3.2 Влияние колебательных систем на работу электронного генератора
Выбор конструкции колебательной системы - одна из главных задач при конструировании ультразвуковых генераторов. Типичная ультразвуковая колебательная система технологического назначения, рассмотренная в предыдущей главе, состоит из преобразователя, согласующего элемента и излучателя (рабочего инструмента). В преобразователе (активном элементе колебательной системы) создается знакопеременная механическая сила. Согласующий элемент системы (пассивный) осуществляет трансформацию скоростей, согласование механического сопротивления внешней нагрузки и внутреннего сопротивления активного элемента. Излучатель создает ультразвуковое поле в обрабатываемом объекте или непосредственно действует на него [18].Важнейшей характеристикой колебательной системы является резонансная частота, так как только при возбуждении на резонансной частоте достигаются наибольшие значения колебательных смещений и скоростей, определяющих эффективность технологического процесса.
Характеристикой колебательной системы является добротность - отношение накопленной в резонансной системе энергии к затратам её за период. Добротность определяет остроту пиков и вид амплитудно-частотной зависимости, а также ширину рабочего частотного диапазона, если система работает при изменяемой частоте, например, вследствие изменения нагрузки, размеров инструментов и др. [19].
Обычно колебательная система нагружена по одной из граничных поверхностей, а возбуждающая сила приложена к другой. Тогда, рассматривая действие возбуждающей силы на нагрузку, можно приписать системе свойства трансформатора скорости и ввести понятие коэффициента трансформации.
В колебательной системе всегда имеются соединения, обеспечивающие механическую связь ее элементов. Соединения могут быть неразъемными, а при необходимости замены концентратора, инструмента и т.п. - разъемными. Колебательную систему с корпусом и устройствами токоподвода, охлаждения, и др. часто выполняют в виде отдельного узла [20].
Этот узел должен удовлетворять ряду требований: работать в заданном диапазоне частот и изменения механической нагрузки, обладать достаточной мощностью, обеспечивать необходимую интенсивность излучения или амплитуду колебаний инструмента, быть прочным и износостойким и пр. Обязательны соблюдение требований техники безопасности и достижение возможно более высокого КПД.
Качество работы всякой колебательной системы зависит от величины внутренних механических потерь. Необратимые потери, возникающие в стержневой системе, определяются значениями колебательной скорости и активного сопротивления. В свою очередь, активное сопротивление характеризуется внутренним трением в материале, из которого сделана данная система. Так как величина колебательной скорости зависит от вводимой в систему энергии упругих колебаний, единственным параметром, характеризующим данный материал с точки зрения его способности поглощать энергию, является активное сопротивление, эквивалентное потерям в этом материале.
Потери в ультразвуковых колебательных системах зависят, прежде всего, от материала, из которого они сделаны.
Однако материал не является единственным фактором, определяющим потери. Существенными являются также особенности и качество конструкции колебательной системы и отдельных ее элементов. Нерациональное осуществление тех или иных элементов системы или некачественное ее выполнение может значительно увеличить потери даже при применении материала с малым затуханием.
Потери, обусловленные внутренними дефектами или качеством выполнения конструкции, назовем кратко “конструкционными потерями”. К ним также относят потери в соединениях и опорах.
Под соединением (или скреплениями) имеются в виду конструкции, обеспечивающие механическую связь между звеньями стержневых систем друг с другом.
Рассмотрим механизм потерь в соединениях. Если два звена стержневой системы соединяются с помощью резьбы, то не все точки поверхностей резьбы, гаечной и болтовой части, соприкасаются друг с другом, и не формируется идеального акустического контакта. В итоге на границе перехода упругих колебаний из одного звена в другое возникают отражения энергии.
В результате повреждения резьбового соединения акустический контакт еще более ухудшается, т.е. увеличиваются отражения, растут усилия, стремящиеся оторвать звенья друг от друга. Присоединенное звено, являющееся нагрузкой для предыдущего звена, становится тормозящим. Подводимая к нему энергия теряется, главным образом, в контактном соединении (в скреплении) и частично отражается. Доля энергии, передаваемой в присоединённое звено, уменьшается, а потери резко возрастают. Таким образом, процесс нарушения контакта является нарастающим и может привести к полному разрушению соединения.
Некачественное резьбовое скрепление может вызвать значительные потери. Кроме того, может измениться собственная резонансная частота всей системы, так как величина входного сопротивления присоединяемого звена при нарушении контакта изменяет свое значение.
Для уменьшения потерь в резьбовом скреплении необходимо, прежде всего, улучшить качество и конструкцию последнего. Поверхность резьбы должна быть максимально большой. Чем тверже материал резьбового скрепления (соединения), тем меньше оно вносит потерь. Для уменьшения потерь на трение в местах контакта соединений необходимо обеспечить качественную шлифовку контактных поверхностей.
Опоры в конструкции колебательных систем могут так же быть причиной увеличения активных потерь. Назначением опор является поддержание стержневой системы в определенном положении и соединение этой системы с остальной конструкцией ультразвуковой установки. Любая опора, независимо от ее типа и конструкции, механически связывается с колебательной системой.
Если опоры активные, т.е. входят в колебательную систему в качестве ее элементов, то потери, обусловленные затуханием колебаний в этих опорах, увеличивают общие потери в колебательной системе. Поэтому уменьшать потери, возникающие вследствие влияния активных опор, возможно путем улучшения качества этих опор и, в частности, уменьшая их собственные потери.
Следует заметить, что активные опоры должны быть связаны со стержневой колебательной системой хорошим акустическим контактом. Всякое нарушение этого контакта вносит дополнительные потери в месте скрепления опоры с колебательной системой.
В случае применения пассивных опор, т.е. конструкций, не входящих в колебательную систему, причинами возможных потерь являются: неточный выбор места присоединения опоры к колебательной системе и неправильный выбор размеров этих опор.
Первое обстоятельство нарушает нормальный режим работы колебательной системы и приводит к потерям за счет перехода энергии в опору.
Неправильный выбор размеров опоры может создать условия, при которых эта опора вносит заметную реакцию в работу колебательной системы.
