Această metodă de prelucrare se bazează pe acțiunea mecanică asupra materialului. Se numește ultrasonic deoarece frecvența impacturilor corespunde intervalului de sunete inaudibile (f = 6-10 5 kHz).

Undele sonore sunt vibrații elastice mecanice care se pot propaga doar într-un mediu elastic.

Când o undă sonoră se propagă într-un mediu elastic, particulele de material efectuează vibrații elastice în jurul pozițiilor lor cu o viteză numită oscilativă.

Îngroșarea și subțierea mediului într-o undă longitudinală se caracterizează printr-un exces, așa-numita presiune sonoră.

Viteza de propagare a undei sonore depinde de densitatea mediului în care se deplasează. Când se propagă într-un mediu material, o undă sonoră transportă energie, care poate fi utilizată în procesele tehnologice.

Avantajele tratamentului cu ultrasunete:

Posibilitatea de a obține energie acustică prin diverse tehnici;

Gamă largă de aplicații cu ultrasunete (de la dimensionare la sudare, lipire etc.);

Ușurință în automatizare și operare;

Dezavantaje:

Cost crescut al energiei acustice comparativ cu alte tipuri de energie;

Necesitatea fabricării generatoarelor de vibrații ultrasonice;

Necesitatea fabricării de unelte speciale cu proprietăți și formă speciale.

Vibrațiile cu ultrasunete sunt însoțite de o serie de efecte care pot fi folosite ca fiind de bază pentru desfășurarea diferitelor procese:

Cavitația, adică formarea de bule în lichid și spargerea acestora.

În acest caz, apar presiuni instantanee locale mari, ajungând la 10 8 N/m2;

Absorbția vibrațiilor ultrasonice de către o substanță, în care o parte din energie este convertită în căldură, iar o parte este cheltuită pentru schimbarea structurii substanței.

Aceste efecte sunt folosite pentru:

Separarea moleculelor și particulelor de diferite mase în suspensii eterogene;

Coagularea (mărirea) particulelor;

Dispersarea (zdrobirea) unei substanțe și amestecarea acesteia cu altele;

Degazarea lichidelor sau a topiturii datorită formării de bule mari plutitoare.

1.1. Elemente de instalații cu ultrasunete

Orice dispozitiv cu ultrasunete (USU) include trei elemente principale:

Sursa de vibrații ultrasonice;

Transformator acustic de viteza (hub);

Detalii de prindere.

Sursele de vibrații ultrasonice (UZK) pot fi de două tipuri - mecanice și electrice.

Mecanica convertește energia mecanică, de exemplu, viteza de mișcare a unui lichid sau gaz. Acestea includ sirene cu ultrasunete sau fluiere.

Sursele electrice de testare cu ultrasunete convertesc energia electrică în vibrații elastice mecanice de frecvența corespunzătoare. Există traductoare electrodinamice, magnetostrictive și piezoelectrice.

Cele mai utilizate sunt traductoarele magnetostrictive și piezoelectrice.

Principiul de funcționare al traductoarelor magnetostrictive se bazează pe efectul magnetostrictiv longitudinal, care se manifestă printr-o modificare a lungimii unui corp metalic din materiale feromagnetice (fără a le modifica volumul) sub influența unui câmp magnetic.

Efect magnetostrictiv al diverse materiale diferit. Nichelul și permendurul (un aliaj de fier cu cobalt) au magnetostricție ridicată.

Pachetul unui traductor magnetostrictiv este un miez format din plăci subțiri, pe care este plasată o înfășurare pentru a excita un câmp electromagnetic alternativ de înaltă frecvență în acesta.

Principiul de funcționare al traductoarelor piezoelectrice se bazează pe capacitatea unor substanțe de a-și modifica dimensiunile geometrice (grosime și volum) în câmp electric... Efectul piezoelectric este reversibil. Dacă o placă din material piezoelectric este supusă unei deformări prin compresie sau tensiune, atunci pe marginile ei vor apărea sarcini electrice. Dacă elementul piezoelectric este plasat într-un câmp electric alternativ, atunci se va deforma, provocând vibrații ultrasonice în mediu. O placă vibrantă din material piezoelectric este un traductor electromecanic.

Piezoelementele pe bază de titan de bariu, zirconat de plumb-titan sunt utilizate pe scară largă.

Transformatoarele acustice de viteza (concentratoare ale vibratiilor elastice longitudinale) pot avea formă diferită(fig. 1.1).

Orez. 1.1. Forme de butuci

Acestea servesc pentru a potrivi parametrii traductorului cu sarcina, pentru a atașa sistemul de vibrare și pentru a introduce vibrații ultrasonice în zona materialului prelucrat. Aceste dispozitive sunt tije de diferite secțiuni transversale, realizate din materiale cu rezistență la coroziune și cavitație, rezistență la căldură, rezistență la medii agresive.

1.2. Utilizarea tehnologică a vibrațiilor ultrasonice

În industrie, ultrasunetele sunt utilizate în trei domenii principale: acțiune de forță pentru material, intensificare și control ultrasonic al proceselor.

Acțiune forțată asupra materialului

Se solicita prelucrare mecanică aliaje dure și superdure, obținerea de emulsii stabile etc.

Cele mai frecvent utilizate sunt două tipuri de tratament cu ultrasunete la frecvențe caracteristice de 16-30 kHz:

Prelucrare dimensională pe mașini-unelte folosind unelte;

Curățarea în băi cu mediu lichid.

Principalul mecanism de lucru al mașinii cu ultrasunete este unitatea acustică (Fig. 1.2). Este conceput pentru a seta unealta de lucru în mișcare vibrațională. Unitatea acustică este alimentată de un oscilator electric (de obicei o lampă), la care este conectată înfășurarea 2.

Elementul principal al unității acustice este un convertor magnetostrictiv (sau piezoelectric) al energiei vibrațiilor electrice în energia vibrațiilor mecanice elastice - vibratorul 1.

Orez. 1.2. Unitate acustică de instalare cu ultrasunete

Vibrațiile vibratorului, care este variabil prelungit și scurtat cu o frecvență ultrasonică în direcția câmpului magnetic al înfășurării, sunt amplificate de un concentrator 4 atașat la capătul vibratorului.

O unealtă din oțel 5 este atașată la concentrator astfel încât să rămână un spațiu între capătul său și piesa de prelucrat 6.

Vibratorul este plasat într-o carcasă de ebonită 3, unde este furnizată apă curentă de răcire.

Instrumentul trebuie să aibă forma secțiunii de găuri specificate. Un lichid cu cele mai mici granule de pulbere abrazivă este furnizat în spațiul dintre suprafața de capăt a sculei și suprafața piesei de prelucrat de la duza 7.

De pe partea frontală vibrantă a sculei, granulele abrazive capătă o viteză mare, lovesc suprafața piesei și scot cele mai mici așchii din aceasta.

Deși productivitatea fiecărei lovituri este neglijabilă, productivitatea instalației este relativ mare, ceea ce se datorează frecvenței mari de vibrații a sculei (16-30 kHz) și numărului mare de boabe abrazive care se mișcă simultan cu o accelerație mare.

Pe măsură ce straturile de material sunt îndepărtate, unealta este alimentată automat.

Fluidul abraziv este introdus în zona de procesare sub presiune și elimină deșeurile de prelucrare.

Cu ajutorul tehnologiei cu ultrasunete se pot efectua operatii precum perforarea, daltuirea, gaurirea, taierea, slefuirea si altele.

Pentru curățarea suprafețelor se folosesc băi cu ultrasunete (Fig. 1.3). Părți metalice de la produse de coroziune, pelicule de oxid, uleiuri minerale etc.

Funcționarea unei băi cu ultrasunete se bazează pe utilizarea efectului șocurilor hidraulice locale care apar într-un lichid sub acțiunea ultrasunetelor.

Principiul de funcționare al unei astfel de băi este următorul: piesa de prelucrat (1) este scufundată într-un rezervor (4) umplut cu un mediu detergent lichid (2). Emițătorul vibrațiilor ultrasonice este o diafragmă (5) conectată la un vibrator magnetostrictiv (6) folosind o compoziție adezivă (8). Baia este instalată pe o bază (7). Undele de vibrații ultrasonice (3) se propagă în zonă de muncă unde are loc prelucrarea.

Orez. 1.3. Baie cu ultrasunete

Curățarea cu ultrasunete este cea mai eficientă atunci când se îndepărtează contaminanții din cavitățile greu accesibile, depresiuni și canale mici. În plus, această metodă reușește să obțină emulsii stabile de astfel de lichide nemiscibile prin metode convenționale precum apă și ulei, mercur și apă, benzen și altele.

Echipamentul cu ultrasunete este relativ costisitor, prin urmare este convenabil din punct de vedere economic să folosiți curățarea cu ultrasunete a pieselor de dimensiuni mici numai în condiții de producție în masă.

Intensificarea proceselor tehnologice

Vibrațiile cu ultrasunete modifică semnificativ cursul unor procese chimice. De exemplu, polimerizarea la o anumită intensitate a sunetului este mai intensă. Cu o scădere a puterii sunetului, este posibil procesul invers - depolimerizarea. Prin urmare, această proprietate este utilizată pentru a controla reacția de polimerizare. Schimbând frecvența și intensitatea vibrațiilor ultrasonice, puteți oferi viteza de reacție necesară.

În metalurgie, introducerea în topituri a oscilațiilor elastice de frecvență ultrasonică duce la o zdrobire semnificativă a cristalelor și la o accelerare a formării depunerilor în timpul cristalizării, la o scădere a porozității, la creșterea proprietăților mecanice ale topiturii solidificate și la o scădere. în conţinutul de gaze din metale.

Testare cu ultrasunete proceselor

Cu ajutorul vibrațiilor ultrasonice, este posibilă monitorizarea continuă a progresului procesului tehnologic fără a efectua analize de laborator mostre. În acest scop, dependența parametrilor undei sonore de proprietăți fizice mediu, iar apoi prin modificarea acestor parametri după acțiunea asupra mediului cu suficientă acuratețe pentru a aprecia starea acestuia. De regulă, se folosesc vibrații ultrasonice de intensitate scăzută.

Prin modificarea energiei undei sonore, este posibil să se controleze compoziția diferitelor amestecuri care nu sunt compuși chimici. Viteza sunetului în astfel de medii nu se modifică, iar prezența impurităților de materie suspendată afectează coeficientul de absorbție al energiei sonore. Acest lucru face posibilă determinarea procentului de impurități din materia primă.

Prin reflectarea undelor sonore la interfața dintre medii („transiluminare” cu un fascicul ultrasonic), este posibil să se determine prezența impurităților în monolit și să se creeze dispozitive de diagnosticare cu ultrasunete.

Concluzii: ultrasunete - unde elastice cu o frecvență de vibrație de la 20 kHz la 1 GHz, inaudibile urechea umană... Instalațiile cu ultrasunete sunt utilizate pe scară largă pentru prelucrarea materialelor datorită vibrațiilor acustice de înaltă frecvență.

Deținătorii brevetului RU 2286216:

Invenţia se referă la un dispozitiv pentru curatare cu ultrasuneteși prelucrarea suspensiilor în câmpuri acustice puternice, în special pentru dizolvare, emulsionare, dispersie, precum și dispozitive pentru obținerea și transmiterea vibrațiilor mecanice folosind efectul magnetostricției. Instalația conține un traductor magnetostrictiv cu tijă cu ultrasunete, o cameră de lucru realizată sub forma unei țevi cilindrice metalice și un ghidaj de undă acustică, al cărui capăt emițător este conectat ermetic la fundul țevii cilindrice prin intermediul unui inel elastic de etanșare, iar capătul de recepție al acestui ghid de undă este conectat acustic rigid la suprafața emițătoare a traductorului cu tije ultrasonice... În instalație este introdus suplimentar un emițător magnetostrictiv inelar, al cărui circuit magnetic este presat acustic rigid pe tubul camerei de lucru. Instalare cu ultrasunete formează un câmp acustic cu două frecvențe în mediul lichid prelucrat, ceea ce asigură o creștere a intensificării procesului tehnologic fără a reduce calitatea produsului final. 3 C.p. f-ly, 1 dwg

Invenția se referă la dispozitive pentru curățarea cu ultrasunete și prelucrarea suspensiilor în câmpuri acustice puternice, în special pentru dizolvare, emulsionare, dispersie, precum și dispozitive pentru recepția și transmiterea vibrațiilor mecanice folosind efectul magnetostricției.

Este cunoscut un dispozitiv pentru introducerea vibrațiilor ultrasonice într-un lichid (brevet DE nr. 3815925, V 08 V 3/12, 1989) prin intermediul unui senzor ultrasonic, care este fixat cu un con emițător de sunet prin intermediul unei flanșe izolatoare ermetic. în zona inferioară din interiorul băii lichide.

Cel mai apropiat solutie tehnica la propus este o instalație cu ultrasunete de tip UZVD-6 (A.V. Donskoy, OKKeller, G.S.Kratysh „Instalații electrotehnologice cu ultrasunete”, Leningrad: Energoizdat, 1982, p. 169), care conține un traductor ultrasonic cu tijă, o cameră de lucru realizată în forma unei țevi cilindrice metalice și a unui ghidaj de undă acustic, al cărui capăt emițător este conectat ermetic la partea inferioară a țevii cilindrice prin intermediul unui inel de etanșare elastic, iar capătul de primire al acestui ghid de undă este conectat acustic rigid la emițătorul suprafața traductorului ultrasonic tijă.

Dezavantajul instalațiilor ultrasonice cunoscute identificate este că camera de lucru are o singură sursă de vibrații ultrasonice, care îi sunt transmise de la traductorul magnetostrictiv prin capătul ghidului de undă, ale căror proprietăți mecanice și parametri acustici determină radiația maximă admisă. intensitate. Adesea, intensitatea primită de radiație a vibrațiilor ultrasonice nu poate satisface cerințele procesului tehnologic în raport cu calitatea produsului final, ceea ce face necesară prelungirea timpului de tratare cu ultrasunete a mediului lichid și duce la o scădere a intensitatea procesului tehnologic.

Astfel, dispozitivele cu ultrasunete, analogice și prototip ale invenției revendicate identificate în cursul căutării brevetului, atunci când sunt implementate, nu asigură realizarea rezultatului tehnic, care constă în creșterea intensificării procesului tehnologic fără reducerea calității produsul final.

Invenția propusă rezolvă problema realizării unei instalații cu ultrasunete, a cărei implementare asigură realizarea rezultatului tehnic, care constă în creșterea intensificării procesului tehnologic fără a reduce calitatea produsului final.

Esența invenției constă în faptul că într-o instalație cu ultrasunete care conține un traductor ultrasonic cu tijă, o cameră de lucru realizată sub forma unei țevi cilindrice metalice și un ghid de undă acustică, al cărui capăt emițător este conectat ermetic la fundul conducta cilindrică prin intermediul unui inel elastic de etanșare, iar capătul de primire al acestui ghid de undă conectat acustic rigid la suprafața emitentă a traductorului ultrasonic tijă; în plus, este introdus un emițător magnetostrictiv inelar, al cărui circuit magnetic este presat acustic rigid pe tubul camerei de lucru. În plus, un inel elastic de etanșare este atașat la capătul radiant al ghidajului de undă în zona ansamblului de deplasare. În acest caz, capătul inferior al circuitului magnetic al radiatorului inelar este situat în același plan cu capătul radiant al ghidului de undă acustică. Mai mult, suprafața capătului radiant al ghidului de undă acustică este concavă, sferică, cu o rază a sferei egală cu jumătate din lungimea circuitului magnetic al emițătorului magnetostrictiv inelar.

Rezultatul tehnic se obține după cum urmează. Un traductor ultrasonic cu tijă este o sursă de vibrații ultrasonice care oferă parametrii necesari câmpul acustic din camera de lucru a instalației pentru efectuarea procesului tehnologic, care asigură intensificarea și calitatea produsului final. Un ghid de undă acustic, al cărui capăt emițător este conectat ermetic la partea inferioară a țevii cilindrice, iar capătul de primire al acestui ghid de undă este conectat acustic rigid la suprafața emițătoare a traductorului cu tije ultrasonice, asigură transmiterea vibrațiilor ultrasonice în mediu lichid prelucrat al camerei de lucru. În acest caz, etanșeitatea și mobilitatea conexiunii este asigurată datorită faptului că capătul radiant al ghidajului de undă este conectat la partea inferioară a tubului camerei de lucru prin intermediul unui inel elastic de etanșare. Mobilitatea conexiunii oferă posibilitatea transferului vibrațiilor mecanice de la traductor prin ghidul de undă către camera de lucru, în mediul lichid prelucrat, posibilitatea efectuării procesului tehnologic și, în consecință, obținerea rezultatului tehnic necesar.

În plus, în instalația revendicată, inelul elastic de etanșare este fixat la capătul emițător al ghidajului de undă în zona nodului de deplasare, spre deosebire de prototip, în care este instalat în zona antinodului de deplasare. Ca urmare, în instalația prototip, inelul O atenuează vibrațiile și reduce factorul Q al sistemului de vibrații și, prin urmare, reduce intensitatea procesului tehnologic. În instalația declarată, inelul O este instalat în zona unității de deplasare, astfel încât să nu afecteze sistemul de vibrații. Acest lucru vă permite să treceți mai multă putere prin ghidul de undă în comparație cu prototipul și, prin urmare, să creșteți intensitatea radiației, prin urmare, să intensificați procesul tehnologic fără a reduce calitatea produsului final. În plus, deoarece în instalația revendicată inelul O este instalat în zona ansamblului, adică. în zona de deformații zero, nu se prăbușește din cauza vibrațiilor, păstrează mobilitatea conexiunii capătului radiant al ghidului de undă cu partea de josțevi ale camerei de lucru, ceea ce vă permite să mențineți intensitatea radiației. În prototip, inelul de etanșare este instalat în zona de deformare maximă a ghidului de undă. Prin urmare, inelul se prăbușește treptat din cauza vibrațiilor, ceea ce reduce treptat intensitatea radiației, apoi rupe etanșeitatea conexiunii și perturbă funcționarea instalației.

Utilizarea unui emițător magnetostrictiv inelar permite realizarea unei puteri de conversie ridicate și a unei zone de radiație semnificative (A.V. Donskoy, OK Keller, G.S. intensificarea procesului tehnologic fără a reduce calitatea produsului final.

Deoarece conducta este cilindrică, iar emițătorul magnetostrictiv introdus în instalație este realizat inelar, este posibilă presarea miezului magnetic pe suprafața exterioară a conductei. Când tensiunea de alimentare este aplicată înfășurării firului magnetic, în plăci are loc un efect magnetostrictiv, ceea ce duce la deformarea plăcilor inelare ale circuitului magnetic în direcția radială. În acest caz, datorită faptului că țeava este din metal, iar circuitul magnetic este presat acustic rigid pe țeavă, deformarea plăcilor inelare ale circuitului magnetic se transformă în oscilații radiale ale peretelui țevii. Ca urmare, vibrațiile electrice ale generatorului de excitare al emițătorului magnetostrictiv inelar sunt convertite în vibrații mecanice radiale ale plăcilor magnetostrictive și, datorită conexiunii rigide acustic a planului de radiație al circuitului magnetic cu suprafața conductei, vibrațiile mecanice sunt transmise prin pereții conductei în mediul lichid prelucrat. În acest caz, sursa vibrațiilor acustice în mediul lichid prelucrat este peretele interior al tubului cilindric al camerei de lucru. Ca rezultat, se formează un câmp acustic cu o a doua frecvență de rezonanță în instalația revendicată în mediul lichid tratat. În acest caz, introducerea unui emițător magnetostrictiv inelar în instalația revendicată crește, în comparație cu prototipul, aria suprafeței emițătoare: suprafața emițătoare a ghidului de undă și o parte a peretelui interior al camerei de lucru, pe suprafața exterioară a căreia este presat un emițător magnetostrictiv inelar. O creștere a suprafeței radiante crește intensitatea câmpului acustic din camera de lucru și, prin urmare, face posibilă intensificarea procesului tehnologic fără a reduce calitatea produsului final.

Locația capătului inferior al circuitului magnetic al radiatorului inelar în același plan cu capătul radiant al ghidului de undă acustică este cea mai bună opțiune, deoarece plasarea sa sub capătul radiant al ghidului de undă duce la formarea unei zone moarte (stagnante) pentru traductorul inel (radiator inel - conductă). Plasarea capătului inferior al circuitului magnetic al radiatorului inelar deasupra capătului radiant al ghidului de undă reduce eficiența convertorului inelar. Ambele variante duc la scaderea intensitatii efectului campului acustic total asupra mediului lichid prelucrat si, in consecinta, la scaderea intensificarii procesului tehnologic.

Deoarece suprafața emițătoare a emițătorului magnetostrictiv inelar este un perete cilindric, energia sonoră este focalizată, adică. concentrația câmpului acustic este creată de-a lungul liniei axiale a conductei, pe care este presat miezul magnetic al emițătorului. Deoarece suprafața emițătoare a traductorului cu tijă cu ultrasunete este realizată sub forma unei sfere concave, această suprafață emițătoare concentrează și energia sonoră, dar în apropierea unui punct care se află pe linia centrală a țevii. Astfel, la diferite distanțe focale, focarele ambelor suprafețe emițătoare coincid, concentrând energie acustică puternică într-un volum mic al camerei de lucru. Deoarece capătul inferior al circuitului magnetic al radiatorului inelar este situat în același plan cu capătul emițător al ghidului de undă acustică, în care sfera concavă are o rază egală cu jumătate din lungimea circuitului magnetic al radiatorului magnetostrictiv inelar, punctul de focalizare al energiei acustice se află în mijlocul liniei axiale a conductei, adică în centrul camerei de lucru a instalației, o energie acustică puternică este concentrată într-un volum mic ("Ultrasound. Little Encyclopedia", ed. șef. I.P. Golyanin, Moscova: Enciclopedia sovietică, 1979, p. 367-370). În zona focalizării energiilor acustice ale ambelor suprafețe emițătoare, intensitatea efectului câmpului acustic asupra mediului lichid prelucrat este de sute de ori mai mare decât în ​​alte zone ale camerei. Se creează un volum local cu o intensitate puternică de expunere la câmp. Datorită intensității locale puternice a impactului, chiar și materialele greu de prelucrat sunt distruse. În plus, în acest caz, ultrasunetele puternice sunt deviate de la pereți, ceea ce protejează pereții camerei de distrugerea și contaminarea materialului prelucrat prin produsul distrugerii peretelui. Astfel, făcând suprafața capătului radiant al ghidului de undă acustic concavă, sferică, cu o rază a sferei egală cu jumătate din lungimea circuitului magnetic al emițătorului magnetostrictiv inelar, crește intensitatea impactului câmpului acustic asupra mediului lichid prelucrat, și prin urmare asigură intensificarea procesului tehnologic fără a reduce calitatea produsului final.

După cum se arată mai sus, în instalația revendicată, în mediul lichid tratat se formează un câmp acustic cu două frecvențe de rezonanță. Prima frecvență de rezonanță este determinată de frecvența de rezonanță a traductorului magnetostrictiv cu tijă, a doua - de frecvența de rezonanță a emițătorului magnetostrictiv inel apăsat pe tubul camerei de lucru. Frecvența de rezonanță a emițătorului magnetostrictiv inel este determinată din expresia lcp = λ = c / fres, unde lcp este lungimea liniei centrale a circuitului magnetic al emițătorului, λ este lungimea de undă din materialul circuitului magnetic, c este viteza vibrațiilor elastice în materialul circuitului magnetic, fres este frecvența de rezonanță a emițătorului (A. Donskoy, OKKeller, G.S.Kratysh „Instalații electrotehnologice cu ultrasunete”, Leningrad: Energoizdat, 1982, p. 25). Cu alte cuvinte, a doua frecvență de rezonanță a instalației este determinată de lungimea liniei centrale a circuitului magnetic inelar, care, la rândul său, este determinată de diametrul exterior al țevii camerei de lucru: cu atât linia centrală a circuitului magnetic este mai lungă. , cu atât frecvența a doua de rezonanță a instalației este mai mică.

Prezenta a doua frecvente de rezonanta in instalatia declarata permite intensificarea procesului tehnologic fara a reduce calitatea produsului final. Acest lucru este explicat după cum urmează.

Sub acțiunea unui câmp acustic în mediul lichid procesat, apar fluxuri acustice - fluxuri vortex staționare ale unui lichid care apar într-un câmp sonor neomogen liber. În instalația declarată în mediul lichid prelucrat se formează două tipuri de unde acustice, fiecare cu frecvența de rezonanță proprie: o undă cilindrică se propagă radial din suprafata interioara conducte (camera de lucru), iar o undă plană se propagă de-a lungul camerei de lucru de jos în sus. Prezența a două frecvențe de rezonanță sporește efectul fluxurilor acustice asupra mediului lichid prelucrat, deoarece la fiecare frecvență de rezonanță se formează propriile fluxuri acustice, care amestecă intens lichidul. Aceasta conduce, de asemenea, la o creștere a turbulenței fluxurilor acustice și la o amestecare și mai intensă a lichidului prelucrat, ceea ce crește intensitatea efectului câmpului acustic asupra mediului lichid prelucrat. Ca urmare, procesul tehnologic este intensificat fără a reduce calitatea produsului final.

În plus, sub influența câmpului acustic din mediul lichid prelucrat, are loc cavitația - formarea de rupturi ale mediului lichid unde există o scădere locală a presiunii. Ca rezultat al cavitației, se formează bule de cavitație de gaz și vapori. Dacă câmpul acustic este slab, bulele rezonează, pulsează în câmp. Dacă câmpul acustic este puternic, bula se prăbușește după perioada undei sonore (cazul ideal), deoarece cade în regiunea de presiune ridicată creată de acest câmp. Când bulele se prăbușesc, ele generează perturbări hidrodinamice puternice în mediul lichid, radiații intense de unde acustice și provoacă distrugerea suprafețelor solidelor care se învecinează cu lichidul cavitator. În instalația revendicată, câmpul acustic este mai puternic decât câmpul acustic al instalației prototip, ceea ce se explică prin prezența a două frecvențe de rezonanță în aceasta. Ca urmare, în instalația revendicată, probabilitatea prăbușirii bulelor de cavitație este mai mare, ceea ce sporește efectele de cavitație și crește intensitatea impactului câmpului acustic asupra mediului lichid prelucrat și, prin urmare, asigură o intensificare a tehnologice. proces fără a reduce calitatea produsului final.

Cu cât frecvența de rezonanță a câmpului acustic este mai mică, cu atât bula este mai mare, deoarece perioada la frecvența joasă este mare și bulele au timp să crească. Durata de viață a unei bule în timpul cavitației este o perioadă de frecvență. Când bula se prăbușește, creează o presiune puternică. Cu cât bula este mai mare, cu atât mai mult presiune ridicata este creat atunci când este trântit. În instalația declarată cu ultrasunete, datorită sunetului cu două frecvențe a lichidului procesat, bulele de cavitație diferă ca mărime: cele mai mari sunt rezultatul expunerii la un mediu lichid de joasă frecvență, iar cele mici - de înaltă frecvență. La curățarea suprafețelor sau la prelucrarea unei suspensii, bulele mici pătrund în fisurile și cavitățile particulelor solide și, prăbușindu-se, formează efecte de microșoc, slăbind integritatea unei particule solide din interior. Bulele mai mari, care se prăbușesc, provoacă formarea de noi microfisuri în particulele solide, slăbind și mai mult legăturile mecanice din ele. Particulele solide sunt distruse.

La emulsionare, dizolvare și amestecare, bulele mari distrug legăturile intermoleculare din componentele viitorului amestec, scurtând lanțurile și formează condiții pentru bule mici pentru distrugerea în continuare a legăturilor intermoleculare. Ca urmare, intensificarea procesului tehnologic crește fără a reduce calitatea produsului final.

În plus, în instalația revendicată, ca urmare a interacțiunii undelor acustice cu frecvențe de rezonanță diferite în mediul lichid prelucrat, apar bătăi datorită suprapunerii a două frecvențe (principiul suprapunerii), care determină o creștere bruscă instantanee a amplitudinea presiunii acustice. În astfel de momente, puterea de impact a undei acustice poate fi de câteva ori mai mare decât puterea specifică a instalației, ceea ce intensifică procesul tehnologic și nu numai că nu reduce, dar îmbunătățește calitatea produsului final. În plus, o creștere bruscă a amplitudinii presiunii acustice facilitează alimentarea cu nuclee de cavitație în zona de cavitație; cavitația crește. Bule de cavitație, formându-se în pori, neregularități, fisuri de suprafață solidîn suspensie formează curenți acustici locali, care amestecă intens lichidul în toate microvolumele, ceea ce face posibilă și intensificarea procesului tehnologic fără a reduce calitatea produsului final.

Astfel, din cele de mai sus rezultă că instalația ultrasonică revendicată, datorită posibilității formării unui câmp acustic cu două frecvențe în mediul lichid tratat, la implementare, asigură realizarea rezultatului tehnic, care constă în creșterea intensificării proces tehnologic fără a reduce calitatea produsului final: rezultatele curățării suprafețelor, dispersării componentelor solide într-un lichid, procesul de emulsionare, amestecare și dizolvare a componentelor mediului lichid.

Desenul prezinta instalatia de ultrasunete declarata. Instalația cu ultrasunete conține un traductor magnetostrictiv cu tijă ultrasonică 1 cu o suprafață de emisie 2, un ghidaj de undă acustică 3, o cameră de lucru 4, un miez magnetic 5 al unui emițător magnetostrictiv inelar 6, un inel de etanșare elastic 7, un știft 8. Găurile 9 sunt prevăzut în miezul magnetic 5 pentru efectuarea unei înfășurări de excitație (nereprezentată)... Camera de lucru 4 este realizată sub forma unei țevi cilindrice din metal, de exemplu oțel. Într-un exemplu de instalare, ghidajul de undă 3 este realizat sub forma unui trunchi de con, în care capătul emitent 10 prin intermediul unui inel elastic de etanșare 7 este legat ermetic de partea inferioară a tubului camerei de lucru 4, iar capătul de primire 11 este conectat axial printr-un știft 8 la suprafața de emisie 2 a traductorului 1. Miez magnetic 5 realizat sub forma unui pachet de plăci magnetostrictive sub formă de inele și presat acustic rigid pe conducta camera de lucru 4; în plus, circuitul magnetic 5 este echipat cu o înfăşurare de excitaţie (nefigurată).

Un inel elastic de etanșare 7 este fixat pe capătul emițător 10 al ghidului de undă 3 în zona unității de deplasare. În acest caz, capătul inferior al circuitului magnetic 5 al radiatorului inelar 6 este situat în același plan cu capătul radiant 10 al ghidului de undă acustică 3. În plus, suprafața capătului radiant 10 al ghidului de undă acustică 3 este realizată. concav, sferic, cu raza sferei egală cu jumătate din lungimea circuitului magnetic 5 al radiatorului magnetostrictiv inelar 6.

Ca traductor ultrasonic cu tijă, de exemplu, poate fi utilizat un traductor magnetostrictiv cu ultrasunete de tip PMS-15A-18 (BT3.836.001 TU) sau PMS-15-22 9SYUIT.671.119.003 TU). Dacă procesul tehnologic necesită frecvențe mai mari: 44 kHz, 66 kHz etc., atunci traductorul cu tijă se bazează pe piezoceramică.

Circuitul magnetic 5 poate fi realizat dintr-un material cu strictețe negativă, de exemplu, nichel.

Instalația cu ultrasunete funcționează după cum urmează. Tensiunile de alimentare sunt aplicate înfășurărilor de excitație ale convertorului 1 și ale emițătorului magnetostrictiv inelar 6. Camera de lucru 4 este umplută cu mediul lichid procesat 12, de exemplu, pentru a efectua dizolvarea, emulsionarea, dispersia sau este umplută cu un lichid. mediu, în care sunt plasate părți pentru curățarea suprafețelor. După ce tensiunea de alimentare este aplicată în camera de lucru 4, în mediul lichid 12 se formează un câmp acustic cu două frecvențe de rezonanță.

Sub influența câmpului acustic cu două frecvențe generat în mediul tratat 12, apar fluxuri acustice și cavitație. În acest caz, așa cum se arată mai sus, bulele de cavitație diferă ca mărime: cele mai mari sunt rezultatul expunerii la un mediu lichid de frecvență joasă, iar cele mici - de înaltă frecvență.

Într-un mediu lichid cavitator, de exemplu, la dispersarea sau curățarea suprafețelor, bulele mici pătrund în fisurile și cavitățile componentei solide a amestecului și, prăbușindu-se, formează efecte de microșoc, slăbind integritatea particulei solide din interior. Bulele de dimensiuni mai mari, care se prăbușesc, sparg particula slăbită din interior în fracții mici.

În plus, ca urmare a interacțiunii undelor acustice cu frecvențe de rezonanță diferite, apar bătăi, ducând la o creștere instantanee bruscă a amplitudinii presiunii acustice (la un șoc acustic), ceea ce duce la o distrugere și mai intensă a straturilor. pe suprafata de curatat si la o strivire si mai mare a fractiilor solide in lichidul tratat.mediu la primirea unei suspensii. În același timp, prezența a două frecvențe de rezonanță sporește turbulența fluxurilor acustice, ceea ce contribuie la amestecarea mai intensă a mediului lichid prelucrat și la distrugerea mai intensă a particulelor solide atât pe suprafața piesei, cât și în suspensie.

În timpul emulsionării și dizolvării, bulele mari de cavitație distrug legăturile intermoleculare din componentele viitorului amestec, scurtând lanțurile și formează condiții pentru bule mici de cavitație pentru distrugerea în continuare a legăturilor intermoleculare. Unda de șoc acustică și turbulența crescută a fluxurilor acustice, care sunt rezultatul sondajului cu două frecvențe a mediului lichid tratat, distrug, de asemenea, legăturile intermoleculare și intensifică procesul de amestecare a mediului.

Ca urmare a efectului combinat al factorilor de mai sus asupra mediului lichid prelucrat, procesul tehnologic efectuat este intensificat fără a reduce calitatea produsului final. După cum au arătat testele, în comparație cu prototipul, puterea specifică a convertorului revendicat este de două ori mai mare.

Pentru a spori efectul de cavitație în instalație, poate fi furnizată o presiune statică crescută, care poate fi implementată în mod similar cu prototipul (A.V. Donskoy, OKKeller, G.S.Kratysh "Ultrasonic Electrotechnological Installations", Leningrad: Energoizdat, 1982, p. 169): un sistem de conducte conectate cu volumul interior al camerei de lucru; cilindru de aer comprimat; supapă de siguranță și manometru. În acest caz, camera de lucru trebuie să fie echipată cu un capac etanș.

1. Instalație cu ultrasunete care conține un traductor ultrasonic cu tijă, o cameră de lucru realizată sub forma unei țevi cilindrice metalice și un ghidaj de undă acustică, al cărui capăt emițător este conectat ermetic la fundul țevii cilindrice prin intermediul unui inel elastic de etanșare , iar capătul de recepție al acestui ghid de undă este conectat acustic rigid la traductorul ultrasonic cu tijă de suprafață emițătoare, caracterizat prin aceea că în instalație este introdus suplimentar un emițător magnetostrictiv inelar, al cărui circuit magnetic este presat acustic rigid pe tubul camerei de lucru .

2. Instalație conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că inelul elastic de etanșare este fixat la capătul radiant al ghidajului de undă în zona unității de deplasare.

3. Instalaţie conform revendicării 2, caracterizată prin aceea că capătul inferior al circuitului magnetic al radiatorului inelar este situat în acelaşi plan cu capătul radiant al ghidului de undă acustică.

4. Instalaţie conform revendicării 3, caracterizată prin aceea că suprafaţa capătului radiant al ghidului de undă acustică este realizată concavă, sferică, cu o rază a sferei egală cu jumătate din lungimea circuitului magnetic al emiţătorului magnetostrictiv inelar.

Informații generale

Unitatea cu ultrasunete UZU-1,6-O este destinată curățării elementelor metalice de filtrare și a pachetelor de filtrare ale sistemelor hidraulice de combustibil și ulei ale aeronavelor, motoarelor de aeronave și echipamentelor de banc de impurități mecanice, substanțe rășinoase și produse de cocsificare a uleiului.
Unitatea poate curăța pungi filtrante din material X18 N15-PM conform tehnologiei producătorului sacului filtrant.

Structura simbolului

UZU4-1,6-O:
UZU - instalatie cu ultrasunete;
4 - executarea;
1,6 - putere nominală oscilativă, kW;
О - curatenie;
У, Т2 - modificarea climatică și categoria de plasare
conform GOST 15150-69, temperatura mediului ambiant
de la 5 la 50 ° C. ї Mediul este neexploziv, nu contine praf conductiv, nu contine vapori agresivi, gaze care pot perturba functionarea normala a instalatiei.
Instalarea respectă cerințele TU16-530.022-79.

Document normativ si tehnic

TU 16-530.022-79

Specificații

Tensiunea unei rețele de alimentare trifazate cu o frecvență de 50 Hz, V - 380/220 Consumul de energie kW, nu mai mult: fără iluminat și încălzitoare - 3,7 cu iluminat și încălzire - 12 Frecvența de funcționare a generatorului, kHz - 18 Putere de ieșire a generatorului, kW - 1,6 Eficiența generatorului,%, nu mai puțin - 45 Tensiunea anodică a generatorului, V - 3000 Tensiunea incandescentă a lămpilor generatorului, V - 6.3 Tensiunea de ieșire a generatorului, V - 220 Curent de magnetizare, A - 18 Curentul anodic, A - 0.85 Curentul rețelei, A - 0.28 Număr de băi, buc - 2 Volumul unei băi, l, nu mai puțin - 20 Timp de încălzire a soluției de spălare în băi de la 5 la 65 ° С fără a porni generatorul, min, nu mai mult: atunci când funcționează cu ulei AMG 10 - 20 în timpul funcționării pe soluții apoase de hexametafosfat de sodiu, fosfat trisodic și azotat de sodiu sau sinval - 35 Durata de funcționare continuă a instalației, h, nu mai mult - 12 Răcirea elementelor instalației este forțată cu aer. Timp de curățare cu ultrasunete a unui element de filtrare, min, nu mai mult - 10 Timp pentru instalarea în poziția de operare, min, nu mai mult - 35 Timp pentru a reveni în poziția de depozitare, min, nu mai mult - 15 Greutate, kg, nu mai mult - 510
Perioada de garantie este de 18 luni de la data punerii in functiune.

Proiectare și principiu de funcționare

Designul unității cu ultrasunete UZU4-1,6-O (vezi figura) este un container mobil, completat în blocuri.

Vedere generală și dimensiuni instalație cu ultrasunete UZU4-1,6-О
Planta are două băi tehnologice. Echipat cu un carucior pentru rotirea filtrelor si transferul acestora dintr-o baie in alta. În fiecare baie este instalat un traductor magnetostrictiv de tip PM1-1.6 / 18. Convertorul este răcit cu aer, generatorul este încorporat. Setul de livrare al unității UZU4-1,6-O include: o unitate cu ultrasunete UZU-1,6-O, ​​piese de schimb și accesorii, 1 set, un set de documentație operațională, 1 set.

Orice ultrasonic unitate tehnologică, inclusiv compoziția dispozitivelor multifuncționale includ o sursă de energie (generator) și un sistem de vibrații cu ultrasunete.

Sistemul de vibrații cu ultrasunete în scopuri tehnologice este format dintr-un traductor, un element de potrivire și un instrument de lucru (emițător).

În traductorul (elementul activ) al sistemului vibrațional, energia vibrațiilor electrice este transformată în energia vibrațiilor elastice de frecvență ultrasonică și se creează o forță mecanică alternativă.

Elementul de potrivire al sistemului (concentrator pasiv) transformă vitezele și asigură potrivirea sarcinii externe și a elementului activ intern.

Instrumentul de lucru creează un câmp ultrasonic în obiectul prelucrat sau acționează direct asupra acestuia.

Cea mai importantă caracteristică a sistemelor oscilatoare ultrasonice este frecvența de rezonanță. Acest lucru se datorează faptului că eficiența proceselor tehnologice este determinată de amplitudinea vibrațiilor (valorile deplasărilor vibraționale), iar valorile maxime ale amplitudinilor sunt atinse atunci când sistemul vibrațional ultrasonic este excitat la frecvența de rezonanță. . Valorile frecvenței de rezonanță a sistemelor de vibrații cu ultrasunete trebuie să fie în intervalele permise (pentru dispozitivele cu ultrasunete multifuncționale, aceasta este frecvența 22 ± 1,65 kHz).

Raportul dintre energia acumulată în sistemul oscilator ultrasonic și energia utilizată pentru impactul tehnologic pentru fiecare perioadă de oscilație se numește factor de calitate al sistemului oscilator. Factorul de calitate determină amplitudinea maximă a oscilațiilor la frecvența de rezonanță și natura dependenței amplitudinii oscilațiilor de frecvență (adică lățimea intervalului de frecvență).

Aspect Un sistem tipic de vibrații cu ultrasunete este prezentat în Figura 2. Acesta constă dintr-un traductor - 1, un transformator (concentrator) - 2, un instrument de lucru - 3, un suport - 4 și o carcasă - 5.

Figura 2 - Sistem oscilator cu două jumătăți de undă și distribuția amplitudinilor de oscilație A și a tensiunilor mecanice care acționează F

Distribuția amplitudinii oscilațiilor A și a forțelor (tensiuni mecanice) F în sistemul oscilator are formă de unde staționare (cu condiția ca pierderile și radiațiile să fie neglijate).

După cum se poate observa din figura 2, există planuri în care deplasările și tensiunile mecanice sunt întotdeauna zero. Aceste planuri se numesc nodale. Planurile în care deplasările și tensiunile sunt minime se numesc antinoduri. Valorile maxime ale deplasărilor (amplitudinilor) corespund întotdeauna cu valorile minime ale tensiunilor mecanice și invers. Distanțele dintre două planuri nodale sau antinoduri adiacente sunt întotdeauna egale cu jumătate din lungimea de undă.

Există întotdeauna conexiuni în sistemul oscilant care asigură conexiunea acustică și mecanică a elementelor sale. Conexiunile pot fi dintr-o bucată, totuși, dacă este necesară schimbarea instrumentului de lucru, conexiunile sunt filetate.

Sistemul oscilator cu ultrasunete, împreună cu carcasa, dispozitivele de alimentare cu tensiune de alimentare și deschiderile de ventilație, este de obicei realizat ca o unitate separată. În cele ce urmează, folosind termenul de sistem oscilator american, vom vorbi despre întreaga unitate în ansamblu.

Sistemul oscilant folosit la aparatele cu ultrasunete multifunctionale in scop tehnologic trebuie sa satisfaca o serie de cerinte generale.

1) Lucrați într-un interval de frecvență dat;

2) Lucrați cu toate modificările posibile de sarcină în timpul procesului tehnologic;

3) Asigurați intensitatea radiației sau amplitudinea vibrației necesare;

4) Să aibă cea mai mare eficiență posibilă;

5) Părțile sistemului de vibrații cu ultrasunete în contact cu substanțele prelucrate trebuie să aibă rezistență la cavitație și chimic;

6) Să aibă o montură rigidă în carcasă;

7) Trebuie să aibă dimensiuni și greutate minime;

8) Trebuie îndeplinite cerințele de siguranță.

Sistemul oscilant cu ultrasunete prezentat în Figura 2 este un sistem oscilant cu două semi-unde. În el, traductorul are o dimensiune rezonantă egală cu jumătate din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul traductorului. Pentru a crește amplitudinea vibrațiilor și pentru a potrivi traductorul cu mediul de prelucrat, se folosește un concentrator, care are o dimensiune rezonantă corespunzătoare jumătate din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului.

Dacă sistemul oscilant prezentat în figura 2 este realizat din oțel (viteza de propagare a vibrațiilor ultrasonice în oțel este mai mare de 5000 m / s), atunci dimensiunea sa longitudinală totală corespunde cu L = C2p / w ~ 23 cm.

Pentru a îndeplini cerințele de compactitate ridicată și greutate redusă, se folosesc sisteme oscilatoare cu jumătate de undă, constând dintr-un convertor cu un sfert de undă și un concentrator. Un astfel de sistem oscilator este prezentat schematic în Figura 3. Denumirile elementelor sistemului oscilator corespund denumirilor din Figura 3.

Figura 3 - Sistem oscilator cu două sferturi de undă

În acest caz, este posibil să se asigure dimensiunea și masa longitudinală minimă posibilă a sistemului de vibrații cu ultrasunete, precum și reducerea numărului de conexiuni mecanice.

Dezavantajul unui astfel de sistem oscilator este conectarea convertorului cu concentratorul în planul celor mai mari solicitări mecanice. Cu toate acestea, acest dezavantaj poate fi eliminat parțial prin deplasarea elementului activ al convertorului din punctul de solicitare maximă de funcționare.

Aplicarea aparatelor cu ultrasunete

Ultrasunetele puternice sunt un mijloc unic ecologic de stimulare a proceselor fizice și chimice. Vibrații cu ultrasunete cu o frecvență de 20.000 - 60.000 Herți și o intensitate de peste 0,1 W / sq.cm. poate provoca modificări ireversibile în mediul de distribuţie. Acest lucru predetermina posibilitățile uz practic ultrasunete puternice în următoarele zone.

Procese tehnologice: prelucrarea materiilor prime minerale, valorificarea si procesele de hidrometalurgie a minereurilor metalice etc.

Ulei și industria gazelor: recuperare puțuri de petrol, extracția uleiului vâscos, procesele de separare în sistemul nisip - ulei greu, creșterea fluidității produselor petroliere grele etc.

Metalurgie și inginerie mecanică: rafinarea topiturii metalice, șlefuirea structurii unui lingot/turnare, prelucrarea unei suprafețe metalice pentru a o întări și a ameliora tensiunile interne, curățarea suprafețelor exterioare și a cavităților interne ale pieselor mașinii etc.

Tehnologii chimice și biochimice: procese de extracție, sorbție, filtrare, uscare, emulsionare, obținere de suspensii, amestecare, dispersare, dizolvare, flotare, degazare, evaporare, coagulare, coalescență, procese de polimerizare și depolimerizare, obținerea de nanomateriale etc.

Energie: arderea lichidului și combustibil solid, prepararea emulsiilor de combustibil, producerea de biocombustibili etc.

Agricultura, alimentația și industria ușoară: procese de germinare a semințelor și creșterea plantelor, prepararea aditivilor alimentari, tehnologia cofetăriei, prepararea băuturilor alcoolice și nealcoolice etc.

Servicii comunale: recuperarea fântânilor de apă, prepararea apei potabile, îndepărtarea depunerilor de pe pereții interiori schimbătoare de căldură etc.

Protecţie mediu inconjurator: curatenie Ape uzate contaminate cu produse petroliere, metale grele, compuși organici persistenti, curățarea solurilor contaminate, curățarea fluxurilor de gaze industriale etc.

Reciclarea materiilor prime secundare: devulcanizarea cauciucului, curățarea calcarului metalurgic de contaminarea cu ulei etc.

ELECTROSPETE

ELECTROSPETE

Instalatii electrochimice si mecanice, instalatii cu ultrasunete (UZU)

Această metodă de prelucrare se bazează pe acțiunea mecanică asupra materialului. Se numește ultrasonic deoarece frecvența impacturilor corespunde gamei de sunete inaudibile (f = 6 ... 105 kHz).
Undele sonore sunt vibrații elastice mecanice care se pot propaga doar într-un mediu elastic.
Când o undă sonoră se propagă într-un mediu elastic, particulele de material efectuează vibrații elastice în jurul pozițiilor lor cu o viteză numită oscilativă.
Îngroșarea și subțierea mediului într-o undă longitudinală se caracterizează printr-un exces, așa-numita presiune sonoră.
Viteza de propagare a undei sonore depinde de densitatea mediului în care se deplasează.
Cu cât materialul mediului este mai rigid și mai ușor, cu atât viteza este mai mare. Când se propagă într-un mediu material, o undă sonoră transportă energie, care poate fi utilizată în procesele tehnologice.
Avantajele tratamentului cu ultrasunete:

Posibilitatea de a obține energie acustică prin diverse tehnici;
- o gamă largă de aplicații cu ultrasunete (de la prelucrare dimensională la sudare, lipire etc.);
- ușurință în automatizare și operare

Dezavantaje:

Cost crescut al energiei acustice comparativ cu alte tipuri de energie;
- necesitatea fabricarii generatoarelor de vibratii ultrasonice;
- necesitatea fabricarii de scule speciale cu proprietati si forma deosebite.

Vibrațiile cu ultrasunete sunt însoțite de o serie de efecte care pot fi folosite ca fiind de bază pentru desfășurarea diferitelor procese:
- cavitație, adică formarea de bule în lichid (în timpul fazei de extensie) și spargerea acestora (în timpul fazei de compresie); în acest caz, apar presiuni instantanee locale mari, atingând valori de 10 2 N/m 2;
- absorbția vibrațiilor ultrasonice de către o substanță, în care o parte din energie este transformată în căldură, iar o parte este cheltuită pentru modificarea structurii substanței.
Aceste efecte sunt folosite pentru:
- separarea moleculelor si particulelor de diferite mase in suspensii neomogene;
- coagularea (mărirea) particulelor;
- dispersarea (zdrobirea) substantei si amestecarea acesteia cu altele;
- degazarea lichidelor sau a topiturii datorita formarii de bule mari plutitoare.
Elemente ale UCU
Orice UZU include trei elemente principale:
- o sursa de vibratii ultrasonice;
- transformator acustic de viteza (concentrator);
- detalii de prindere.
Sursele de vibrații ultrasonice pot fi de două tipuri - mecanice și electrice.
Sursele mecanice convertesc energia mecanică, cum ar fi viteza de mișcare a unui lichid sau a unui gaz.
Acestea includ sirene și fluiere cu ultrasunete.Sursele electrice cu ultrasunete transformă energia electrică în vibrații elastice mecanice de frecvența corespunzătoare. Există traductoare electrodinamice, magnetostrictive și piezoelectrice.
Cele mai utilizate sunt traductoarele magnetostrictive și piezoelectrice.
Principiul de funcționare al traductoarelor magnetostrictive se bazează pe efectul magnetostrictiv longitudinal, care se manifestă printr-o modificare a lungimii unui corp metalic din materiale feromagnetice (fără a le modifica volumul) sub influența unui câmp magnetic.
Efectul magnetostrictiv este diferit pentru diferite metale. Nichelul și permendurul au magnetostricție ridicată.
Pachetul unui traductor magnetostrictiv este un miez format din plăci subțiri, pe care este plasată o înfășurare pentru a excita un câmp electromagnetic alternativ de înaltă frecvență în acesta.
Cu efectul magnetostrictiv, semnul deformării miezului nu se schimbă atunci când direcția câmpului este inversată. Frecvența modificării deformației este de 2 ori mai mare decât frecvența (f) a modificării curentului alternativ care trece prin înfășurarea convertorului, deoarece o deformare de același semn are loc în semiperioadele pozitive și negative.
Principiul de funcționare traductoare piezoelectrice pe baza capacităţii unor substanţe de a-şi modifica dimensiunile geometrice (grosimea şi volumul) într-un câmp electric. Efectul piezoelectric este reversibil. Dacă o placă dintr-un material piezoelectric este supusă unei deformări prin compresie sau tensiune, atunci pe marginile ei vor apărea sarcini electrice. Dacă elementul piezoelectric este plasat într-un câmp electric alternativ, atunci se va deforma, provocând vibrații ultrasonice în mediu. O placă vibrantă din material piezoelectric este un traductor electromecanic.
Piezoelementele pe bază de titan de bariu, zirconat de plumb-titan (PZT) sunt utilizate pe scară largă.
Transformatoare acustice de viteza(concentratorii vibraţiilor elastice longitudinale) pot avea forme diferite (fig. 1.4-10).

Acestea servesc pentru a potrivi parametrii traductorului cu sarcina, pentru a atașa sistemul de vibrare și pentru a introduce vibrații ultrasonice în zona materialului prelucrat.
Aceste dispozitive sunt tije de diferite secțiuni transversale, realizate din materiale cu rezistență la coroziune și cavitație, rezistență la căldură, rezistență la medii agresive și abraziune.
Concentratoarele sunt caracterizate de coeficientul de concentrare a vibrațiilor (К кк):

Creșterea amplitudinii vibrațiilor capătului cu o secțiune transversală mică în comparație cu amplitudinea vibrațiilor capătului unei secțiuni transversale mai mari se explică prin faptul că, cu aceeași putere de vibrație în toate secțiunile transformatorului de viteză, intensitatea vibrației capătului mic este „K kk” ori mai mare.

Utilizarea tehnologică a inspecției cu ultrasunete

În industrie, ultrasunetele sunt utilizate în trei domenii principale: acțiunea forței asupra materialului, intensificarea și controlul ultrasonic al proceselor.
Impact puternic pe material se foloseste la prelucrarea aliajelor dure si superdure, obtinerea de emulsii stabile etc.
Cele mai frecvent utilizate sunt două tipuri de tratament cu ultrasunete la frecvențe caracteristice de 16 ... 30 kHz:
- prelucrare dimensională pe mașini-unelte folosind unelte,
- curatare in bai cu mediu lichid.
Principalul mecanism de lucru al mașinii cu ultrasunete este unitatea acustică
( orez. 1.4-11). Este conceput pentru a seta unealta de lucru în mișcare vibrațională.

Unitatea acustică primește putere de la un oscilator electric (de obicei o lampă), la care este conectată înfășurarea (2)
Elementul principal al unității acustice este un convertor magnetostrictiv (sau piezoelectric) al energiei vibrațiilor electrice în energia vibrațiilor mecanice elastice - un vibrator (1).
Vibrațiile vibratorului, care se lungesc și se scurtează alternativ cu o frecvență ultrasonică în direcția câmpului magnetic al înfășurării, sunt amplificate de un concentrator (4) atașat la capătul vibratorului.
O unealtă din oțel (5) este atașată la concentrator astfel încât să rămână un spațiu între capătul său și piesa de prelucrat (6).
Vibratorul este plasat într-o carcasă de ebonită (3), unde este furnizată apă de răcire curentă.
Instrumentul trebuie să aibă forma secțiunii de găuri specificate. Un lichid cu cele mai mici granule de pulbere abrazivă este introdus în spațiul dintre suprafața de capăt a sculei și suprafața piesei de prelucrat de la duza (7).
De pe partea frontală vibrantă a sculei, granulele abrazive capătă o viteză mare, lovesc suprafața piesei și scot cele mai mici așchii din aceasta.
Deși productivitatea fiecărei lovituri este neglijabilă, productivitatea instalației este relativ mare, ceea ce se datorează frecvenței mari de vibrații a sculei (16 ... 30 kHz) și unui număr mare de granule abrazive (20 ... 100). mii / cm3) deplasându-se simultan cu accelerație mare.
Pe măsură ce straturile de material sunt îndepărtate, unealta este alimentată automat.
Fluidul abraziv este introdus în zona de tratare sub presiune și îndepărtează deșeurile de la tratament.
Cu ajutorul tehnologiei cu ultrasunete se pot efectua operatii precum perforarea, daltuirea, gaurirea, taierea, slefuirea si altele.
Un exemplu sunt mașinile de broșare cu ultrasunete produse în industrie (modele 4770, 4773A) și universale (modele 100A).
Băi cu ultrasunete (Fig. 1.4-12) folosit pentru curățarea suprafețelor pieselor metalice de produse de coroziune, pelicule de oxid, uleiuri minerale etc.

Funcționarea unei băi cu ultrasunete se bazează pe utilizarea efectului șocurilor hidraulice locale care apar într-un lichid sub acțiunea ultrasunetelor.
Principiul de funcționare a unei astfel de băi este următorul. Piesa de prelucrat (1) este scufundată (suspendată) în rezervorul (4) umplut cu un mediu de curățare lichid (2).
Emițătorul vibrațiilor ultrasonice este o diafragmă (5) conectată la un vibrator magnetostrictiv (b) cu ajutorul unei compoziții adezive (8).
Baia este instalată pe o bază (7). Undele de vibrații ultrasonice (3) se propagă în zona de lucru în care se efectuează tratamentul.
Curățarea cu ultrasunete este cea mai eficientă atunci când se îndepărtează contaminanții din cavitățile greu accesibile, depresiuni și canale mici.
În plus, această metodă reușește să obțină emulsii stabile de astfel de lichide nemiscibile prin metode convenționale precum apă și ulei, mercur și apă, benzen, apă și altele.
Echipamentul cu ultrasunete este relativ costisitor, prin urmare este convenabil din punct de vedere economic să folosiți curățarea cu ultrasunete a pieselor de dimensiuni mici numai în condiții de producție în masă.
Intensificarea proceselor tehnologice.
Vibrațiile cu ultrasunete modifică semnificativ cursul unor procese chimice.
De exemplu, polimerizarea la o anumită intensitate a sunetului este mai intensă. Cu o scădere a puterii sunetului, este posibil procesul invers - depolimerizarea.
Prin urmare, această proprietate este utilizată pentru a controla reacția de polimerizare. Schimbând frecvența și intensitatea vibrațiilor ultrasonice, puteți oferi viteza de reacție necesară.
În metalurgie, introducerea în topituri a oscilațiilor elastice de frecvență ultrasonică duce la o zdrobire semnificativă a cristalelor și la o accelerare a formării depunerilor în timpul cristalizării, la o scădere a porozității, la creșterea proprietăților mecanice ale topiturii solidificate și la o scădere. în conţinutul de gaze din metale.
Un număr de metale (de exemplu, plumbul și aluminiul) nu se amestecă sub formă lichidă. Suprapunerea vibrațiilor ultrasonice pe topitură favorizează „dizolvarea” unui metal în altul. Controlul procesului cu ultrasunete.
Cu ajutorul vibrațiilor ultrasonice, este posibilă monitorizarea continuă a progresului procesului tehnologic fără a efectua analize de laborator a probelor.
În acest scop, se stabilește inițial dependența parametrilor undei sonore de proprietățile fizice ale mediului, iar apoi, prin modificarea acestor parametri după acțiunea asupra mediului, se apreciază starea acestuia cu suficientă acuratețe. De regulă, se folosesc vibrații ultrasonice de intensitate scăzută.
Prin modificarea energiei undei sonore, este posibil să se controleze compoziția diferitelor amestecuri care nu sunt compuși chimici. Viteza sunetului în astfel de medii nu se modifică, iar prezența impurităților de materie suspendată afectează coeficientul de absorbție al energiei sonore. Acest lucru face posibilă determinarea procentului de impurități din materia primă.
Prin reflectarea undelor sonore la interfața dintre medii („transiluminare” cu un fascicul ultrasonic), este posibil să se determine prezența impurităților în monolit și să se creeze dispozitive de diagnosticare cu ultrasunete.