НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Мовчанюк Андрій Валерійович

УДК 621.787.6 :621.789

ВИСОКОЕФЕКТИВНИЙ ПРИВІД

ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЇ ВІБРОУДАРНОЇ

ОБРОБКИ МЕТАЛІВ

Спеціальність 05.02.03 - системи приводів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки механіко-машинобудівного інституту та кафедрі радіоприймання та оброблення сигналів Національного технічного університета України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, доцент

Луговський Олександр Федорович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”,

професор кафедри прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки механіко-машинобудівного інституту,

м. Київ

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Струтинський Василь Борисович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри конструювання верстатів та машин,

м. Київ

кандидат технічних наук

Солонін Ростислав Іванович

АНТК „Антонов”, провідний конструктор,

м. Київ

Провідна установа: | Національний транспортний університет

м. Київ.

Захист відбудеться “29 травня 2007 р. о 15-00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 1, ауд.№214.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр-т Перемоги, 37 .

Автореферат розіслано “ ” квітня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., проф. Майборода В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність проблеми. Сучасний інтенсивний розвиток багатьох галузей промислового виробництва пред’являє все більш жорсткі вимоги до рівня технологій, що в них використовуються. На цей час важко знайти виробництво, у якому б не знайшли застосування металеві конструкції і, відповідно, різні технологічні процеси, що впливають на їх міцність, витривалість, стійкість до негативних впливів середовища та інше.

Одним з найбільш ефективних способів енергетичного впливу на властивості металів, сплавів, зварних з’єднань є використання віброударних процесів обробки поверхонь. При цьому частота ударів може змінюватися від одиниць герц до десятків кілогерц. Віброударне устаткування різниться фізичними ефектами, що лежать в основі отримання віброударного режиму. Можна виділити устаткування з пневматичними, електромагнітними та акустичними збуджувачами. Одним з найперспективніших типів приводів для віброударної обробки є такі, що побудовані на базі ультразвукових електромеханічних перетворювачів. На даний час відомі зразки вібраційних приводів з використанням магнітострикційних ультразвукових перетворювачів. Однак досягнення останніх років у галузі створення сучасних високоефективних п’єзокерамічних матеріалів дозволили відмовитися від громіздких та малоефективних магнітострикційних джерел ультразвукових коливань і дали поштовх до подальшого вдосконалення і створення принципово нових приводів на основі п’єзокерамічних перетворювачів великої потужності. Так, впровадження сучасних п’єзоелектричних перетворювачів, які мають більш ніж в 2 рази більший коефіцієнт корисної дії за рахунок високої добротності, дозволило відмовитися від систем рідинного охолодження та зменшити масо-габаритні параметри в декілька разів. Значно розширився й частотний діапазон роботи перетворювачів.

Але недостатня вивченість складного вібромеханічного режиму навантаження резонансних п’єзоелектричних приводів, відсутність математичних моделей для аналітичних досліджень та інженерних методик розрахунку ультразвукових перетворювачів для вібраційних приводів, що дозволяють поєднати в одне ціле оброблювану поверхню, проміжні елементи, ультразвукові перетворювачі та електронну систему керування, перешкоджає створенню високоефективних приводів і унеможливлює доведення багатьох технологічних процесів обробки металу та зварних з’єднань до високого рівня вимог сучасних виробництв.

Великий внесок у розвиток вибраного напрямку зробили такі відомі вчені як Прокопенко Г.І., Луговський О.Ф., Кобринський А.А., Кобринський А.Е., Кравцов Т.Г., Горохов В.А., Міхеєв П.П., Клейман Я.І., Кудрявцев Ю.Ф., Статніков Е.Ш., Пановко Я.Г, Муханов І.І., Марков А.И., Бергман Л.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота була виконана за планами розвитку наукових напрямків “Ультразвукові кавітаційні технології та пристрої” на кафедрі прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки та “Проектування потужних ультразвукових пристроїв технологічного призначення” на кафедрі радіоприймання та оброблення сигналів Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. Окремі розділи дисертації є результатом науково-дослідних та дослідно-конструкторських бюджетних робіт:

- № 0198U001102 “Розробка високоточних пристроїв та засобів автоматизованого проектування і дослідження систем автоматизації механізмів та машин”;

- № 0100U000966 “Засоби створення електрогідропневматичних систем з підвищеними показниками надійності, енергонасиченості та екологічної чистоти”;

- № 0102U002482 “Розробка та дослідження нових технологій на базі кавітаційно-хвильових процесів в рідині”.

Окремі положення дисертації є результатом виконання господарсько-договірної роботи №708/47 “Розробка та дослідження п’єзогідравлічних приводів з цифровим управлінням”.

Виконання дисертаційної роботи планувалося з урахуванням можливості використання результатів при підготовці спеціалістів за спеціальністю “Гідравлічні і пневматичні машини” 7.090209 по дисциплінах “Основи теорії гідроавтоматики”, “Гідроавтоматика та керування”, “Електронно-механічні та електронно-гідравлічні пристрої” та “Пропорційний та слідкуючий привід роботів та маніпуляторів”, а також за спеціальністю “Радіотехніка” 6.090700 по дисципліні “Акустика та акустичні пристрої”.

Мета та задачі дослідження. Метою даної роботи є створення ультразвукового резонансного вібраційного приводу з підвищеними енергозберігаючими характеристиками для віброударної обробки металу.

Для досягнення зазначеної мети вирішувалися такі задачі:

- аналіз фізики процесу ультразвукової віброударної обробки та оцінка ефективності існуючих для його реалізації електромеханічних приводів;

- розробка математичних моделей механічної віброударної та електромеханічної збуджуючої частин привода;

- аналітичне та експериментальне дослідження роботи ультразвукових п’єзоелектричних електромеханічних перетворювачів у складі механічних коливальних систем;

- теоретичне обґрунтування та експериментальне підтвердження доцільності підвищення енергозберігаючих характеристик вібраційного привода шляхом застосування в системі керування зворотнього зв’язку;

- розробка інженерних методик розрахунку вібраційних приводів для реалізації ультразвукових методів віброударної обробки металів та зварних з’єднань;

- створення та перевірка ефективності в умовах виробництва нових вібраційних приводів, що реалізують ультразвукові технології віброударної обробки металів.

Об’єкт дослідження – електромеханічний резонансний привод для ультразвукової віброударної обробки металів.

Предмет дослідження – віброударний режим роботи складної коливальної системи приводу, що збуджується п’єзоелектричним перетворювачем.

Метод дослідження – комплексний метод, що полягає в сумісному використанні фізичного, математичного та комп’ютерного моделювання з наступним експериментальним підтвердженням адекватності отриманих результатів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- створені теоретичні основи проектування ультразвукових віброударних приводів на базі п’єзоелектричних перетворювачів, які полягають у створенні фізичної моделі, розробці математичних моделей механічної віброударної та електромеханічної збуджуючої частин, а також чисельному моделюванні області існування віброударного режиму роботи привода;

- теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено доцільність підвищення енергозберігаючих характеристик вібраційного привода за рахунок застосування в системі керування зворотнього зв’язку, що забезпечує резонансний режим роботи коливальної системи привода та стабілізацію заданої технологічним процесом амплітуди коливань.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено програмне забезпечення для системи автоматизованого проектування резонансних віброударних приводів;

- розроблено вимоги та рекомендації до побудови та технологічного застосування ультразвукових віброударних приводів;

- на основі розроблених методик та отриманих результатів наукових досліджень створено та передано для застосування новітні зразки резонансних приводів для ультразвукової віброударної обробки металів у такі підприємства та установи:

- АТ “Коростенський фарфор” (м. Коростень);

- інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України;

- інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України;

-Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” .

Особистий внесок здобувача. Автором сформульована задача, що вирішується в дисертаційній роботі. Особисто автором складені фізична та математична моделі процесу роботи віброударного резонансного приводу, складено математичну модель п’єзоелектричного перетворювача. Особисто автором розроблені номограми для розрахунку ультразвукових п’єзоперетворювачів, що використовуються для розробки ультразвукового приводу та п’єзоелектричного перетворювача. Чисельне моделювання та експериментальні дослідження проводилися безпосередньо автором. Система керування приводом розрахована та спроектована автором. Впровадження результатів дисертаційної роботи здійснювалося колективом наукових співробітників при безпосередній участі автора. Усі винаходи, що зроблені в ході виконання роботи, є результатом колективної творчості.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на таких науково-технічних конференціях та семінарах:

- III Міжнародна науково-практична конференція “Сучасні технології в аерокосмічному комплексі” (м. Житомир, 1997р.);

- I Міжнародна конференція “Сучасні технології ресурсо-енергозбереження” (м. Партенід, 1997 р.);

- IV Міжнародна науково-практична конференція “Сучасні технології в аерокосмічному комплексі” (м. Житомир, 1999 р.);

- V Українська науково-технічна конференція ”Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 2000 р.);

- VII Міжнародна конференція ”Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 2002р.);

- IX Міжнародна конференція ”Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 2004р.);

- XI Міжнародна конференція ”Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 2006р.);

- VII науково-технічна конференція АС ПГП ”Промислова гідравлика і пневматика” (м. Вінниця, 2006 р.);

- науковий семінар кафедри прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки Національного технічного університету України „КПІ” (м.Київ, 2006р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 20 друкованих роботах, серед них: 9 статей у спеціалізованих фахових виданнях, 8 патентів України.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів основної частини, загальних висновків, списку використаних джерел, що містить 99 найменувань та 9 додатків. Повний обсяг дисертації становить 211 сторінок машинописного тексту, включаючи 116 рисунків, 5 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі досліджень, викладено наукове й практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі розглянуті питання особливостей внутрішньої будови металів і сплавів. Відзначено, що у внутрішній структурі металів мають місце дефекти кристалічної решітки - крапкові, лінійні (дислокації) та поверхневі, що впливають на характеристики міцності виробів з металу. При цьому будь-які види обробки металів у тій або іншій мірі впливають як на кристалічну структуру, так і на кількість дефектів у кристалічних решітках. В залежності від щільності дислокацій границя міцності металу може, як збільшуватися, так і зменшуватися. Зміна щільності дислокацій є ефективним засобом впливу на характеристики міцності та витривалості металів. Одним з методів впливу на щільність дислокацій є поверхнева пластична деформація. Розглянуто основні методи здійснення поверхневої пластичної деформації й відзначено, що основне розходження між цими методами полягає в енергії впливу на поверхню металу, конструкціях вібраційних приводів і фізичних принципах збудження коливань .

Розглянуто основні існуючі конструкції вібраційних приводів, що застосовуються для поверхневої пластичної деформації. Особлива увага приділена ультразвуковим приводам, які є найбільш перспективними. Проаналізовано основні труднощі, що супроводжують застосування ультразвукової апаратури для поверхневої пластичної деформації. Встановлено, що відомі зразки ультразвукової апаратури базуються на ефекті магнітострикції, який відрізняється низьким ККД, необхідністю застосування примусового водяного охолодження приводу, а також великими масо-габаритними показниками конструкції електронної системи керування приводом. Це унеможливлює розробку портативних зразків резонансних приводів для віброударної обробки металів. Відзначено, що одним з шляхів вирішення цієї проблеми є перехід на резонансні приводи, електромеханічний перетворювач яких працює на основі ефекту електрострикції. Виконання ультразвукового електромеханічного перетворювача привода із сучасних п’єзокерамічних матеріалів дозволяє в 2,5 рази підвищити ККД і відповідно істотно поліпшити масо-габаритні показники. Це дасть можливість створити портативний ультразвуковий резонансний привод для обробки металів. Показано, що доцільно зробити перехід на суттєво нижчі потужності приводу, а стабілізацію характеристик віброударного режиму забезпечити за рахунок застосування зворотнього зв’язку в системі керування (рис.1).

Аналіз технічної літератури показує, що для створення високоефективного ультразвукового віброударного приводу необхідно використовувати комплексний підхід з урахуванням фізики процесу пластичної деформації, особливостей віброударного навантаження п'єзоелектричного перетворювача, що збуджується на резонансній частоті, побудови акустичної системи генератора механічних коливань, а також електронної системи керування приводом.

Для реалізації такого підходу необхідно розробити математичні моделі механічної віброударної та електромеханічної збуджуючої частин приводу з урахуванням фізики процесу ультразвукової віброударної обробки, побудувати та аналітично дослідити області існування віброударного режиму та сформулювати основні вимоги до складових частин вібраційного привода. Аналітично та експериментально дослідити роботу ультразвукових п’єзоелектричних електромеханічних перетворювачів. Теоретично обґрунтувати та експериментально підтвердити доцільність підвищення енергозберігаючих характеристик вібраційного привода шляхом застосування в системі керування зворотнього зв’язку. Розробити інженерні методики розрахунку вібраційних приводів для реалізації ультразвукових методів віброударної обробки металів та зварних з’єднань. Створити нові зразки вібраційних приводів, що реалізують ультразвукові технологій обробки металів та перевірити їх ефективність в умовах виробництва.

Другий розділ присвячений розробці математичної моделі електромеханічної коливальної системи ультразвукового вібраційного привода. При цьому задача була розділена на дві частини – розробка математичної моделі віброударної частини привода та розробка математичної моделі ультразвукового електромеханічного перетворювача на основі п’єзокераміки. Для моделювання віброударної частини була використана еквівалентна розрахункова схема (рис. 2), де ультразвуковий перетворювач представлено у вигляді елемента із зосередженими параметрами.

Ударник масою М (ультразвуковий перетворювач) встановлено з натягом на пружині жорсткістю , що збуджується силою , де - амплітуда збуджуючої сили; - кругова частота збуджуючої сили; - початкова фаза збуджуючої сили. Бойок масою по черзі ударяє по ударнику та плиті. Нехай положення ударника і бойка описуються узагальненими координатами та відповідно. Координатна вісь має напрям від плити до ударника. Початок координат сполучений з точкою, що відповідає положенню ударника при недеформованому стані пружини, а бойок і ударник розташовані в горизонтальній площині. При цьому впливом на систему сили ваги і сил тертя знехтуємо. У зв'язку з тим, що на ударник у проміжки часу між зіткненнями діють збуджуюча сила і сила пружності пружини, а на бойок не впливають сторонні сили, запишемо систему рівнянь, що описують рух ударника і бойка в проміжках часу між зіткненнями:

Увівши позначення , де - частота власних коливань ударника на пружині, перетворимо систему рівнянь на вид

Розв’язок отриманої системи рівнянь будемо шукати у вигляді

де - деякі сталі величини; - проміжок часу між зіткненням бойка з ударником і бойка з плитою; - проміжок часу між зіткненнями бойка з плитою та бойка з ударником.
При цьому розглядалися параметри “правильного” віброударного режиму, коли за один період відбувається тільки одне зіткнення в кожній ударній парі.

Введемо позначення: - коефіцієнт відновлення в ударній парі “бойок-ударник”; - коефіцієнт відновлення при ударі бойка по плиті;

; ; ; ; - ціле натуральне число.

В результаті отримано вирази для швидкості бойка та фази зіткнення:

де :

На підставі отриманих виразів можна знайти границі області існування віброударного режиму:

Модель ультразвукового електромеханічного п’єзоперетворювача створена методом інверсних електромеханічних аналогій у декілька етапів. При цьому розглядався випадок тонких стрижнів, що дозволило звести задачу до одномірної вздовж осі . Спочатку була отримана математична модель стрижня змінного перерізу. Потім, як окремий випадок, математична модель для стрижня постійного перерізу. Була розроблена і математична модель п’єзокерамічного елемента з накладками, що знижують частоту.

Стрижень змінного перерізу, площа якого змінюється за функцією , розглядався як еквівалентна довга лінія зі змінними погонними параметрами. При цьому на кінцях стрижня приймаються до уваги сила та швидкість . Для елемента стрижня довжиною було встановлено, що розповсюдження поздовжніх механічних коливань описується системою диференційних рівнянь

;

.

Розв’язок системи диференційних рівнянь отримано при таких граничних умовах:

; ; ; ; ; .

Після розв’язання системи диференційних рівнянь отримано матрицю, що зв’язує швидкості і сили на кінцях стрижня:

,

де - декремент загасання; - фазова стала розповсюдження.

Отримана матриця аналогічна А-матриці, що використовується в радіотехніці для опису процесів в довгих лініях, і яка дозволила довести, що відрізок стрижня змінного перерізу малої довжини може розглядатися як еквівалентна маса. Також була отримана А-матриця, що описує поведінку стрижня з постійною площею перерізу та довжиною :

,

де ; - густина матеріалу стиржня; - модуль Юнга.

При розробці математичної моделі п’єзоелемент розглядається як відрізок стрижня постійного перерізу з електромеханічним перетворювачем і являє собою еквівалентний шестиполюсник, що зв’язує між собою електричні та механічні величини (рис.3). При цьому та - параметри еквівалентної схеми заміщення, що залежать від площі, довжини, швидкості звуку та густини матеріалу п’єзоелемента; - параметр чотирьохполюсника зв’язку, що перетворює струм та напругу в силу та швидкість

,

де lк – товщина п’єзоелемента; d33 – поздовжній п’єзомодуль; Sк – площа п’єзоелемента; – модуль Юнга.

Скориставшись математичною моделлю п’єзоелемента і доповнивши її накладками з металу для випадку мінімальної резонансної довжини, отримаємо еквівалентну схему перетворювача, який можна використати для збудження віброударної системи. З урахуванням того, що одна з накладок перетворювача працює в режимі холостого ходу, еквівалентний шестиполюсник можна згорнути до еквівалентного чотирьохполюсника. У такому випадку математичною моделлю напівхвильового перетворювача буде Н-матриця, що пов’язує струм та напругу на електричних зажимах та силу і швидкість на торці робочої накладки:

де - параметри згортання шестиполюсника; - фазова стала розповсюдження матеріалу робочої накладки; - довжина робочої накладки.

Третій розділ присвячено дослідженню роботи ультразвукового резонансного приводу для віброударної обробки металів. Було проведено чисельне моделювання границь існування віброударного режиму. Приклад розрахованої залежності наведено на рис.4. При розгляданні залежностей границі існування віброударного режиму було встановлено можливість використання як ударника п’єзоелектричного перетворювача і сформульовано такі вимоги до ультразвукового приводу: частота ультразвукових коливань ударника повинна дорівнювати 22 кГц; амплітуда коливань ультразвукового перетворювача повинна бути не менше 5 мкм; система керування повинна підтримувати не тільки резонансний режим роботи, а й амплітуду коливань; при розрахунках повинні враховуватися не тільки резонансні розміри ультразвукового перетворювача, а і його маса.

На базі розробленої математичної моделі було запропоновано інженерну методику розрахунку акустичних розмірів п’єзоелектричного перетворювача, що дозволяє значно спростити розрахунки. Згідно цієї методики довжина робочої накладки може бути обчислена відповідно до виразу

,

де - довжина робочої накладки; - кругова резонансна частота; - акустична провідність матеріалу п’єзокераміки; - акустична провідність матеріалу тильної накладки;та - кутові довжини п’єзокераміки та тильної накладки відповідно.

Скориставшись характеристиками матеріалів, що можуть бути використані для виробництва перетворювача, були розраховані та побудовані номограми, за якими можна знайти резонансні розміри частин перетворювача (рис.5).Варто відзначити, що отримані номограми призначені для розрахунку напівхвильового перетворювача. В разі розрахунку хвильового перетворювача довжину робочої накладки треба збільшити на половину довжини хвилі. Також було розраховано залежності маси перетворювача від вибору місця розміщення п’єзокераміки.

У зв’язку з тим, що напівхвильовий перетворювач класичної конструкції Ланжевена не здатен створювати коливання великої амплітуди, які необхідні для роботи віброударної системи привода, його потрібно доповнити трансформатором швидкості. Трансформатор швидкості в загальному варіанті являє собою стрижень змінного перерізу. Найбільш розповсюдженим є ступінчастий трансформатор швидкості. Він складений з двох стрижнів чвертьхвильової довжини з різними площами перерізу. Матриця трансформатора швидкості може бути отримана множенням відповідних матриць окремих стрижнів:

,

де

;

;

;

;

- стала розповсюдження хвилі поздовжньої деформації в стрижнях.

Якщо доповнити Н-матрицю півхвильового перетворювача Т-матрицею трансформатора швидкості, то отримаємо F-матрицю хвильового перетворювача:

,

де

;

;

;

;

- матриця передачі робочої накладки;

- матриця передачі п’єзоелемента з тильною накладкою.

Отримані моделі дозволили розрахувати і виготовити зразки ультразвукових п’єзоелектричних перетворювачів для вібраційних приводів (рис.6). На базі розроблених матричних виразів було розраховано їх основні характеристики, а саме, амлітудно-частотні та фазо-частотні характеристики. Експериментальні випробування показали, що розбіжність експериментальних і розрахованих даних лежить в межах 2%.

На базі отриманих матричних залежностей також було вивчено поведінку хвильового перетворювача з точки зору електронної системи керування. Було показано, що хвильовий перетворювач має декілька “паразитних” резонансів за межами робочої частоти. В зв’язку з тим, що для роботи ультразвукового генератора необхідно виконання умов баланса фаз і амплітуд, то в електронну схему системи керування необхідно ввести вузол, що забезпечує частотну селекцію. Було пророблено і обґрунтовано схему побудови і елементну базу вихідного каскаду ультразвукового генератора. Також було розроблено загальну структурну схему електронного блока системи керування резонансним приводом. Були пророблені питання узгодження вихідного каскаду ультразвукового генератора і п’єзоелектричного перетворювача, виділення сигналу зворотнього зв’язку та регулювання і підтримання амплітуди коливань ультразвукового перетворювача. На базі структурної схеми було розроблено електричну принципову схему системи керування приводом.

На базі розробленого вібраційного привода було створено експериментальну установку для вивчення основних закономірностей роботи віброударної частини привода. Було встановлено, що основними факторами, що впливають на роботу інструмента є амплітуда механічних коливань ультразвукового перетворювача і величина натягу у віброударній системі. Експерименти проводилися шляхом вимірювання швидкості бойка при ударі по плиті. Удари сприймалися вимірювальним п’єзоперетворювачем, що був закріплений на плиті. Реєстрація та обробка сигналів відбувалася за допомогою АЦП та ЕОМ. Аналіз отриманих сигналів проводився в частотній (рис.7) та часовій (рис.8) областях за допомогою пакету математичного моделювання MatLab.

Проведений аналіз експериментальних даних показує, що в експериментальній установці має місце віброударний режим, який підтверджує адекватність представлених раніше математичних моделей та технічних рішень. При збільшенні амплітуди коливань вібраційного резонансного привода збільшується інтенсивність віброударного впливу на оброблювану поверхню. Зі збільшенням натягу в системі ефективність роботи спочатку зростає, а потім зменшується. При цьому для кожної амплітуди коливань існує оптимальний натяг. Чим більше амплітуда коливань, тим більше повинен бути натяг. Стабільна робота вібраційного привода в широкому діапазоні зміни навантаження підтверджує ефективність розробленої системи керування.

Четвертий розділ присвячено технічному опису розробленого з використанням результатів проведених досліджень високоефективного привода USP-200 для ультразвукової віброударної обробки металів (рис. 9) та деяким технологічним результатам його застосування.

Розроблений привод складається з ультразвукового перетворювача з набором змінних обойм та електронного блока системи керування. В обоймі можуть бути встановлені бойки різної геометричної форми та кількості, обумовлених вимогами технологічного процесу. Електронний блок системи керування забезпечує втримання вібраційного привода на резонансному режимі роботи та автоматичне підтримання амплітуди коливань робочого торця ультразвукового перетворювача. Розроблені модифікації високоефективного ультразвукового віброударного привода для ручного використання та використання в складі роботизованих комплексів та устаткування для обробки довгомірних виробів. При цьому маса приводу не перевищує 7 кг, а потужність, що споживається не перевищує 250 Вт.

З метою перевірки ефективності розробленого апаратного комплексу проведено низку експериментів. Наприклад, було проведено порівняльний аналіз розробленого привода з приводом, що використовує магнітострикційний перетворювач (при потужності 1кВт). При експериментальній перевірці оброблялася зона, що прилягає до зварювального шва (рис.10).

Випробування показали, що обидва приводи збільшили втомну міцність зварного з’єднання на 45%. При цьому розроблений привод споживав у 4 рази менше електричної енергії і мав у 15 разів меншу вагу, що підтвердило його ефективність.

Також було проведено дослідження зміни втомної міцності таврових з’єднань із сталі 10ХГС (рис. 11). Результати випробувань показали, що на усіх зразках (виключаючи зразок 4, що мав дефект шва) втомна міцність зварного з’єднання виявилася вищою ніж міцність від утоми основного металу. Також були проведені експерименти для виявлення ступеню впливу ультразвукової віброударної обробки в залежності від марки сталі. Випробування показали, що в залежності від марки металу змінюється ефективність обробки.

Проведені експерименти показали, що розроблений вібраційний привод значно покращив енергетичні характеристики процесу ультразвукової віброударної обробки. Підвищення ефективності вдалося досягти завдяки використанню ультразвукового п’єзоелектричного перетворювача на базі п’єзокераміки, а також удосконаленню схеми системи керування вібраційним приводом шляхом застосування зворотнього зв’язку. Система підтримання амплітуди дозволила приводу працювати при зміні навантаження в широких межах, що сприяє підтриманню стійкого віброударного режиму.

ВИСНОВКИ

1. Вперше обґрунтована можливість підвищення енергозберігаючих характеристик вібраційних резонансних приводів для ультразвукової віброударної обробки металів за рахунок використання в електромеханічній коливальній системі п’єзоелектричного генератора коливань у поєднанні з автоматичною системою підтримання резонансного режиму та амплітуди коливань та створено теоретичні основи їх проектування, які полягають у створенні фізичної моделі, розробці математичних моделей механічної віброударної та електромеханічної збуджуючої частин, а також чисельному моделюванні області існування віброударного режиму роботи привода.

2. На базі математичних моделей розроблено програмне забезпечення для систем автоматизованого проектування, яке дозволяє дослідити області існування віброударного режиму та розрахувати раціональні характеристики і параметри коливальної системи приводу.

3. З’ясовано особливості побудови електронної системи керування резонансним віброударним приводом та розроблено способи організації зворотнього зв’язку, що дозволило досягти стабільності віброударного режиму при суттєвому зменшенні потужності споживання.

4. Встановлено та експериментально підтверджено, що основними параметрами, які впливають на ефективність роботи ультразвукового віброударного привода при заданій масі бойків, є амплітуда коливань та величина натягу у коливальній системі.

5. Розроблений та переданий у виробництво для використання високоефективний привод на базі п’єзоелектричного перетворювача для ультразвукової віброударної обробки металів, який завдяки застосуванню запропонованих методик і результатів проведених досліджень забезпечує у порівнянні з відомими віброударними приводами підвищення втомної міцності зварних з’єднань з конструкційних сталей на 45% при зниженні ваги у 15 разів і потужності споживання у 7 разів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ВИСВІТЛЕНО У ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Мовчанюк А.В., Луговской А.Ф., Чорный В.И., Прокопенко Г.І. Динамическая модель ультразвукового инструмента для виброударной обработки поверхности // Всеукраїнський науково-технічний журнал “Промислова гідравліка і пневматика”,№4(6),2004.-С.80-85. (Автором розроблена математична модель та виконана експериментальна перевірка).

2. Мовчанюк А.В. Методика расчета стержневого преобразователя, нагруженного жидкой средой// Вестник национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”.Серия машиностроение.-Київ,Вип.38,Том 2,2002. -С.72-74.

3. Мовчанюк А.В. Повышение точности расчета ультразвуковых преобразователей для распыления жидких сред// Збірка наукових праць ВПФ НТУУ “КПІ” “Технологія і техніка друкарства”,,№4(6),2004, Київ. -С.49-55.

4. Мовчанюк А.В., Фесіч В.П., Кирпатенко І.М., Луговський О.Ф., Прилипко Ю.С. Інженерна методика визначення параметрів схеми заміщення п`єзоперетворювача// Вісник НТУУ “КПІ”. Серія – радіотехніка. Радіоапаратобудування. 2006.- вип.33. -С.57-65. (Автором розроблені основні положення методики та здійснена експериментальна перевірка ).

5. Луговской А.Ф., Чорный В.И., Чухраев Н.В., Мовчанюк А.В. Возможности получения мелкодисперсного аэрозоля в медицинских ингаляторах // Вестник Национального технического универсистета Украины “КПИ”. Машиностроение. – 2000. - Вып. 38. - С. 163-168. (Автором виконані експериментальні дослідження ультразвукових перетворювачів ).

6. Луговський О.Ф., Мовчанюк А.В., Чорний В.І. Проблеми побудови багатоточкових систем ультразвукового розпилення рідини // Вибрации в технике и технологиях. – 2003. - № 3 (29). - С. 3-8. (Автором розроблена математична модель та розробленні варіанти схем з’єднання ультразвукових перетворювачів з електронною схемою керування ).

7. Луговський О.Ф., Мовчанюк А.В., Чорний В.І. Особливості проектування ультразвукових кавітаційних камер обмеженого об’єму, що утворені плоскими поверхнями // Вестник Национального технического университета Украины “КПИ”. Машиностроение. - 2003. - Вип. 44. - С. 228–233. (Автором розроблена математична модель ультразвукового перетворювача в умовах змінного навантаження).

8. Луговський О.Ф., Мовчанюк А.В., Чорний В.І. Дослідження кавітаційного поля в циліндричній камері з ультразвуковими випромінювачами на утворюючій поверхні // Промислова гідравліка і пневматика. - 2004. - № 1 (3). - С. 35-38. (Автором виконано математичне моделювання резонансного режиму роботи системи ультразвукових перетворювачів ).

9. Луговський О.Ф., Яхно О.М., Мовчанюк А.В., Чорний В.І. Підвищення ефективності циліндричних ультразвукових кавітаційних камер // Промислова гідравліка і пневматика. - 2005. - № 1 (7). - С. 17-20. (Автором розроблена математична модель ультразвукового перетворювача в умовах змінного навантаження ).

10. Патент № UA 68264; 15.07.04. Бюл. № 7; Прокопенко Г.І., Луговський О.Ф., Чорний В.І., Мовчанок А.В., Фесіч В.П., Клейман Я.І., Кудрявцев Ю.Ф. Ультразвуковий інструмент для деформаційного зміцнення і релаксаційної обробки металів. (Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

11. Патент № UA 72708; 15.03.05. Бюл. № 3; Прокопенко Г.І., Чорний В.І., Луговський О.Ф., Мовчанок А.В., Фесіч В.П., Клейман Я.І., Кудрявцев Ю.Ф. Система керування ультразвуковим перетворювачем пристрою для ультразвукової віброударної обробки металів. (Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

12. Патент № UA 54630А; 17.03.03. Бюл. № 3; Чорний В.І., Мовчанок А.В., Пристрій керування ультразвуковим перетворювачем. (Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

13. Патент № UA 52894; 15.01.03. Бюл. № 1; Луговський О.Ф., Мовчанюк А.В., Чорний В.І., Чухраєв М.В. Ультразвуковий розпилювач рідини. (Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

14. Патент № UA 55279А; 17.03.03, Бюл. № 3; Луговський О.Ф., Чорний В.І., Мовчанюк А.В. Пристрій для ультразвукової обробки рідини в протоці. (Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

15. Патент № UA 55323А; 17.03.03. Бюл. № 3; Чорний В.І., Луговський О.Ф., Мовчанюк А.В. Спосіб обробки і очистки рідини та пристрій для його використання. (Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

16. Патент № UA 62448А; 15.12.03. Бюл. № 12; Луговський О.Ф., Чорний В.І., Мовчанюк А.В., Плісс А.А. Пристрій для ультразвукового розпилення рідин. (Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

17. Патент № UA 53409А; 15.01.03. Бюл. № 1; Чорний В.І., Луговський О.Ф., Мовчанок А.В., Фесіч В.П. Спосіб ультразвукової очистки виробів. (Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

18. Луговський О.Ф., Чорний В.І., Єременко О.І., Мачуський Є.А., Мовчанюк А.В. Ультразвукова обробка палива як шлях підвищення економічності і довговічності двигуна внутрішнього згоряння. // Современные технологии ресурсоэнергосбережения. Труды 1-ой международной конф. - Партенид. - 1997. – Вып. 2. - С. 88-91. (Автором виконана експериментальна частина).

19. Чорний В.І., Єременко О.І., Мовчанюк А.В. Деякі методи стабілізації і регулювання амплітуди механічних коливань в ультразвукових медичних апаратах// Сучасні технології в аерокосмічному комплексі: Матеріали 3-ї міжнародної науково-практичної конференції, Житомир, 1997.- С.168-169. (Автором виконана експериментальна частина).

20. Чорный В.И., Луговской А.Ф., Мовчанюк А.В. Особенности малогабаритных ультразвуковых станков для обработки твердых и хрупких материалов // Сучасні технології в аерокосмічному комплексі: Матеріали 4-ї міжнародної науково-практичної конференції, Житомир, 1999.- С.41-42. (Автором виконана експериментальна частина).

АНОТАЦІЯ

Мовчанюк А.В. Високоефективний привод для ультразвукової віброударної обробки металів. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.03 – системи приводів. - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007.

Робота присвячена вирішенню проблем створення високоефективного обладнання для ультразвукової віброударної обробки металів та зварних з’єднань. Детально розглянуто процес роботи ультразвукового віброударного привода. Завдяки експериментальним дослідженням уточнена фізична модель процесу віброударної обробки. Створено математичну модель роботи віброударної частини привода. Створено математичну модель ультразвукового генератора механічних коливань на базі п’єзоелектричного перетворювача. Розроблено методику розрахунку ультразвукових перетворювачів на базі п’єзокераміки для використання в ультразвукових апаратних засобах підвищеної потужності. Представлені результати чисельного моделювання границі існування віброударного режиму резонансного привода. Розроблено принципи побудови електронних систем керування ультразвуковими перетворювачами в умовах змінного навантаження.

Комплексне врахування результатів виконаних наукових досліджень та запропонованих методик проектування дозволило розробити вібраційний резонансний привод високої ефективності, який реалізує технології ультразвукової віброударної обробки металів та зварних з’єднань.

Ключові слова: ультразвукова обробка, віброударна обробка, п’єзоелектричні перетворювачі, математична модель, методика розрахунку, система керування.

АНОТАЦИЯ

Мовчанюк А.В. Высокоэффективный привод для ультразвуковой виброударной обработки металлов. - Рукопись. Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.03 - системы приводов. - Национальный технический университет Украины „Киевский политехнический институт”, Киев, 2007.

Работа посвящена решению проблемы создания высокоэффективного оборудования для ультразвуковой виброударной обработки металлов и сварных соединений. Детально рассмотрен процесс работы ультразвукового виброударного привода. Проведенное экспериментальное исследование позволило уточнить физическую модель процесса виброударной обработки. Создана математическая модель работы электромеханической части привода, которая состоит из математической модели виброударной части привода и математической модели ультразвукового генератора механических колебаний на базе пьезоэлектрического преобразователя. Разработана методика расчета ультразвуковых преобразователей на базе пьезокерамики для использования в ультразвуковых аппаратных средствах повышенной мощности. Представлены результаты численного моделирования границы существования виброударного режима резонансного привода. Сформулированы требования к ультразвуковым преобразователям на основе пьезокерамики для использования в приводах виброударной обработки металлов.

Проведена экспериментальная проверка разработанных методик расчета электромеханических преобразователей. Разработаны принципы построения электронных систем управления ультразвуковыми преобразователями в условиях переменной нагрузки. Проанализированы способы снятия и введения сигнала обратной связи в системах управления.

Представлены результаты экспериментального исследования работы резонансного привода при различных амплитудах колебаний ультразвукового преобразователя и переменном натяге в системе. Приведены результаты обработки экспериментальных данных в частотной и временной областях. Показано, что основными параметрами, влияющими на работу привода, являются амплитуда колебаний рабочей поверхности электромеханического преобразователя и величина натяга в системе при заданной массе бойков.

Комплексный учет результатов выполненных научных исследований и предложенных методик проектирования позволил разработать вибрационный резонансный привод высокой эффективности, который реализует технологию ультразвуковой виброударной обработки металлов и сварных соединений.

Приведен анализ преимуществ созданного резонансного привода по сравнению с известными типами приводов для виброударной обработки металлов. Проверена эффективность технологического воздействия разработанного резонансного привода при обработке различных марок сталей.

Ключевые слова: ультразвуковая обработка, виброударная обработка, пьезоэлектрические преобразователи, математическая модель, методика расчета, система управления.

ANNOTATION

Movchanyuk A.V. High effective drive for ultrasonic pining treatment of metals. - Manuscript. Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.02.03 - systems of drives. - National technical university of Ukraine „Kiev polytechnic institute”, Kiev, 2007.

The work is devoted to solution of the problems of high effective facilities creation for ultrasonic pining treatment of metals and welded connections. The process of work of ultrasonic pining drive is considered in detail. The conducted experimental research allowed to specify the physical model of process of ultrasonic pining treatment. The mathematical model of work of the pining part of drive is created. The mathematical model of ultrasonic generator on the base of piezoceramic transformer is created. The method of computation of ultrasonic transformers on the base of piezoceramic for the use in ultrasonic facilities of the promoted power is developed. The results of numeral design of border of the pining mode existence of resonance drive are presented. Principles of construction of electronic charts of management by ultrasonic transformers in the conditions of the variable loading are developed.

Complex consideration of results of the executed scientific researches and offered methods of planning allowed to develop the vibration resonance drive high efficiency, which realize ultrasonic technologies of pining treatment of metals and welded connections.

Key words: ultrasonic treatment, pining treatment, piezoelectric transdouser, mathematical model, method of computation, chart of management