СИММЕТРИЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 1996 года по МПК B06B1/00 

Изобретение может найти применение в машиностроительной, судостроительной промышленностях и других отраслях народного хозяйства, в качестве составной части колебательной системы ультразвуковой частоты, например, в процессах резания металлов и обработки металлов давлением.

Известны трансформаторы колебательной скорости, предназначенные для передачи энергии колебаний от площадей с малыми поперечными размерами, к площадям, размеры которых превышают длину полуволны, например, колебательные системы или их элементы по авторским свидетельствам N 227736, 231244. Однако они не обеспечивают однородного или "поршневого" распределения смещений на выходной поверхности (см. И.И. Теумин "Ультразвуковые колебательные системы"). Трансформатор с наружной поверхностью в виде цилиндра и внутренней поверхностью в виде параболоида (по авт. св. N 227736, кл. B 06 b 1/08, 1967 г. ) предназначен для передачи продольных колебаний на резонансной частоте системы, однако, не может быть использован для согласования элементов с различными размерами наружных диаметров, например, кольцевых сопрягаемых поверхностей, так как имеет различные площади сечений, нормальных оси симметрии, и не обеспечивает "поршневых" колебаний на выходной поверхности в широком диапазоне частот, однородности распределения амплитуды колебаний при изменении частоты и нагрузки, устойчивости системы к заданным формам колебаний. Трансформатор, выполненный в виде пологого усеченного кругового конуса (по авт. св. N 231244, кл. B 06 b 1/08, 1966 г.) имеет угол между наружной поверхностью и осью симметрии более 40 градусов и предназначен для излучения в технологическую среду посредством возбуждения на выходной поверхности изгибных колебаний.

Наиболее близким по способу технической реализации к данному изобретению является колебательная система по авт. св. N 278272 (кл. B 06 b 1/00), в которой переходные элементы выполнены в виде полых усеченных конусов.

Вместе с тем эта система не обеспечивает эффективной передачи "поршневых" колебаний в технологические объекты и среды входные размеры которых значительно превышают длину волны продольных колебаний.

Предметом данного изобретения является создание симметричного трансформатора колебательной скорости, обеспечивающего передачу "поршневых" колебаний с поверхности, размеры которой значительно меньше длины волны, на поверхности с размерами существенно большими длины волны на резонансной частоте системы.

Заявленный эффект достигается за счет формирования трансформатора колебательной скорости с заданными размерами входной и выходной поверхностей в виде осесимметричной конической оболочки, площади поперечных сечений которой, перпендикулярных ее оси симметрии равны и ориентированы относительно поверхности центров масс с прямолинейной образующей, как это показано на фиг. 1, либо наружной конической поверхности с прямолинейной образующей, как это показано на фиг. 2.

Экспериментально установлено, что устойчивость "поршневых" форм колебаний в оболочечном трансформаторе колебательной скорости обеспечивается до угла раскрытия не более 40 градусов, как это показано на фиг. 3 и фиг. 4. Определение высоты трансформатора колебательной скорости при заданных из конструктивных соображений размерах входного и выходного диаметров "поршневой" оболочки, осуществляется по числа полуволн продольных колебаний в трансформаторе колебательной скорости на резонансной частоте колебательной системы. Расчет резонансной длины (высоты) поршневого трансформатора колебательной скорости по данному изобретению должен осуществляться по длине образующей конической поверхности центров масс в 1 случае (фиг. 1) и по криволинейной поверхности центров масс во 2 случае (фиг. 2).

Расчет геометрической формы поршневого трансформатора колебательной скорости в 1 случае осуществляется по формулам:
(1)
где α угол раскрытия между осью симметрии и образующей конической поверхности центров масс α∈[0,40^°]
диаметр образующей конической поверхности центров масс на выходном торце трансформатора.

диаметр образующей конической поверхности центров масс на входном торце трансформатора.

f частота колебаний.

n целое число полуволн.

C скорость распространения колебаний в материале.

(2)
где Н высота трансформатора.

(3)
где D_x наружный диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении Х.

h_x расстояние от входного торца трансформатора до рассматриваемого сечения Х. h_x∈ [0,H].

D_вых наружный диаметр оболочки трансформатора на выходном торце.

D_вх наружный диаметр оболочки трансформатора на входном торце.

(4)
где d_x внутренний диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении Х.

d внутренний диаметр оболочки трансформатора на входном торце.

Расчет геометрической формы поршневого трансформатора колебательной скорости во 2 случае осуществляется по формулам:
(5),
где

Система (5) решается относительно неизвестных параметров Н и α
где Н высота трансформатора.

C скорость распространения колебаний в материале.

f частота колебаний.

n целое число полуволн.

D_вх наружный диаметр оболочки трансформатора на входном торце.

D_вых наружный диаметр оболочки трансформатора на выходном торце.

d внутренний диаметр оболочки трансформатора на входном торце.

a угол раскрытия между осью симметрии и наружной конической поверхностью. α∈[0,40^°]
d_x= D_вх+2•h_x•tgα (6)
где D_x наружный диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении Х.

h_x расстояние от входного торца трансформатора до рассматриваемого сечения Х. h_x∈[0,H]
(7)
где d_x внутренний диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении Х.

Экспериментально установлено, что при любом другом законе изменения формы поперечного сечения трансформатора колебательной скорости увеличение ее выходного размера относительно размеров входного торца за счет угла раскрытия даже на 5 градусов (для экспоненциального, катеноидального и случая равной толщины стенки в поперечном сечении) вызывает нарушение "поршневой" формы колебаний в оболочке и возникновение на выходном торце сложного волнового рельефа в виде изгибных, сдвиговых и других видов эпюр распределения колебательной скорости.

Физическая сущность описанного эффекта объясняется благоприятными условиями "взаимодействия" между смежными равновеликими поверхностями "равных фаз", через которые происходит распределение энергии упругих колебаний. Моделью оптимизации этого взаимодействия может служить известное из теоретической механики положение о коэффициенте передачи энергии равном единице массами равной величины. При определенных геометрических соотношениях поверхностей, образующих тело трансформатора колебательной скорости (волновода) этот механизм работает до тех пор, пока площади (а следовательно и массы) взаимодействующих объемов, ограниченных поверхностями "равных фаз", остаются равными друг другу, что эквивалентно распространению нормальных форм колебаний без отражения от стенок волновода.

Как было показано выше, наибольшей устойчивостью к "поршневым" формам колебаний характеризуются волноводы равновеликих сечений. ЫЫЫ1 ЫЫЫ2 ЫЫЫ3

Использование: в качестве составной части ультразвуковой колебательной системы. Сущность изобретения: трансформатор колебательной скорости содержит оболочку равновеликих сечений, выполненную в виде полого осесимметричного волновода с криволинейной или конической образующей поверхностей центров масс, поперечные размеры которого на выходном торце больше размеров на входном торце. Дан расчет координат образующей поверхностей центров масс оболочки. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Симметричный трансформатор колебательной скорости переменного сечения ультразвукового преобразователя, содержащий оболочку равновеликих сечений, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности передачи колебаний в технологические объекты и среды, оболочка выполнена в виде полого осисемметричного волновода с криволинейной или конической образующей поверхностей центров масс, поперечные размеры которого на выходном торце больше размеров на входном торце. 2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что для оболочки с конической образующей поверхности центров масс ее координаты рассчитываются по формулам

где α угол раскрытия между осью симметрии и образующей конической поверхности центров масс,
α ∈ [0^°; 40^°],
диаметр образующей конической поверхности центров масс на выходном торце трансформатора;
диаметр образующей конической поверхности центров масс на входном торце трансформатора;
f частота колебаний;
n целое число полуволн;
c скорость распространения колебаний в материале;

где H высота трансформатора;

где D_x наружный диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении X;
h_x- расстояние от входного торца трансформатора до рассматриваемого сечения Х, h_x∈ [O,H];
D_вых наружный диаметр оболочки трансформатора на выходном торце;
D_вх наружный диаметр оболочки трансформатора на входном торце;

где d_x внутренний диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении X;
d внутренний диаметр оболочки трансформатора на входном торце. 3. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что для оболочки с криволинейной образующей поверхности центров масс ее координаты рассчитываются по формулам

система решается относительно неизвестных параметров Н и α
где Н высота трансформатора;
с скорость распространения колебаний в материале;
f частота колебаний;
n целое число полуволн;
D_вх наружный диаметр оболочки трансформатора на входном торце;
D_вых наружный диаметр оболочки трансформатора на выходном торце;
d внутренний диаметр оболочки трансформатора на входном торце;
a угол раскрытия между осью симметрии и наружной конической поверхностью, α ∈ [0^°; 40^°]
D_x D_вх + 2•h_x•tgα
где D_x наружный диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении X;
h_x расстояние от входного торца трансформатора до рассматриваемого сечения Х, h_x∈ [O; H];

где d_x внутренний диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении X.