CC BY
16
УДК 514.18:678.5.059
Г.А. В1РЧЕНКО, О.П. КОЛОСОВА
Нацюнальний техшчний ушверситет Украши «Кшвський полiтехнiчний шститут», м. Ки1в
ЗАСТОСУВАННЯ СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧНОГО ГЕОМЕТРИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ДЛЯ ОПТИМ1ЗАЦП КОНСТРУКЦП ХВИЛЕВОД1В I КОНЦЕНТРАТОР1В УЛЬТРАЗВУКОВОГО ТЕХНОЛОГ1ЧНОГО ОБЛАДНАННЯ
Розглянуто задачу розражунтв та конструювання xerneeodie i концентраторiв (трансфoрматoрiв швидкостi) ультразвукового тexнoлoгiчнoгo обладнання ргзноматтного призначення, пов'язану з особливостями розповсюдження коливань у стрижневих системах. Сформульовано загальний nidxid до конструювання ультразвукових трансфoрматoрiв швидкoстi на oснoвi структурно-параметричного геометричного моделювання з урахуванням особливостей тexнoлoгiчниx прoцeсiв ix виготовлення.
Ключoвi слова: концентратор, структурно-параметричне геометричне моделювання, ультразвукова обробка, xвилeвoд.
G.A. VIRCHENKO, O.P. KOLOSOVA
National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv
USING OF STRUCTURAL-PARAMETRIC GEOMETRICAL MODELING FOR DESIGN OPTIMIZATION OF WAVEGUIDES AND CONCENTRATORS OF ULTRASONIC TECHNOLOGICAL EQUIPMENT
Abstract
Calculation and design tasks of waveguides and concentrators (speed transformers) of ultrasonic process equipment for the various purposes, related to specific features of distribution of ultrasonic vibrations in rod systems are studied. General approach to ultrasonic oscillatory systems design on the basis of structural-parametric geometrical modeling whish takes into consideration the specifics of technological processes is formulated. The proposed approach of using structural-parametric geometric models requires further research and their practical implementation. This direction is one of the priorities for the scientific school of applied geometry in the National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute".
Keywords: concentrator, structural-parametric geometrical modeling, ultrasonic processing, waveguide.
Постановка проблеми
Один i3 шлях1в розв'язання багатьох 1нженерних задач у р1зних сферах промисловосп базуеться на широкому використанш ультразвуково! (УЗ) обробки та ввдповщно! апаратури, яка характеризуеться ушверсальшстю та порiвняно малою енергоемшстю [1-4]. Тому оптимiзацiя конструктивно-технолопчних параметрiв УЗ-обладнання у наш час е актуальним науково-прикладним завданням. При цьому на перший план виходять питання створення узагальнено! теорп та на И засадах продуктивних методiв i моделей для рацюнального вибору елеменпв опрацьовуваних технiчних систем.
Аналiз останшх досл1джень i публшацш
Нинi наявний широкий спектр методик розрахунку УЗ-випромiнювачiв (хвилеводiв) та УЗ-iнструментiв, виготовленi й апробованi дослiдно-промисловi зразки рiзноманiтного технологiчного устаткування [5-10], зокрема, цший ряд багатооперацiйних оброблювальних центрiв iз використанням систем комп'ютерного управлшня [8].
Ефективним напрямком автоматизованого проектування продукцп машинобудування е структурно-параметричний пiдхiд до варiантного формоутворення технiчних об'ектiв [11-14], що запропонований науковою школою прикладно! геометри Национального технiчного унiверситету Укра!ни "Ки!вський полггехшчний шститут", огляд головних можливостей якого наведено у виданш [11]. Публшащями [12, 13] показано iнварiантний та загальний характер ще! методологи, однак зазначено потребу певно! !! адаптаци для конкретно! промислово! продукцп. У статп [14] проаналiзовано застосування комп'ютерного структурно-параметричного геометричного моделювання як основи проведения комплексно! ошгашзацп процеав проектування та виготовлення виробiв машинобудування.
Формулювання мети дослщження
Завдання дано! публiкацi! полягае у викладенш методики використання структурно-параметричного формоутворення для оптимiзацii конструкци хвилеводiв i концентраторiв (трансформаторiв швидкосл) ультразвукового технологiчного обладнання.
Викладення основного матерiалу
Особливосп розроблення ультразвукових трансформаторiв швидкосп полягають у складносп розв'язання ще! задачi, що обумовлена необхiднiстю дослщження комплексу питань, спрямованих на виявлення та вивчення взаемозв'язкiв мiж мехашчними й геометричними параметрами проектованих УЗ-iнструментiв, з одного боку, та технолопчними факторами !х виробництва, з шшого.
Для досягнення високих показнишв УЗ-обробки необх1дно забезпечити, по-перше, заданий напрямок уведення коливань у робочу зону, а, по-друге, амплiтуду коливань А, достатню для ефективного протжання процесу й таку, що при цьому змiнюеться незначним чином.
Вщомо, що базовим функцiональним компонентом рiзноманiтного УЗ-обладнання е коливальна система, яка перетворюе електричнi сигнали УЗ-генератора в мехашчш коливання [1-4]. Тенденщя останшх рок1в зводиться до переважного застосування в технологiчних установках коливальних систем на основi п'езокерамiчних елементiв, що не потребують водяного охолодження. Проте, при робот в редких середовищах доцiльно використовувати потужнiшi системи на базi магнiтострикцiйних перетворювачiв.
Першi конструктивно простiшi та легше збираються, осшльки складаються з п'езокерамiчного перетворювача у виглядi одше! або к1лькох пар шлець, хвилеводу, ввдбивача, стягуючого елемента та концентратора [1-4]. Другий тип перетворювачiв виконують у виглядi пакета пластин товщиною 0,1-0,2 мм iз магнiтострикцiйного матерiалу. Однак, при цьому значш втрати енерги обумовлюють вщносно низький коефiцiент корисно! ди (порядку 40-50 %) та необхщшсть постшного водяного охолодження.
Коливальна система ( див. рис. 1) у загальному випадку мiстить перетворювач, узгоджувальний елемент (концентратор) та робочий шструмент.
Рис. 1. Типова коливальна система в режимi поздовжшх УЗ-коливань: 1 - електроакустичний (магнiтострикцiйний) перетворювач; 2 - корпус; 3 - опора;
4 - УЗ-концентратор; 5 - робочий шструмент; 6 - звукопоглинач; 7 - гумове ущшьнення;
8 - охолоджуюча рвдина; 9 - випромшююча поверхня (торець) трансформатора швидкостц А - амплггуда УЗ-коливань; о - амплггуда мехашчних напружень у матерiалi
трансформатора швидкостi
Електроакустичний перетворювач 1 передае коливання концентратору 4, який призначений для збiльшення амплiтуди коливань. Живлення перетворювача здiйснюеться вiд УЗ-генератора, що на рис. 1 не зображений. До торця 9 трансформатора швидкосл 4 за допомогою зварювання, нарiзевого з'еднання або цангового затискання крiпиться робочий iнструмент (на рис. 1 не показаний), який е своервдним продовженням концентратора.
Довжина коливально! системи кратна довжиш хвилi X коливань в обраному матерiалi трансформатора швидкостi при частоп f. При цьому вузли крiплення системи розташовуються у вузлах коливань, щоб виключити поширення хвилi на корпус технологiчноl установки, приеднана маса яко! здатна викликати неприпустиме зниження амплiтуди або гасiння коливань. Кршлення для нерухомих систем може забезпечуватися фланцями (поз. 3 на рис.1) мшмально допустимо! товщини.
При конструюванш резонансних трансформаторiв швидкостi враховують наявшсть у вузлах коливань максимумiв внутрiшнiх напружень с (див. рис.1), обумовлених дiею статичних, динамiчних i високочастотних знакозмiнних навантажень, а також рядом iнших факторiв. При цьому, залежно вiд призначення УЗ-технологiчного обладнання, коливальнi системи виконуються довжиною в одну, двi або три швхвил^ Це позначаеться на положеннi пучностей i вузлiв амплiтуд А, змщень та напружень с.
Потреба зб№шения амплттуди коливань трансформаторами швидкосп пов'язана з тим, що п'eзокерамiчнi перетворювачi забезпечують значення амплiтуд максимум 2-3 мкм. Для магнiтострикцiйних перетворювачiв данi величини дещо бiльшi - близько 5-10 мкм. Таю малi амплiтуди, зазвичай, недостатнi для бiльшостi технологiчних процеав, як1 вимагають потужнiшого УЗ-устаткування, особливо для зварювання металiв i пластмас, обробляння тиском i т. д.
Зауважимо, що оптимiзацiя геометричних параметрiв трансформаторiв швидкостi для найбiльш простих випадк1в реалiзуeться теоретичним шляхом, в шшому разi - з використанням рiзноманiтних дослвдно-експериментальних прийомiв, унасл1док чого зб№шуеться собiвартiсть створюваного технологiчного обладнання. Таким чином, важливо вмiти заздалепдь рацiонально обирати необхiдний тип УЗ-коливальних систем та конструкцш !х хвилеводiв i концентраторiв.
Конструктивы! особливостi трансформаторiв швидкостi зводяться до дек1лькох титв (рис. 2), основними робочими характеристиками яких е коефiцieнт посилення амплггуди коливань кп, положения пучностей напружень та !х абсолютна величина.
У
б
в г д е
Рис. 2. Типи твхвильових трансформаторiв швидкостк а - цилiндричний постшного перерiзу; б - цилiндричний двостушнчастий; в - конiчний (конусний); г - експонентний; д - катеноТдальний; е - крам. ю'мо.мбний; ж - ножовий з експоненщальною змiною прямокутного перерiзу
Застосуваиия у працях [1, 7] в якосп критерш ефективносп лише коефiцiента кп, що дорiвиюе вiдношенню площ вхiдного та вихвдного торцiв трансформатора швидкостi, в загальному випадку, не завжди е коректним розв'язанням поставленого завдания геометричного проектування. Оск1льки, як показуе практика, досить часто необхвдно також враховувати ряд обмежень, обумовлених особливостями конкретно! техшчно! задач!.
Так, зокрема, вщомо, що при великих значеннях кп трансформатор швидкосп характеризуеться нестшкою роботою. Останне, у свою чергу, негативно позначаеться на його довговiчностi та продуктивносп технологiчного процесу [1, 4]. Ще одне обмеження мае мiсце, наприклад, для п'езокерамiчних перетворювачiв, максимальний дiаметр к1лець яких, у силу певних причин, не повинен перевищувати 70 мм (переважш розмiри 20-50 мм) [2-4, 9]. Стшкють трансформаторiв швидкосп рiзних типiв залежить в!д зовшшнього навантажения та коефiцiента кп. Доволi нестiйкi цилiндричнi ступiичастi концентратори з великим перепадом дiаметрiв, у той час як кошчш - найб№ш стiйкi [1-4]. Важливим фактором е простота промислового виготовления конкретного типу концентратора. Для забезпечения максимально! продуктивносп при обробцi р!дких середовищ бажано мати бiльшу площу торцевих випромшюючих поверхонь траисформаторiв швидкостi.
У загальному випадку встановити необхвдну анал1тичну залежнють для вибору оптимально! конструкцi! трансформатора швидкосп для дослвджуваного техиологiчного процесу теоретично довол1 важко. Адже при цьому треба виконувати багато розрахуншв, що базуються на великий шлькосп експериментально встановлених коефiцiентiв, на основi яких формуються вiдповiднi номограми.
Досить часто, виходячи з виробничого досвщу, в якостi найбiльш вагомого додаткового показника приймають технологiчнiсть виготовления хвилеводу. Тому на практицi в УЗ-обладнанш переважно застосовують конiчнi та цил1ндричш двоступiичастi концентратори [1-4]. Остаинi, як правило, виконуються з титанових й алюмшевих сплавiв та високомiцно! стал! Проте, зазначенi хвилеводи не завжди забезпечують отримання найкращих результатiв. Тому бажано здшснювати обчислення i для шших типiв траисформаторiв швидкостi, поданих на рис. 2.
Отже, з огляду на багатомаштнють iснуючих виробничих процесiв, iз метою п1двищения ефективносп УЗ-обробки важливо мати можливiсть продуктивно визначати рацюнальш конструктивно-технологiчнi параметри та характеристики створюваних хвилеводiв i концентраторiв ще на стадi! !х проектування. При цьому оптимальний вибiр повинен здiйснюватися не тiльки за критерiем максимального збiльшения амплiтуди коливань, а й беручи до уваги ряд шших факторiв, зокрема, розглянутих вище, з урахуванням !х вагових коефiцiентiв, встановлюваних, наприклад, методом експертних оцшок.
Для мiнiмiзацil матерiальних та часових витрат у якосп методики для прогнозування геометричних параметрiв УЗ-iнструментiв пропонуеться використовувати способи i прийоми структурно-параметричного варiантного формоутворення шляхом певно! 1х адаптаци до виршення проаналiзованих завдань конструкторсько-технологiчного проектування.
Ввдповвдно до рис. 2 склад дослщжуваних трансформаторiв швидкостi Т подаеться наступною упорядкованою множиною
Т = (Т, )Ыт = (Т, )7,
(1)
де Т1={цилiндричний постшного перерiзу}, Т2={цилiндричний двоступiнчастий}, Т3={котчний}. Т4={експонентний}, Т5={катено!дальний}, Т6={краплеподiбний}, Т7={ножовий з експоненщальною змiною прямокутного перерiзу}.
Можливi рiзновиди Т,- визначаються кортежем варiантiв
Т, = (Т' )1
Мт,
(2)
де - число останшх, та векторами параметрiв
Р = (Р,,,)
мрч
(3)
1к
де Ыру - к1льк1сть параметрiв '-го варiанта ,-го трансформатора швидкостi.
З точки зору структурно-параметричного шдходу, залежностi (1) ... (3) вщтворюються у виглвд графiв, показаних на рис. 3.
Рис. 3. Структурно-параметрична модель трансформатора швидкостк а - мережнi графи синтезу рiзновидiв; б - ieрархiчне дерево проектноТ структури; в - граф вихщноТ множини ва|)1ант1в
У наведених на рис. 3, а графах дуги моделюють певнi аналтгичш залежностi мгж конструкторсько-технологiчними параметрами та характеристиками варiантiв дослвджуваних ультразвукових трансформаторiв швидкостi. Для проведення структурно-параметрично! оптитзаци довжини цих дуг приводяться у вщповвднють iз значеннями потр16но! багатокритерiальноl щльово! функци, яка формуеться з використанням експертних вагових коефiцiентiв. Надалi в кожнiй вершиш графа розраховуеться кортеж щдекив наявних дуг згвдно з 1х довжинами. За допомогою тако! iндексацп обчислюються необхiднi оптимальш проектнi варiанти опрацьовуваних УЗ-концентраторiв.
Отже, викладена методика дозволяе отримати наступну (рис. 3, в) множину рiзновидiв трансформаторiв швидкостi:
Т = (Т к )1
Мт
(4)
Елементи кортежу (4) упорядковаш вiдповiдно до значень щльово! функци, яка на шдстаы експертних вагових коефiцiентiв дае змогу комплексно оцiнити конструкторсько-технологiчнi параметри та характеристики створених проектних варiантiв рiзних типiв опрацьовуваних хвилеводiв 1 концентраторiв ультразвукового технологiчного обладнання.
а
Для досягнення ефективного практичного впровадження варто реалiзувати розглянуп прийоми та математичнi засоби у виглядi певного зручного для кшцевого користувача спецiалiзованого прикладного програмного забезпечення, наприклад, у середовищi таких вщомих CAD/CAM/CAE (Computer-Aided Design, Computer-Aided Manufacturing, Computer-Aided Engineering) систем як SolidWorks, CATIA, NX i т. д. При цьому слад забезпечити тюну штеграцш виконуваних варiантних розрахункiв i3 вiдповiдними комп'ютерними моделями конструкцii, мщносп та технологii виробництва опрацьовуваних трансформаторiв швидкостi.
Висновки
У данiй публжаци подано загальну методику застосування автоматизованого структурно-параметричного геометричного моделювання як основи для проведення оптимiзацii' конструкци хвилеводiв i концентраторiв ультразвукового технолопчного обладнання з урахуванням не тшьки ефективностi !х функцiонального призначення, а й особливостей процеав виготовлення. Перспективним напрямком подальших наукових дослiджень е розробка конкретних комп'ютерних моделей трансформаторiв швидкостi, здiйснення !х всебiчного аналiзу та впровадження одержаних результатiв у виробництво.
Список використаноТ лiтератури
1. Гершгал Д.А. Ультразвуковая технологическая аппаратура [Текст] / Д.А. Гершгал, В.М. Фридман. -М.: Энергия, 1976. - 320 с.
2. Кикучи Е. Ультразвуковые преобразователи [Текст] / Е. Кикучи [пер. с англ.: под ред. И.Л. Голяминой]. - М.: Мир, 1972. - 424 с.
3. Кумабэ Д. Вибрационное резание [Текст] / Д. Кумабэ [пер. с япон. Л. Масленникова / под ред. Портнова И.И., Белова В.В.]. - М.: Машиностроение, 1985. - 424 с.
4. Основы физики и техники ультразвука [Текст] / Б.А. Агранат, М.Н. Дубровин, Н.Н. Хавский, Г.И. Эскин. - М.: Высш. школа, 1987. - 352 с.
5. Хмелев В.Н. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве [Текст] / В.Н. Хмелев, Г.В. Леонов, Р.В. Барсуков и др. - Барнаул: АлтГТУ, 2007. - 400 с.
6. Бржозовский Б.М. Ультразвуковые технологические процессы и оборудование в машино- и приборостроении [Текст] / Б.М. Бржозовский, Н.В. Бекренев. - Саратов: СГТУ, 2009. - 348 с.
7. Абакумов В.Г. К вопросу о выборе эффективных конфигураций составных концентраторов акустической энергии [Текст] / В.Г. Абакумов, А.Г. Трапезон, К.А. Трапезон // Акустичний вюник. - 2009. - Т.12. - №4. - С. 3-9.
8. Бекренев Н.В. Оптимизация конструкций трансформаторов скорости ультразвукового оборудования на основе 3-D моделирования (постановка задачи) [Текст] / Н.В. Бекренев,
A.П. Петровский, Т.Ю. Чиндыкова // Вестник Саратовского государственного техн. ун-та. -2010. - № 4 (49). - С. 77-83.
9. Луговской А.Ф. Ультразвуковая кавитация в современных технологиях [Текст] / А.Ф. Луговской, Н.В. Чухраев. - К.: вПц «Ки!в. ун-т», 2007. - 244 с.
10. Kolosov A.E. Procedure for analysis of ultrasonic cavitator with radiative plate [Text] / A.E. Kolosov, V.I. Sivetskii, E.P. Kolosova, E.A. Lugovskaya // Chemical and Petroleum Engineering. - 2013. - Vol. 48, Issue 11-12. - P. 662-672.
11. Ванш В.В. Визначення та основш положення структурно-параметричного геометричного моделювання [Текст] / В.В. Ванш, Г.А. Вiрченко // Геометричне та комп'ютерне моделювання: зб. наук. праць. - Вип. 23. - Харшв: ХДУХТ, 2009. - С. 42-48.
12. Ванш В.В. Структурно-параметричш геометричш моделi як iнварiантна складова комп'ютерних шформацшних технологш шдтримки життевого циклу виробiв машинобудування [Текст] /
B.В. Ванш, Г.А. Вiрченко, В.В. Ванш // Пращ Тавр. держ. агротех. академп. - Вип. 4. Прикл. геометрiя та iнженерна графша: зб. наук. праць. - Т. 36. - Мелггополь: ТДАТА, 2007. - С. 16-21.
13. Вiрченко Г.А. Структурно-параметричний шдхщ як загальна методология комп'ютерного геометричного моделювання об'екпв машинобудування [Текст] / Г.А. Вiрченко // Прикладна геометрiя та шженерна графша: наук.-техн. зб. - Вип. 83. - К.: КНУБА, 2010. - С. 146-152.
14. Ванш В.В. Комп'ютерне структурно-параметричне геометричне моделювання як основа для комплексно! ошгашзацп процеав проектування та виробництва об'екпв машинобудування [Текст] / В.В. Ванш, Г.А. Вiрченко, Г.П. Грязнова // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 5/1 (47), 2010. - С. 54-57.
