Повышение коэффициента усиления и частотной устойчивости ультразвуковой волноводной системы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012

УДК 621.9.048.6:678

Д. Л. НЕГРОВ Е. Н. ЕРЁМИН

Омский государственный технический университет

ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТЛ УСИЛЕНИЯ» ЧЛСТОТНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ УЛЬТРЛЗВУКОВОЙ ВОЛНОВОДНОЙ СИСТЕМЫ_________________________________

Разработан комбинированный инструмент для ультразвукового прессования, который повышает в четыре раза частотную устойчивость волноводной системы, обеспечивает эффективную работу ультразвуковой установки в целом и увеличивает предел прочности синтезируемого композиционного материала на 10 %.

Ключевые слова: ультразвуковой инструмент, полимерный композиционный материал, политетрафторэтилен, показатель частотной устойчивости.

Механические и триботехнические свойства политетрафторэтилена (ПТФЭ) позволяют применять его в узлах трения без смазки. В то же время низкая износостойкость политетрафторэтилена требует разработки новых способов и методов повышения механических и триботехнических свойств, для работы при высоких удельных нагрузках и скоростях скольжения [1].

Достичь существенного повышения эксплуатационных свойств полимерных композиционных материалов можно созданием усовершенствованных технологий получения этих материалов в направлении повышения уровня внешнего энергетического воздействия и активации компонентов непосредственно при синтезе полимерных композиционных материалов [2, 3].

Одним из способов внешнего энергетического воздействия на полимерные материалы является введение энергии ультразвуковых колебаний непосредственно при прессовании изделия [4], в результате чего в полимерах наблюдается целый ряд физических и химических явлений, приводящих к интенсификации процессов переработки, снижению энергоемкости оборудования, повышению качества готовых изделий.

Интенсификация процесса прессования полимерных композиционных материалов (ПКМ) энергией ультразвука сдерживается низкой эффективностью ультразвуковых передающих устройств (волноводов). Процесс прессования порошков сопряжен с большой технологической нагрузкой на ультразвуковую волноводную систему. Нагрузка вызывает смещение частоты колебаний волноводной системы, что выводит систему из резонансного режима, увеличивает потери энергии в акустической системе, резко уменьшает амплитуду колебательной скорости рабочего торца ультразвукового инструмента.

Это обстоятельство обуславливает необходимость учитывать характер и величину рабочей нагрузки при расчете параметров волноводной системы. Созданный в результате такого расчета ультразвуковой инструмент позволит существенно интенсифицировать процесс прессования ПКМ.

В соответствии с этим целью данной работы является создание ультразвукового инструмента с учетом

влияния характера и величины технологической нагрузки, действующей на акустический узел в процессе прессования трех политетрафторэтиленовых композиций, модифицированных: 8 % — скрытокристаллического графита (Ф4СКГ8), 6 % — углеродного волокна (Ф4УВ6) и 8 % — скрытокристаллического графита, 6 % — углеродного волокна и 2 % — МОБ2 (Ф4СКГ8 УВ6М2).

Для проведения исследования влияния ультразвуковых колебаний при прессовании порошков полимерных композиционных материалов была разработана специальная установка на базе гидравлического пресса (рис. 1). Ультразвуковая установка состоит из двух частей: силовой и колебательной. В силовую часть установки входит гидравлический пресс

Рис. 1. Схема установки для прессования изделий из фторопласта с наложением ультразвуковых колебаний: 1 - основание; 2 - шаровая опора;

3 - пресс-форма; 4 - волновод-пуансон;

5 - траверса; 6 - магнитострикционный преобразователь; 7 - направляющая колонна; 8 - гидроцилиндр;

9 - гидравлическая система

где <гшах — максимальное напряжение в волноводе.

Условие, сформулированное в третьем пункте, можно оценить устойчивостью собственной частоты колебаний системы к изменению нагрузки. Показатель частотной устойчивости определяется из выражения [5]:

П = АУ

(3)

Рис. 2. Ультразвуковой инструмент

МТ — 50, с максимальным усилием прессования 500 кН. Колебательная часть установки состоит из ультразвукового генератора УЗГ 2 — 4 М, имеющего выходную мощность 2,5 кВт и работающего в частотном диапазоне от 17,5 до 23 КГц. В качестве источника ультразвуковых колебаний был применен маг-нитострикционный преобразователь ПМС 15-А-18.

При прессовании, с использованием энергии ультразвуковых колебаний, порошок полимерного композиционного материала засыпается в пресс-форму 3 (рис. 1), закрепленную на шаровой опоре 2. Ультразвук включается одновременно с касанием волновода-пуансона 4 поверхности порошка. При этом ультразвуковые колебания передаются пресс-форме и всей массе порошка.

Анализ работы волноводной системы показывает, что для повышения эффективности процесса ультразвукового прессования необходимо выполнение следующих требований:

1) ультразвуковой инструмент должен обеспечивать требуемую амплитуду колебаний при заданной выходной площади инструмента;

2) динамические напряжения не должны превышать предела выносливости материала системы;

3) при изменении в процессе ультразвукового прессования действующей на нее технологической нагрузки, ультразвуковая система должна работать в режиме устойчивого резонанса.

При проектировании волноводной системы заданная выходная площадь инструмента (определяемая размерами прессуемого изделия) накладывает ограничения по коэффициенту усиления К :

где АТ — изменение технологической нагрузки, приводящее к рассогласованию системы;

А — изменение резонансной частоты системы под действием технологической нагрузки.

Очевидно, что чем больше показатель частотной устойчивости (О), тем более целесообразно применение волноводной системы в технологических процессах с немонотонной нагрузкой.

Ультразвуковой волновод-инструмент представляет собой резонансный полуволновой стержень (рис. 2) или совокупность стержней с заданным законом изменения площади поперечного сечения по его оси, совершающий продольные колебания.

По разные стороны от узловой плоскости колебаний волновода находятся различные по массе участки стержня. Поскольку усилия, действующие сверху и снизу от узловой плоскости колебаний, взаимно компенсируют друг друга, амплитуда колебаний торца меньшей площади больше, т.е. коэффициент устойчивости тем больше, чем больше масса выходного участка стержня.

Расчет такой волноводной системы есть комплексная задача, решаемая относительно двух противоположных вариантов: максимальной частотной устойчивости при заданном коэффициенте усиления и максимального коэффициента усиления при заданной частотной устойчивости.

В процессе прессования изделий из ПКМ амплитуда выходных колебаний, которая непосредственно зависит от коэффициента усиления волновода, определяется технологическими задачами, а ее падение под действием нагрузки, вследствие недостаточной частотной устойчивости, резко снижает эффективность работы всей волноводной системы. Поэтому первый вариант является более предпочтительным. Он может быть реализован при оптимизации геометрии волноводных систем из условия обеспечения максимальной частотной устойчивости при амплитуде необходимой для прессования.

Показатель устойчивости собственной частоты колебаний к изменению нагрузки определяли по формуле [5]:

(1)

где Авх и Авьж — входная и выходная амплитуда колебаний волновода. Необходимо учитывать, что чем больше коэффициент усиления тем больше динамические напряжения, возникающие в волноводе, выше потери энергии в волноводной системе, и ниже устойчивость акустической системы к нагрузке. Таким образом, амплитуда на рабочем торце прессового инструмента должна быть достаточной для выполнения процесса прессования.

Соответствие рассчитываемой волноводной системы второму пункту требований может быть оценено как:

ст <[ст 1]

тах і і

(2)

п =

(ЕР), _1

ЕЛ

АУ, _1 + а,

7 л

а, — їдЬік +1 ч? са _ _

.1Ь, 0

Е, _\Е, _1

Е

У, _1 + а,

ідРІі

—, (4)

А

>

>

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

95

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012

Рис. 3. Зависимость предела прочности от частоты колебания волновода при ультразвуковом прессовании ПКМ Ф4СКГ8 УВ6М2

Рис. 4. Зависимость предела прочности от частоты колебания волновода при ультразвуковом прессовании ПКМ Ф4СКГ8

Рис. 5. Зависимость предела прочности от частоты колебания волновода при ультразвуковом прессовании ПКМ Ф4УВ6

Комбинированный —«—Ступенчатый Экспоненциальный Рис. 6. Зависимость показателя частотной устойчивости от коэффициента усиления

Рис. 7. Ультразвуковые инструменты

где

1 =2р//с, р, = -. 1 2 , Е — модуль Юнга, ¥ — пло-

I2

щадь поперечного сечения волновода, а — показатель экспоненты, Ь — длина участка, г — номер участка.

Оценка показателя частотной устойчивости проводилась по изменению механических свойств, в получаемых ПКМ, в зависимости от параметров режима прессования. Исследования проводились на трех видах ультразвуковых инструментах: комбинированном, экспоненциальном и ступенчатом.

Частота смещения А/ определялась экспериментально на ультразвуковой установке (см. рис. 1), при

изменении частоты колебаний акустической системы в диапазоне 16,8 — 18,8 кГц. Амплитуда колебаний ультразвукового инструмента (А) и время прессования (У были фиксированными (А=14 мкм, 1 = 90 с). Кроме того, ультразвуковое прессование порошковых композиционных материалов проводилось при различных давлениях (Р), в приделах 43 — 87 МПа. Механические свойства образцов при растяжении определялись на разрывной машине Р 0,5 со скоростью деформации 20 мм/мин по ГОСТ 11262 — 80. После ультразвукового прессования образцы подвергались термообработке (спеканию) при температуре 360 оС.

Полученные зависимости предела прочности от частоты колебания ультразвукового инструмента (волновода) для исследуемых ПКМ приведены на рис. 3 — 5.

Из полученных результатов следует, что влияние технологической нагрузки в процессе ультразвукового прессования вызывает существенное изменение резонансной частоты колебаний акустической системы (А/ =400 Гц), а наиболее оптимальное давление ультразвукового прессования составляет 65 МПа. С увеличением давления прессования свыше оптимальной величины предел прочности при растяжении уменьшается на 10 %. Это связано с тем, что при повышении давления прессования возрастает нагрузка, действующая на акустический узел, что в свою очередь вызывает уменьшение амплитуды колебаний волновода в процессе ультразвукового прессования.

Определенная из экспериментов величина изменения резонансной частоты колебаний акустического узла подставлялась в формулу (4), по которой рас-

2

считывались показатели частотной устойчивости ультразвуковых инструментов различной формы.

На рис. 6 приведены расчетные зависимости показателя частотной устойчивости от коэффициента усиления для комбинированного, экспоненциального и ступенчатого волноводов. Видно, что показатель частотной устойчивости комбинированного волновода с заданным коэффициентом усиления более чем в четыре раза превышает устойчивость экспоненциального и ступенчатого волновода, с тем же коэффициентом усиления.

Результаты выполненной работы позволили создать комбинированный ультразвуковой инструмент, для прессования изделий из полимерных композиционных материалов, который повышает в четыре раза частотную устойчивость волноводной системы, обеспечивает эффективную и устойчивую работу ультразвуковой установки в целом.

Аналогичные инструменты были разработаны для озвучивания и резки биологических тканей, диспер-гации жидкости, прошивки отверстий. Общий вид этих ультразвуковых инструментов приведен на рис. 7.

В настоящее время выпуск данных ультразвуковых инструментов осваивается Омским заводом ОАО ЦКБА «Автоматика».

Библиографический список

1. Негров, Д. А. Влияние параметров ультразвукового прессования на механические и триботехнические свойства структурно-модифицированного политетрафторэтилена / Д. А. Негров, Е. Н. Ерёмин // Омский научный вестник. — 2009, — № 2(80). - С. 58-60.

2. Машков, Ю. К. Модификация структуры и свойств композиционных материалов на основе политетрафторэтилена / Ю. К. Машков, В. И. Суриков, Л. Ф. Калистратова, О. А. Мамаев. - Омск : Изд-во СибАДИ, 2005. - 256 с.

3. Охлопкова, А. А. Модификация полимеров ультрадис-персными соединениями / А. А. Охлопкова, О. А. Андрианова, С. Н. Попов. — Якутск : ЯФ изд-ва СО РАН, 2003. — 240 с.

4. Ерёмин, Е. Н. Совершенствование технологии изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена / Е. Н. Ерёмин, Д. А. Негров // Технология машиностроения. — 2010. — № 1. — С. 30 — 32.

5. Машков, Ю. К. Разработка волноводных систем для прессования изделий из полимерных композиционных материалов / Ю. К. Машков, Д. А. Негров, Я. Б. Шустер, А. А. Новиков // Омский научный вестник. — 2005. —№ 1(30). — С. 106 — 108.

НЕГРОВ Дмитрий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Омского государственного технического университета.

ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор и заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», декан машиностроительного института Омского государственного технического университета

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 07.12.2011 г.

©Д. А. Негров, Е. Н. Ерёмин

УДК 622.279.7

В. Л. ПЕННЕР А. П. МОРГУНОВ

Омский государственный технический университет

ЦЕХ МОЙКИ И ДИАГНОСТИКИ

НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ

ТРУБ И ШТАНГ К НАСОСАМ____________________

Представлен проект цеха мойки и диагностики насосно-компрессорных труб и штанг к насосам. Определён состав основного и вспомогательного оборудования. Разработана структурная схема по подготовке насосно-компрессорных труб и штанг к повторному использованию.

Ключевые слова: насосно-компрессорная труба, диагностика.

Одним из основных направлений развития технологии машиностроения является обеспечение роста производительности и эффективности производства. Базовым средством реализации этого направления служит механизация и автоматизация производства, а также повторное использование узлов, агрегатов и деталей машин после их ремонта и контроля.

В данной статье мы не рассматриваем процесс мойки и контроля штанг к насосам.

При эксплуатации насосно-компрессорных труб (НКТ) происходит износ труб и муфт по резьбе и те-

лу, а при наличии коррозионно-активных веществ в продукции скважины они подвергаются коррозионному износу.

В скважинах, эксплуатируемых штанговыми насосами, изнашивается внутренняя поверхность труб штангами.

Поэтому насосно-компрессорные трубы проходят контрольно-сортировочные работы (разбраковку).

НКТ, бывшие в эксплуатации и поступившие в цех мойки и диагностики, должны быть очищены от грязи, отложений парафина и солей.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ