Сравнительный анализ колебаний ультразвуковых концентраторов кольцевой формы

Приведен сравнительный анализ влияния формы кольцевых концентраторов ультразвуковых систем на их амплитудно-частотные характеристики. Известны устройства, в которых упругие элементы используются либо в качестве резонаторов, либо как рабочие инструменты ультразвуковых технологических систем. Однако использование упругих элементов в качестве концентраторов ультразвуковых колебаний недостаточно изучено и требует проведения комплексных исследований и разработки рекомендаций для их практического применения. С этой целью в статье с помощью компьютерной программы ANSYS проведен теоретический анализ, позволивший выполнить модальный и гармонический анализ моделей кольца с различной формой. Кольцо круглой формы имеет номинальный наружный диаметр 50 мм и переменное сечение. Анализировались три модели колец: одно круглое и два овальной формы. Для осуществления сравнения и выявления частот, при которых возникает резонанс, характеристики колебаний колец рассматривались в диапазоне частот от 1 до 26 кГц. Результаты анализа показывают, что в зависимости от частоты вынужденных колебаний в кольцах образуются изгибные колебания, которые действуют в различных координатных плоскостях. При этом изменение формы колец сопровождается изменением амплитуды изгибных колебаний. Наиболее интенсивные колебания вдоль вертикальной оси были достигнуты в кольцах круглой формы. Установлено, что с повышением частоты вынужденных колебаний наблюдается увеличение числа периодов колебаний. Если в области низких частот колебаний в кольце образуется только однопериодная мода колебаний, то в области ультразвуковых колебаний число периодов колебаний увеличивается до двух и трех. Все рассматриваемые модели колец имеют несколько собственных частот колебаний с определенной периодичностью в разных координатных плоскостях в зависимости от формы колец. Интенсивность колебаний различна в разных направлениях и зависит от формы и частоты вынужденных колебаний. Демонстрируются примеры разновидностей моды колебаний для всяких форм колец.

1. Андреева, Л. Е. Упругие элементы приборов / Л. Е. Андреева. М.: Машиностроение, 1981. 392 с.

2. Ананьев, И. В. Колебания упругих систем в авиационных конструкциях и их демпфирование / И. В. Ананьев, П. Г. Тимофеев. М.: Машиностроение, 1965. 240 с.

3. Пфейффер, П. Колебания упругих тел / П. Пфейффер, пер. с нем. А. И. Лурье. Л.: ОНТИ, Гос. техн.-теор. изд-во, 1934. 154 с.

4. Компьютерное моделирование и анализ колебаний кольцевого концентратора ультразвуковой системы / В. П. Луговой [и др.] // Наука и техника. 2018. Т. 17, № 3. С. 220-227. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2018-17-3-220-227.

5. Степаненко, Д. А. Влияние формы кольцевого концентратора ультразвуковой системы на коэффициент усиления амплитуды колебаний / Д. А. Степаненко, И. В. Луговой, В. П. Луговой // Наука и техника. 2016. Т. 15, № 3. С. 209-215. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2016-15-3-209-215.

6. Босаков, С. В. К определению перемещений в упругом эллиптическом кольце / С. В. Босаков, И. В. Луговой // Наука и техника. 2013. № 3. С. 59-62.

7. Разработка и исследование нового типа концентраторов ультразвуковых колебаний на основе кольцевых упругих элементов / Д. А. Степаненко [и др.] // Материалы, технологии, инструменты. 2013. Т. 18, № 2. С. 90-94.

8. Increase of Productivity in Brittle Material Processing by the Application of Intermediate Elastic Elements in Tool Structure / I. Lugovoi [et al.] // Vibroengineering PROCEDIA. 2014. Vol. 3. Р. 175-179.

9. Ультразвуковой инструмент для обработки отверстий: пат. Респ. Беларусь № 8169, МПК B24 B1/04 / И. В. Луговой, В. Т. Минченя, В. П. Луговой. Опубл. 30.04.2012.

10. Ультразвуковой инструмент для обработки или измерения детали: пат. Респ. Беларусь № 19219, МПК В 06В 1/00 / И. В. Луговой, В. Т. Минченя, В. П. Луговой. Опубл. 30.06.2015.