ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК B06B1/08 H04R15/00 

Изобретение относится к устройствам для электроакустического преобразования энергии посредством магнитострикционного преобразователя и передачи ее в нагрузку, которой может быть жидкая среда или твердое тело, посредством соединенного с ним акустического трансформатора упругих колебаний и может быть использовано в технологических устройствах и системах, в которых воздействующим фактором являются механические колебания.

Известно устройство, содержащее магнитострикционный преобразователь в виде пакета пластин из магнитострикционного материала, соединенный с акустическим трансформатором продольных колебаний посредством механического разъемного соединения [1]. Достижению указанного ниже технического результата при использовании такой конструкции соединения препятствует то обстоятельство, что механические разъемные соединения любого известного вида создают в соединяемых частях устройства статические механические напряжения, вызванные локальными деформациями этих частей из-за натяга в разъемном соединении. На изначально напряженное состояние такого устройства при его работе накладываются циклические механические напряжения, обусловленные спецификой функционирования резонансных акустических колебательных устройств, к которым относятся электроакустические магнитострикционные излучатели. Совместное действие статических и знакопеременных циклических напряжений приводит к несимметричному механическому перенагружению элементов устройства, которое является известной причиной потери прочности конструкции, завершающейся растрескиванием частей излучателя или элементов разъемного соединения. Известно, что прочность излучателей зависят в основном от качества присоединения пакетов к трансформатору упругих колебаний [2].

Известен электроакустический магнитострикционный излучатель для передачи акустической энергии в жидкие среды, состоящий из пакета пластин магнитострикционного материала, соединенного с акустическим трансформатором изгибных колебаний в виде пластины посредством сварного соединения [2]. Недостатком такого устройства в отношении достижения указанной ниже цели является низкий предел выносливости сварного соединения при циклических знакопеременных нагружениях, возникающих в сварном соединении и вблизи него при работе устройства. Низкий предел выносливости (циклической прочности) объясняется образующимися в процессе сварки и при остывании сварного соединения статическими напряжениями в металле пластин магнитострикционного пакета и акустического трансформатора, а также структурно-химическими изменениями, вызванными термическим воздействием при сварке и сплавлением (взаимным растворением с образованием интерметаллидов) разнородных металлов магнитострикционного пакета и акустического трансформатора.

Известны излучатели с акустическими трансформаторами как продольных, так и изгибных [2] упругих колебаний, в которых магнитострикционный преобразователь в виде пакета пластин присоединен к акустическому трансформатору посредством прослойки твердого припоя. Выносливость у паяных соединений по отношению к воздействию циклических нагрузок выше, чем у сварных [3, 4]. Однако все признаки, характеризующие конструкцию устройства по [2]:
- минимальный размер прослойки припоя в направлении продольных колебаний излучателя (толщина), ограниченный толщиной пластинки твердого припоя, используемой при пайке;
- предварительное плотное сжатие пластин в пакете перед пайкой;
- сжатие паяемых деталей за счет собственного веса пакета;
- подготовка к пайке (шлифование, обезжиривание) только торцевой части пакета, указывают на то, что прочность паяного соединения рассчитывается из условия малых значений разрушающих усилий, действующих на него в процессе работы и только в направлении продольных колебаний [2, 3]. При использовании устройств такой конструкции невозможно обеспечить высокую прочность по следующей причине. Наряду с механическими усилиями растяжения-сжатия, действующими на прослойку припоя в направлении продольных колебаний излучателя, которые действительно не велики и растут лишь при увеличении реактивной составляющей акустической нагрузки, при выходе системы из резонанса и увеличении переносимой энергии, на нее воздействуют срезывающие усилия, направленные по ширине пластин пакета и обусловленные поперечными колебаниями пакета под воздействием тангенциальной составляющей магнитного потока в накладках пакета (поперечной моды колебаний) [5]. Как известно, предел выносливости на срез при циклических нагрузках для серебряных припоев, которые преимущественно используются для соединения магнитострикционных пакетов с акустическими трансформаторами, вдвое меньше предела выносливости на растяжение-сжатие [6] . В теории надежности прочность конструкций, эксплуатирующихся при циклических нагрузках, рассчитывается из условия [7]:

где σ_max - максимальное механическое напряжение;
σ_-1 - предел выносливости материала припоя при циклическом растяжении-сжатии;
k - запас прочности.

Применительно к сдвиговым деформациям в известном устройстве

где τ_max - максимальное механическое касательное напряжение в прослойке припоя;
τ_-1 - предел выносливости материала при циклическом сдвиге;
μ - постоянная Ламе (модуль сдвига) материала;
γ_max - максимальная сдвиговая деформация;
P_max,b - максимальное срезывающее усилие в прослойке припоя от поперечных колебаний пакета;
Т - ширина паяного соединения, равная толщине пакета;
t - толщина прослойки припоя.

Из приведенных выражений и описания известного устройства видно, что минимизация касательных напряжений, а следовательно, и повышение прочности паяного соединения возможно только за счет выбора μ, то есть материала припоя, тогда как T и t лимитированы признаками известного устройства.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков в отношении поставленной цели является ультразвуковой магнитострикционный излучатель, содержащий стержневой пакет магнитострикционных пластин и акустический трансформатор упругих колебаний, на сопрягаемых поверхностях которых выполнены гребенчатые рифления одинакового профиля, а соединение этих поверхностей между собой осуществлено посредством прослойки припоя, расположенной между ними [8]. Выражение для описания максимальных сдвиговых напряжений в таком устройстве принимает вид

где α - угол при вершине гребня рифления. Из выражения видно, что при том же, что у предыдущего аналога, значении толщины прослойки припоя, за счет изменения ее пространственного вида уменьшено значение действующих сдвиговых напряжений.

К причинам, препятствующим достижению технического результата, являющегося целью изобретения, при использовании описанного устройства, принятого за прототип, относится то, что при работе известного устройства на реальную нагрузку и возникновении вследствие этого в прослойке припоя продольных усилий P_max,l, раскладывающихся на гранях гребней рифления на нормальные и касательные, последние совпадают по направлению с касательными составляющими усилий, вызванных поперечными колебаниями пакета. Это явление не только может ослабить достигнутый в прототипе положительный эффект, но полностью скомпенсировать и даже сделать его отрицательным. Выражение для максимальных сдвиговых напряжений с учетом работы прототипа на реальные реактивные нагрузки примет вид

Сущность изобретения заключается в следующем.

Важное значение для любых конструкций, работающих в режиме циклических нагрузок, в особенности для ультразвуковых электроакустических излучателей, имеет повышение их циклической прочности. Следует отметить, что за время среднестатистической наработки на отказ, составляющей для современных ульраакустических устройств с магнитостирикционными преобразователями несколько тысяч часов, последние при стандартных ультразвуковых частотах испытывают 10¹⁰-10¹¹ циклов деформаций, вызванных резонансными колебаниями. Известно [7] , что в условиях интенсивных переменных механических нагрузок механизм разрушения даже таких пластичных материалов, как припои, приобретает характер хрупкого растрескивания. Трещина, зародившаяся в любой области прослойки припоя, развиваясь под действием существующих деформаций, может привести к разрушению всего соединения и выходу из строя всего устройства. Такой процесс носит лавинный характер и называется катастрофическим отказом, так как растрескивание сопровождается многократным увеличением действующих механических напряжений особенно при вершине трещины.

Технический результат использования изобретения - повышение циклической прочности паяного соединения пакета магнитострикционных пластин с акустическим трансформатором упругих колебаний (наиболее уязвимого для растрескивания и разрушения элемента конструкции электроакустических магнитострикционных излучателей), а следовательно, повышение надежности и долговечности устройства в целом.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в электроакустическом магнитострикционном излучателе, содержащем соединенные между собой прослойкой припоя пакет из пластин магнитострикционного материала и акустический трансформатор, пластины пакета размещены с зазорами и соединены между собой прослойками припоя, причем прослойки припоя между пластинами пакета составляют одно целое с прослойкой припоя, соединяющей пакет и акустический трансформатор, а размер s прослоек припоя по длине пакета является минимальным по абсолютной величине положительным корнем трансцендентного уравнения:

где λ,μ - постоянные Ламе для материала припоя;
Δb_max - максимальное смещение поперечной моды колебаний пакета;
Δl_max - максимальное смещение продольной моды колебаний пакета;
b - ширина пластины пакета;
l - длина пакета.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что в электроакустическом магнитострикционном излучателе соединяемые поверхности пакета пластин и акустического трансформатора имеют гребенчатые рифления.

Наличие прослоек припоя, соединяющих между собой пластины магнитострикционного пакета, увеличивает его жесткость по ширине и создает при работе устройства дополнительные усилия, противодействующие поперечным колебаниям в накладке пакета, следовательно, уменьшающим сдвиговые деформации и механические напряжения в прослойке припоя, соединяющей пакет с акустическим трансформатором. Тот факт, что прослойки припоя между пластинами пакета составляют одно целое с прослойкой припоя, соединяющей пакет и акустический трансформатор, делает ширину прослойки, соединяющей пакет с акустическим трансформатором, большей, нежели суммарная толщина пластин пакета в месте его соединения с акустическим трансформатором, что также снижает величину максимальных напряжений в ней. Равенство прочности прослоек припоя, соединяющих между собой пластины пакета, и прочности прослойки, соединяющей преобразователь с акустическим трансформатором, уравнивает вероятность возникновения в любой части монолитной паяной конструкции усталостных разрушений. Все это вместе обеспечивает максимальную циклическую прочность соединения пакета с акустическим трансформатором, то есть позволяет достигнуть поставленной цели изобретения. При исследовании отличительных признаков описываемого излучателя не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся соединения между собой пластин в накладке пакета с целью повышения прочности и надежности конструкции.

На фиг. 1 изображен двухстержневой электроакустический магнитострикционный излучатель (главный вид, соотношения размеров и масштаб условные).

На фиг.2 дана выноска с главного вида, где показан фрагмент паяной конструкции (выделен штриховкой), для которого рассчитывается равнопрочность конструкции с переменной величиной s - размер прослойки между пластинами пакета в направлении продольных колебаний.

На фиг. 3 приведен вид сверху на излучатель, изображенный на фиг.1, где ниже осевой линии показана часть излучателя с рифлением соединяемых поверхностей пакета и акустического трансформатора, выше осевой линии - без рифления, что можно рассматривать как частный случай прототипа с углом α при вершине гребня рифления равным π.
На фиг.4 в аксонометрии показан фрагмент паяной конструкции (выделен жирными линиями), для которого выполняется расчет равнопрочности (соотношения размеров и масштаб условные). Эпюрами показаны действующие при работе устройства механические напряжения.

На фиг.5 приведена фотография фрагмента излучателя, разрушенного в результате растрескивания прослоек припоя.

На фиг. 6 приведена фотография фрагмента пластины пакета с остатками прослойки припоя, отделившейся от преобразователя и акустического трансформатора при разрушении излучателя.

Электроакустический магнитострикционный излучатель (фиг.1, 2, 3) содержит электроакустический ультразвуковой преобразователь в виде, например, состоящего из пластин магнитострикционного материала двухстержневого пакета 1 с обмоткой возбуждения 2, намотанной на стержни (стержень) 3, и акустический трансформатор упругих механических колебаний 4, присоединенный к накладке пакета 5 посредством прослойки припоя 6. Пластины в накладке пакета ультразвукового преобразователя соединены между собой прослойками припоя 7, составляющими с прослойкой припоя 6, соединяющей преобразователь и акустический трансформатор, монолитную конструкцию, и равнопрочными этой прослойке по отношению к максимальным механическим напряжениям (фиг.4), возникающим в них при работе излучателя на резонансной частоте продольной моды колебаний.

Излучатель работает следующим образом. Ток возбуждения в обмотке 2 инициирует в пакете преобразователя 1 переменный магнитный поток, который посредством магнитострикции вызывает продольные деформации стержней пакета 3 и поперечные - накладок 5. Возникающие циклические деформации создают в паяной констркции (системе прослоек 6, 7) механические напряжения сдвига и растяжения-сжатия с максимальными значениями τ_max,b;σ*max,b

'σ_max,b;σ_max,l (фиг.2), последние два из которых имеют наибольшие значения при работе преобразователя на резонансной частоте продольной моды колебаний [9]. При этом прослойки припоя между пластинами пакета принимают на себя часть механической нагрузки от порождаемых поперечной модой колебаний пакета усилий, которая в известных, описанных выше аналогах и прототипе целиком испытывается прослойкой, соединяющей пакет с акустическим трансформатором.

В местах сопряжения прослоек, соединяющих пластины накладки пакета с прослойкой, между акустическим трансформатором и пакетом возникает сложное переменное напряженное состояние, в котором растягивающе-сжимающие напряжения, действующие в первых, переходят в сдвиговые, преимущественно действующие во второй. Поскольку паяная конструкция монолитна, максимальные значения сдвиговых напряжений становятся при этом меньше, чем у прототипа:

где N - число пластин в пакете;
δ - толщина пластины пакета.

При соблюдении условия равнопрочности элементов паяной конструкции:
,
где обобщенное допустимое механическое напряжение в прослойке припоя между пакетом и акустическим трансформатором;
обобщенное допустимое механическое напряжение в прослойке припоя между пластинами, вероятность возникновения в них усталостных разрушений будет одинаковой, что обеспечивает максимальную устойчивость конструкции к хрупкому растрескиванию.

Пример расчета равнопрочности, опирающийся на известный уровень техники и подтверждающий возможность осуществления изобретения, следующий.

Расчет выполняется для фрагмента конструкции, показанного на фиг.4, так как для всех остальных идентичных фрагментов, а следовательно, и для всей конструкции условия равнопрочности аналогичны. Используя обобщенный закон Гука [7] , волновое уравнение синусоидальной упругой волны [9], правило разложения векторов на ортогональные компоненты и условие циклической прочности, полагая, что деформации по толщине пакета пренебрежимо малы, для элемента изображенного на фиг.4

Подстановкой полученных выражений в условие равнопрочности и преобразованием его с исключением величин второго порядка малости получается трансцендентное уравнение:

решение которого относительно переменной s (минимальный по абсолютной величине положительный корень) и будет удовлетворять условию равнопрочности.

Повышение запаса прочности Δk также может быть вычислено из значений сил противодействия паяных конструкций деформациям у прототипа и предлагаемого устройства как

где силы сопротивления поперечной деформации пакета прослойки припоя прототипа и паяной конструкции заявленного излучателя (обобщенная) соответственно.

Все входящие в уравнение константы могут быть получены экспериментально, как справочные данные, или вычислены с использованием известного уровня знаний.

В таблице приведен пример расчета размеров s, удовлетворяющих условию равнопрочности, и соответствующих значений увеличения запаса прочности Δk для вариантов электроакустического магнитострикционного излучателя с двухстержневым преобразователем, аналогичных изображенному на фиг.1, 3, 5 с акустическим высокодобротным трансформатором упругих продольных колебаний.

Подверждение возможности осуществления и достижения поставленной цели изобретения дает также натурный эксперимент. Так, электроакустический магнитострикционный излучатель с акустическим трансформатором продольных упругих колебаний и двухстержневым преобразователем, приведенный на фиг.5 и соответствующий по параметрам таблице (вариант при α = π, т.е. без рифления), был изготовлен следующим образом. Рассчитанный размер s=4,9 мм был выдержан только на правой (по фиг.5) стороне пакета. По направлению влево он монотонно линейно уменьшался до значения на левой стороне пакета, практически равного нулю.

При работе излучателя на сверхноминальную нагрузку произошло разрушение паяной конструкции с отделением крайних левых пластин пакета (одна из них показана на фиг.6), включая крайнюю, утолщенную, что свидетельствует о меньшем запасе прочности у паяной конструкции, где не обеспечено требование равнопрочности. Ресурс работы на такую нагрузку у излучателей, воплощающих признаки ближайших аналогов, оказался еще ниже, чем установленный по результату описанного выше случая отказа.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о способности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.

Источники информации
1. Amza G. H., Folescu С. Theoretical researches and experiments about detartrating using ultrasonic waves. // Sci. Bull. Mech. Ing. Polytechn. Inst. Bucharest. -1990. - 52. - 3-4. - C.117-132.

2. Донской А.В., Келлер O.K., Кратыш Г.С. Ультразвуковые электротехнологические установки. - Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение. - 1982. - 208 с.

3. Холопов Ю. В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение. - 1988. - 224 с.

4. Справочник по пайке./Под ред. И.Е.Петрунина. - М.: Машиностроение, 1984. - 400 с.

5. Ультразвуковые преобразователи. /Под ред. Е. Кикучи. - М.: Мир. - 1972. - 424 с.

6. Рыльников B.C., Губин А.И. Пайка титана серебряными припоями. // Сварочное производство. - 1970. - 1. - С. 32-33.

7. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. - М.: Наука. - 1988. - 712 с.

8. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. - М.: Машиностроение. - 1968. - 365 с.

9. Горелик Г.С. Колебания и волны. - М.: Ф-МЛ. - 1959. - 572 с.

10. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая аппаратура промышленного назначения. - М.: Энергия. 1967. - 264 с.

11. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИИЛ. - 1956. - 726 с.

Изобретение относится к устройствам для электроакустического преобразования энергии посредством магнитострикционного излучателя и передачи ее в нагрузку и может быть использовано в технологических устройствах и системах. Повышение циклической прочности паяного соединения пакета магнитострикционных пластин с акустическим трансформатором упругих колебаний, повышение надежности и долговечности устройства достигаются за счет того, что пластины пакета размещены с зазорами и соединены между собой прослойками припоя. Прослойки припоя между пластинами пакета составляют одно целое с прослойкой припоя, соединяющей пакет и акустический трансформатор. Величина размера s прослоек припоя по длине пакета является минимальным по абсолютной величине положительным корнем трансцендентного уравнения

где λ,μ - постоянные Ламе для материала припоя; τ_-1 - предел выносливости материала припоя при циклическом сдвиге; σ_-1 - предел выносливости материала припоя при циклическом растяжении-сжатии; α≤π - угол при вершине гребня рифления; Δb_max - максимальное смещение поперечной моды колебаний пакета; Δl_max - максимальное смещение продольной моды колебаний пакета; t - толщина прослойки припоя между пакетом и акустическим трансформатором; b - ширина пластины пакеты; l - длина пакета. Соединяемые поверхности пакета пластин и акустического трансформатора имеют гребенчатые рифления. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Электроакустический магнитострикционный излучатель, содержащий соединенные между собой прослойкой припоя пакет из пластин магнитострикционного материала и акустический трансформатор, отличающийся тем, что пластины пакета размещены с зазорами и соединены между собой прослойками припоя, причем прослойки припоя между пластинами пакета составляют одно целое с прослойкой припоя, соединяющей пакет и акустический трансформатор, а величина размера s прослоек припоя по длине пакета является минимальным по абсолютной величине положительным корнем трансцендентного уравнения

где λ, μ - постоянные Ламе для материала припоя;
τ_-1 - предел выносливости материала припоя при циклическом сдвиге;
σ_-1 - предел выносливости материала припоя при циклическом растяжении-сжатии;
α≤π - угол при вершине гребня рифления;
Δb_max - максимальное смещение поперечной моды колебаний пакета;
Δl_max - максимальное смещение продольной моды колебаний пакета;
t - толщина прослойки припоя между пакетом и акустическим трансформатором;
b - ширина пластины пакета;
l - длина пакета. 2. Электроакустический магнитострикционный излучатель по п. 1, отличающийся тем, что соединяемые поверхности пакета пластин и акустического трансформатора имеют гребенчатые рифления.