Рис. 3.8. Форма многофуисционального рабочего инструмента.

Таким образом, рассмотренный рабочий инструмент, жестко соединенный с концентратором колебательной системы, обеспечивает миогофункциональность УЗ технологических аппаратов для

индивилуального потребителя и домашнего хозяйства (аппаратов N1 и

N2).

Для крепления УЗ колебательной системы в корпусе испо;Тьзуется кольцевая опора, выполненная заодно с рабочей накладкой -концентратором. Эта кольцевая опора соединена с колебатстьной системой в плоскости узла смещения, где амплитуда колебаний мала. В месте присоединения опоры имеют небо.тьшуто толщину (от 1 до 3 мм). Однако, даже при столь малой толщине передача УЗ энергии в корпус не можст быть сведена к минимуму, т.к. в узловой плоскости, кроме стоячих, возникают и бегущие волны.

Для защиты по.тьзователя от воздействия УЗ колебаний, •феплсние колебательной системы в корпусе осуществляется с помощью опоры и кзолирующих полимерных и резиновых прокладок.

многофункциональным (хоть и с меньшей эффективностью, но вьшолшпъ все фу-нкции, предусмотренные в многофутпошональнол аппарате).

Наиболее эффективным и наиболее функциональным в этот случае будет рабочий инструмент, показанный на рис. 3.8. я представляющий собой выполненный заодно с концентратором 1 полый конус 2, соедшенный своей верппшой с торцевой поверхностью цилиндрического участка концентратора.

При внешнем диамегре инструмента d = 7 мм и толщине стенок конуса в 1 мм, поверхность излучения такого инструмента составляет не менее 1,5 см"

Сложная форма поверхности рабочего инстру.мента обеспечивает его многофункциональность и высокую эффективность. Так, внутренняя конусная поверхность рабочего инстрултента обеспечивает направленное излучение УЗ колебаний вдоль акустической оси колебательной систе.мы в направлении дна обрабатьтаемого объема и обеспечивает интенсивные гидродинамические потоки. Внешняя конусная поверхность рабочего инструмента обеспечивает излучение УЗ колебаний в направлении свободной поверхности жидкости в обрабатываемом объеме. Конусность поверхности и высокое качество поверхности исключают задерживание молекул воздуха (т.е. кавитационных пузырьков) на поверхности. Это обеспечивает стабильность сопротивления излучения и сводит к минимуму кавитационное разрушение поверхности (делает инструмент долговечным).

Наличие цилиндрического участка на внешней поверхности рабочего инструмента обеспечивает возможность вьшолнешм отверстий диаметром 7 мм. Плоский участок торцевой поверхности инструмента позволяет осуществлять операции по УЗ сварке, интенсификации склеивания и т.п. Плоский участок в вершине внутреннего конуса и сама внутренняя поверхность позволяют использовать дополнительный рабочий орган в виде иглы, шарика и т.п., не прикрепляя его жестко к колебательной системе. Наличие острой кромки на участке соприкосновения торцевого и цилиндрического участков, позволяет осуществлять резку тонких листовых материалов

Рис 4.1. Эквивалентная схема включения колебательной системы

В такой схеме корректирутощий фильтр образуется собственной лектрической емкостью пьезоэлементов С „ и индуктивностью дросселя На основной частоте параллельное соединение собственной емкости

ГЛАВА 4. ГЕНЕРАТОРЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Для питания ультразвуковых преобразователей колебательных систем используются источники электрической энергии - генераторы, обеспечивающие преобразование энергии промьпиленной частоты (50 Гц) в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты.

Поскольку резонансная частота колебательной системы может изменяться не только при использовании различных рабочих инструментов, но и при осуществлении различных технологических операций, генераторы для многофункциональных ультразвутсовых аппаратов должны вьшолняться универсальными, т.е, иметь необходимый диапазон изменения параметров вьгчодного сигнала и обеспечивать согласование с различными, и изменяющимися во времени, нафузками.

Изменение резонансной частоты колебательных систем происходит из-за нагревания пьезокерамических материалов, отражающей и излучающей металлических накладок (нагрев до 100 ° С снижает резонансную частоту на 0,5,...1 кГц). Изменение акустических свойств обрабатьшаемых сред может изменять резонанснуто частоту колебательной системы на 0,5 кГц.

Кроме того, рабочая частота генератора может изменяться из-за температурной нестабильности частотно - задающих элементов электронных схем.

Для компенсахщи внешних воздействий на параметры колебательных систем и обеспечения возможности использования различных по функциональным назначениям рабочих инструментов, в генератора используются механические регулирутощие устройства и системы электронной автоподсгройки частоты и стабилизации амгиитуды колебаний.

Современные УЗ генераторы вьшолняются подаостью на полупроводнрпсовых электронных компонентах. Это стало возможным в последние годы, в связи с созданием транзисторов, работающих при высоких рабочих межэлектродных напряжениях (более 500 В), рассеивающих большие мощности (более 100 Вт) и имеющих малые времена переключения.

Применение таких транзисторов позволило создать генераторы необходимого мошцостного диапазона. Высокие рабочие н?пряжен1!Я современных транзисторов позволили реализовать электрические схемы

генераторов с безтрансформаторнымн источниками питания, что обеспечило многократное снижение габаритных размеров и массы технологических аппаратов.

Использование высокоскоростных мощных транзисторов позволило применить схемы двухтактных выходных каскадов, в которых гранзисторы работают в режиме переключения. В этом режиме рабочие точки транзисторов во время основной части периода находагтся в областях насыщения и отсечки, обеспечтшая минимальнуто мощность рассеивания в цепи коллекторов и высокий КПД (более 85%).

При использовании режима переключения напряжение на выходе генератора имеет прямоутольную форму. Нечетные гармоники имеют значительный вес и приводят к дополнительным потерям в транзисторах н колебательной системе.

Для исключения влияния высших гармоник, согласование генератора с колебательной системой осуществляется с помощью корректирутоших фильтров, которые на основной частоте приводят входное сопротивление нагрузки к активной величине, а на высших гармониках значительно повышают комплексное сопротивление нафузки.

В качестве корректирующих элементов используются цепи из реактивных элементов. На рис, 4.1. показана схема включения УЗ колебательной системы с пьезоэлектрическими активными элементами.

4.1. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЯОДЕНИЕМ

В генераторах с независимым возбуждением электрические колебания УЗ частоты вьфзбатьшаются отдельньпи генератором малой мопщости - задающим генератором. Малая мощность задающего генератора позволяет легко вьшолнять условия получения необходимого электрического сигнала и обеспечивать его изменения прн перестройках.

Сигнал с задающего генератора усиливается каскадом предвартггельного усиления, обеспечиваюпщм необходимые условия работы выходного каскада и устраняющим влияние усилителя мощности на режим работы задающего генератора.

Выходной каскад - усилитель мощности доводит мощность на выходе генератора до требуемой величины. Согласование выходного каскада генератора с ультразвуковой колебательной системой осуществляется колебательным контуром, компенсирующим реактивные составляющие токов и напряжений преобразователя.

пьезоэлементов С п и активного сопротивления потерь R совместно с индуктивностью L дросселя обеспечивает резонанс на основной частоте.

Введение корректируюппк фильтров обеспечивает косинусоидальную форму токов через транзисторы усилителя мопщости, что создает наиболее благоприятные условия для переключения транзисторов и обеспечивает распшрение частотного диапазона генераторов.

Все ультразвуковые генераторы вьшолняются многокаскадными, Каждый каскад усиления генераторов работает в режиме переключеютя. Для обеспечения наилучших условий работы транзисторы включаются с общим эмиттеро.м. Выходные каскады генераторов вьшолняются по двухтактным полумостовым схемам, обеспечивающим минимальные искажения усиливаемых сигналов и выходные мощности до 500 Вт.

Генераторы ультразвуковьгх многофутпшиональных аппаратов вьшолняются по схемам с независимьпи возбуждением, по схемам с самовозбуждением и по схемам с автоподстройкой частоты.

Генератор с независимым возбуждением позволяет обеспечить длавную регулировку его рабочей частоты в широких пределах, очень црост в реализахщи и использовании.

По этой причине, для создания УЗ многофункционального аппарата мощностью 25 Вт для индивидуального потребителя использована принципиальная схема генератора с независимым возбуждением, показанная на рис. 4.2.

Схема включает в себя перестраиваемый задающий генератор, выполненный на элементах DDI, 1, DDI.2, буферный каскад на элементе DD1.3, формирователь прямоугольных импульсов на элементе DD2, предварительный усилитель на транзисторах VT1, VT2. усилитель мощности на транзисторах VT3, VT4. высоковольтный источник питания (ЗООВ), вьшолненный на элементах VD1 - VD4, С2, СЗ, низковольтный стабилизированный источник питания ( 9 В ) задающего генератора на элементах VS1, R8, VD5, С4, С5, источник питания предварительного усилителя, выполненньш на элементах VD8, VD9.

Рабочая частота генератора определяется элементами положительной обратной связи задающего генератора и регулируется потенциометром R2.

Трансформатор TR1 обеспечивает задержку включения одного из транзисторов выходного каскада на время, необходимое для рассасывания , заряда на базе второго транзистора перед его включением. Это исключает появление сквозных токов через транзисторы VT3, VT4.

Кроме того, транзисторы выходного каскада защищены диода.ми VD6, VD7 от инверсного режима работы, возникающего при рассогласовании генератора с нафузкой.

Несомненное достоинство генераторов с независимым возбуждением - возможность их перестройки в широких пределах.

Недостатки таких генераторов заключаются в трудности точной иасгройки на частоту механического резонанса ко.лебательной системы и невозможности отслеживания быстроизменяющихся параметров обрабатьшаемых сред.

Большуто часть времени генератор с независимым возбуждением работает не в оптимальном режиме (т.е. вблизи, а не на резонансной частоте ко.лебательной системы), что приводит,к дополнительным потерям Энергии и снижению КПД.