Ультразвуковой концентратор продольно-крутильных волн

 

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНЦЕНТРАТ ПРОДОЛЬНО-КРУТИЛЬНЫХ ВОЛН в виде тела вращения переменного сечения с диаметром, изменяющимся вдоль ос симметрии по экспоненциальному закону , отличающийся тем, что, с целью расширения функционал ных возможностей за счет одновременного усиления резонансных проных колебаний одиего профиль имеет яницую уравнению диаметр поперечного сечения в точке X ; диаметр минимального поперечного сечения, числ о, опредепяющее форму продапь но-крутильных колебаний; координата; длина pнцeнтpaтopa коэффициент Пуаосона материала концентратора .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 4(1) В 06 В 3/00 где

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3424496/18-10 (22) 16. 04.82 . (46) 15.04.85. Бюл. В 14 (72) А. Г. Трапез он и Н.Н. Письменный (71) Институт проблем прочности

АН УССР (53) 534.232 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

И- 632401, кл. В 06 В 1/08, 1978.

2. Патент США - 2573168, кл. 74-1, опублик. 1951. (54) (57) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНЦЕНТРАТОР

ПРОДОЛЬНО-КРУТИЛЬНЫХ ВОЛН в виде тела вращения переменного сечения с диаметром, изменяющимся вдоль оси симметрии по экспоненциальному закону, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет одновременного усиления резонансных про-. дольных и крутильных колебаний одинаковой частоты, его профиль имеет форму, удовлетворяющую уравнению е" Р д, — диаметр поперечного сечения в точке Х, d диаметр минимального поперечного сечения, и =1,2,3... — число, определяющее форму продольно-крутильных колебаний, (— координата; — длина концентратора1 — коэффициент Пуассона материала конй д центратора °

1150045 к=и4рТе....; (3) /nß х 1+2 4 х= 3о ехР Р 2-2-Э где dÄ

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в устройствах для ультразвуковой обработки материалов, очистки деталей и усталостных испытаний. 5

Известно устройство с одновременным возбуждением продольно-крутильных колебаний, предназначенное для различных видов ультразвуковой обработки, содержащее ультразвуко- 10 вой концентратор, выполненный со спиральными пазами (1) .

Однако в таком концентраторе невозможно осуществить независимое (одной частоты) возбуждение совмест- 15 ных продольных и крутильных резонансных колебаний. В связи с тем, что поперечное сечение концентратора со спиральными пазами некруглое, здесь возможно возбуждение, например 20 только резонансных продольных коле— баний, которым будут сопутствовать вынужденные слабые крутильные колебания. В случе же возбуждения в таком концентраторе резонансных крутильных колебаний сопутствующими будут вынужденные слабые продольные.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ультразвуковой концентратор продольно-крутильных волн в виде тела вращения переменного сечения с диаметром, изменяющимся вдоль оси симметрии по экспоненциальному закону (2) .

Данный концентратор нельзя использовать для одновременного уси35 ления продольных и крутильных волн.

Цель изобретения — расширение функциональных воэможностей концентратора за счет одновременного усиле40 ния резонансных продольных и крутильных колебаний одинаковой частоты.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковом концентраторе продольно-крутильных волн в ви45 де тела вращения переменного сечения с диаметром, изменяющимся вдоль оси симметрии по экспоненциальному закону, его профиль имеет форму, удовлетворяющую уравнению

50 — диаметр поперечного сечения в точке х; 55 — диаметр минимального поперечного сечения, n=1,2,3,... — число, определяющее форму продольнокрутипьных колебаний; х координата, 1 — длина концентратора, коэффициент Пуассона материала концентратора.

На чертеже изображен ультразвуковой концентратор продольно-крутильных волн.

Концентратор 1 торцом 2 большого поперечного сечения жестко соединяется с электромеханическим преобразователем. К узкому торцу 3 концентратора прикрепляется либо технологический инструмент, либо образец для усталостных испытаний. Резонансные колебания, возбуждаемые в системе преобразователь-концентратор-инструмент, позволяют проводить либо технологические процессы (обработку, очистку), либо усталостные испытания.

Продольные колебания стержня в виде тела вращения переменного сечения, у которого текущее поперечное

4н сечение изменяется по закону F. = F 1

3 о описываются дифференциальным уравнекием ц F

Ц „u К ИО...... (1)

При К В 1», /2 решение уравнения (1) имеет вид (2) (А e nPx S со р>).....

Здесь значения К и /3 определяются как

P= к -(к/2) „... (4) где F — площадь поперечного сечения;

6 — круговая частота;

- плотность материала стержня;

t; — модуль упругости материала стержня. (du1

Из граничных условий 1 †= 0 х л=О (du и 1 — = О определяются В и р и

«x=0 уравнение (2) принимает вид х

5 l y>ix 2 и вЯх1

0-А 6 (6 n — + соб ) °" е е е -

Собственная частота продольных колебаний равна

1150045

0(0) аФ, 1 2 (14)

0 Щ 2-24 =ц. (=,, Л 1,. ) (9) 2 « „* (IO) 20 (-1 n 2 „и I w 2.4 (15)

Е(Е) 2-г "" л

О=С В чн — + — со

g +g e (12) „«" )Я(««R«) (13) Составитель В.Каминский

Редактор Т.Парфенова Техред А.Кикемеэей Корректор В.Синицкая

Заказ 2018/8 Тираж 452 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Крутильные колебания такого стержня описываются дифференциальным уравнением

«

В-— - 8- в=О.....

"" 1 где 1 — полярный момент инерции.

При % > в решейие уравнения (7) имеет вид

«

-ax (8) (c « ng««D «ое««)„„„

Здесь 9 и равны

Так же, как и в случае продольных колебаний, находятся 3 и )" и уравнение (8) принимает вид

Собственная частота крутильных колебаний будет равна

Показатель экспоненты g определяется из условия равенства собственных частот продольных и крутильных колебаний

Таким образом, одновременное усиление и продольных и крутильных колебаний ультразвуковым концентратором в виде тела вращения переменного сечения с диаметром, изменяющимся вдоль оси симметрии по экспоненциальному закону, достигается в том случае, если диаметр текущего поперечного сечения определяется выражением

Из уравнений (5) и (11) усиление продольных колебаний равно а усиление крутильных колебаний равно

Из уравнений (14) и (15) видно, что усиление изменяется в завксимос25 ти от формы колебаний (с ростом и усиление возрастает).

Таким образом, использование предлагаемого ультразвукового концентратора дает возможность одновременно усиливать резонансные продольные и крутильные колебания одной частоты, что позволяет интенсифицировать различные технологические процессы, а также (при. применении концентратора для проведения усталостных испытаний) моделировать в образцах. сложное напряженное состояние.