ряд новых преобразова­ телей. Так, ультразвуковые магнитострикционные пре­ образователи со стержневыми трансформаторами ПМС-27, ПМС-39, ПМС-51 (рис. 12, а) предназначены для возбу­ ждения упругих колебаний ультразвуковой частоты в твердых телах и могут быть применены в различных ультразвуковых установках, предназначенных для абра­ зивной обработки долблением твердых и хрупких мате­ риалов, для интенсификации различных технологических процессов и других технологических и лабораторных целей.

По сравнению с аналогичными отечественными и за­ рубежными образцами в указанных выше преобразова­ телях в результате рационального выбора конструкцион­ ных элементов и технологии изготовления имеются сле­ дующие преимущества: 1) значительно снижен расход дорогостоящего магнитострикционного материала (пермендюра) при одновременном улучшении технических

40

U

Рис. 12. Ультразвуковые магнитострикционные преобразователя:

а — ПМС-51* б — ПМС-15А-18; в — ПМС-46; г — ПМС-6-22; д — ПМС-58А; е — ЛМС/50А

характеристик преобразователей: 2) дорогостоящая и труднообрабатываемая нержавеющая сталь заменена кон­ струкционной сталью с антикоррозионным покрытием; 3) значительно снижена трудоемкость изготовления в ре­ зультате повышения технологичности ряда деталей и ме­ ханизации их изготовления; 4) вследствие усовершен­ ствования ряда узлов значительно снижена трудоемкость сборочных операций; 5) с применением сменных штуце­ ров, снижающих давление охлаждающей жидкости в бачке, повышена надежность обмотки против кавитационного разрушения изоляционного слоя; 6) наличие фланца на бачке преобразователя обеспечивает удобство и надеж­ ность его монтажа на различных установках; 7) приме­ нение клеммной колодки на корпусе бачка придает пре-

41

образователю законченный вид, что отвечает современным требованиям технической эстетики.

Ультразвуковой магнитострикционный преобразова­ тель ПМС-15А-18 (рис. 12, б) предназначен для возбу­ ждения ультразвуковых колебаний в твердых телах и может также применяться в различных установках, пред­ назначенных для интенсификации технологических про­ цессов, например, дегазации расплавленных металлов и сплавов, диспергирования, некоторых видов очистки и удаления заусенцев с деталей. Преобразователь состоит из следующих частей: двигателя; датчика обратной акусти­ ческой связи (АОС); трансформатора упругих колебаний и бачка с системой охлаждения. Двигатель и датчик АОС выполнены в виде пакетов из штампованных пластин магнитострикционного материала — сплава ЭП207 или К50Ф2 (пермендюр). Трансформатор упругих колебаний имеет форму усеченного конуса с коэффициентом усиле­ ния 1,4.

По сравнению с преобразователем ПМС-15А преобра­ зователь ПМС-15А-18 имеет вдвое большую величину амплитуды смещения, большую номинальную мощность (4 кВт), высокий коэффициент усиления, лучшую нагру­ зочную характеристику, более надежен и технологичен в работе.

Технические характеристики магнитострикционных преобразователей стержневого типа, предназначенных для возбуждения ультразвуковых колебаний в твердых телах, приведены в табл. 3.

Ультразвуковой магнитострикционный преобразова­ тель ПМС-46 (рис. 12, б) предназначен для возбуждения ультразвуковых колебаний в жидких средах. Он может быть использован для интенсификации процессов очистки, электрохимических, гальванических и др. Особенно эф­ фективно применение этого преобразователя в ваннах малого объема. Преобразователь состоит из диафрагмы с двигателями. Отличительной особенностью преобразо­ вателя является равномерно распределенное поле излуче­ ния.

Ультразвуковой магнитострикционный преобразова­ тель ПМС-6-22 (рис. 12, г) предназначен для возбуждения колебаний в жидких средах. Он состоит из активного элемента (двигателя) и трансформатора упругих колеба­ ний (диафрагмы). Двигатель выполнен в виде пакета из штампованных пластин толщиной 0,2 мм. В качестве

42

Т а б л и ц а 3

Технические характеристики ультразвуковых преобразователей

ЭП207 или К50Ф2 (пермендюр). Диафрагма имеет раз­ витую излучающую поверхность квадратной формы. Изго­ товляется из стали 1Х18Н9Т, обладающей высокой стой­ костью к коррозионному и кавитационному разрушению.

Ультразвуковой магнитострикционный преобразова­ тель ПМС-58А (рис. 12, д) предназначен для возбуждения мощных ультразвуковых колебаний в жидких средах. Он может быть использован для интенсификации с по­ мощью ультразвука процессов очистки, электрохимиче­ ских, гальванических и др. Особенно эффективно приме­ нение этого преобразователя в металлургической промыш­ ленности для очистки стальных листов шириной до 800 мм. Преобразователь состоит из двух основных частей: диафрагмы с двигателями и датчиком обратной связи и балки с системой охлаждения. Диафрагма изготовлена

43

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