Comparative Analysis of Movements of Curved Ultrasonic Instruments

The paper presents a theoretical analysis of vibrations of a curvilinear  rod in the form of a loop of low rigidity formed from a quarter of a circle with a constant radius, limited by an angle π/2 < γ < π and two rectilinear rods. It is indicated that in the practice of ultrasonic technology, some types of structures are known in which elastic elements are used as resonators, waveguides, oscillation transformers and instruments for influencing the processed materials. Their use makes it possible to obtain an additional impulse of force in the working area by using the potential energy caused by the action of the elastic properties of such elements. However, insufficient attention has been paid to the theoretical justification of the use of elastic elements in ultrasonic systems. In this regard, the present work is devoted to the theoretical  substantiation of the use of an elastic tool made of a thin rod having the shape of a loop. The diagram and calculation of displacements of the free end of a curved rod under the action of forces directed along the longitudinal axis are given in the paper. It is shown that elastic displacements are caused by a curved shape in the form of an arc of a circle of a curved rod. For comparison, calculation schemes of two types of curved rod with an attached rod are given. In the first case, the free ends of the rectilinear rods, directed vertically downwards, make elastic movements along two coordinates. In the second case, the ends of rectilinear rods directed at a certain angle to the vertical axis and converging at the bottom point due to the symmetry of their location, make vertical movements only along one coordinate. The considered shape of the curved rod can be successfully used as a tool for performing technological tasks in the ultrasonic method of processing holes in brittle materials, spot welding, etc. Such a scheme, in contrast to the traditional ultrasonic treatment scheme based on the use of rectilinear rods, makes it possible to increase the magnitude of the vibration amplitude of the instrument due to elastic displacements of the curved section of the rod of low rigidity. The proposed form will increase the intensity of tool vibrations and increase process productivity and processing accuracy. The resulting calculation formula shows that the amount of elastic displacements of curved rods is affected by the cross-sectional stiffness and the radius of curvature of the curved part, as well as the angle of inclination of the rectilinear rod. The theoretical calculation is supplemented by a comparative experimental study of the Chladni forms for both schemes obtained on the sheet surface using abrasive particles.

1. Проектирование универсальных шарниров и ведущих валов / А. Х. Беркер [и др.]. Л.: Машиностроение, 1984. 464 с.

2. Малоховский, Я. Э. Карданные передачи / Я. Э. Малоховский, Л. А. Лапин, Н. К. Веденеев. М.: Машгиз, 1962. 156 с.

3. Карданные передачи грузовых автомобилей. Проблемы и решения / С. Н. Иванов [и др.] // Автомобильная промышленность. 1992. № 11. С 35–37.

4. Иванов, С. Н. Карданные передачи трансмиссий. Перспективы проблемы / С. Н. Иванов, В. А. Савельев, Н. П. Кочешков //Автомобильная промышленность: 1988. № 12. С. 40–43.

5. Иванов, С. Н. Трансмиссионные валы нового поколения / С. Н. Иванов // Автомобильная промышленность. 1998. № 11. С. 25–28.

6. Трикозюк, В. А. Надежность автомобиля / В. А. Трикозюк. М.: Транспорт, 1980. 88 с.

7. Лавринович, М. Ф. Анализ долговечности деталей автомобилей семейства МАЗ и технические методы ее повышения / М. Ф. Лавринович, М. М. Шустерняк. М.: НИИНавтопром. 1981. 56 с.

8. Заславский, О. Я. Системный подход как метод исследования долговечности карданной передачи / О. Я. Заславский // Автомобильная промышленность. 1981. № 11. С. 21–24.

9. Ротенберг, Р. В. Системный подход к проблеме надежности и вопросы ее обеспечения / Р. В. Ротенберг. М.: Знание, 1981. 341 с.

10. Кравченко, В. И. Карданные передачи: конструкции, материалы, применение / В. И. Кравченко, Г. А. Костюкович, В. А. Струк; под ред. В.А. Струка. Минск: Тэхналогiя, 2006. 409 с.

11. Шарнирная передача привода колеса автотранспортного средства: пат. РФ № 2188134 / В. П. Лобозов, С. И. Никитин, К. З. Шепеляковский, А. А. Кузнецов, В. И. Кравченко, Г. А. Костюкович, М. М. Семеняко, А. М. Гагасов, Г. А. Достанко. Опубл. 09.08.2001.

12. Карданный вал наземных транспортных средств: пат. РФ № 2212345 / В. А. Дроздов, Г. А. Костюкович, В. И. Кравченко. Опубл. 01.04.2002.

13. Карданный вал наземных транспортных средств: пат. РБ № 4418 / В. А. Дроздов, Г. А. Костюкович, В. И. Кравченко. Опубл. 05.01.1999.

14. Commercial Vehicles and Buses – Cross-Tooth Propeller Shaft Flanges, Type T: ISO 12667:1993 [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.iso.org/standard/19694.html.

15. Commercial Vehicles and Buses – Cross-Tooth Gearbox Flanges, Type T: ISO 8667:1986 [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.iso.org/standard/16054.html.

16. Веремейчик, А. И. Плазменные технологии как одни из основных технологий повышения эксплуатационных свойств металлоизделий / А. И. Веремейчик, М. И. Сазонов, В. М. Хвисевич // Механика. Научные исследования и учебно-методические разработки: меж-дунар. сб. науч. тр. / Бел. гос. ун-т транспорта. Гомель, 2008. Вып. 2. С. 6–12.

17. Чекан, Н. М. Азотирование и нанесение особо твердых композиционных покрытий на поверхность инструментальных сталей в едином технологическом цикле / Н. М. Чекан, И. П. Акула, А. Н. Горельчик // 60 Международная научная конференция «Актуальные проблемы прочности»: материалы конференции, Витебск, 14–18 мая 2018 года / УО «ВГТУ», ГНУ «Институт технической акустики НАН Беларуси». Витебск, 2018. С. 176–180.

18. Овчинников, Е. В. Cтруктура электроискровых нанокомпозиционных покрытий на металлической матрице / Е. В. Овчинников, Н. М. Чекан, В. М. Хвисевич, А. И. Веремейчик, В. В. Михайлов, Н. Н. Казак // Вестник Брест. гос. техн. ун-та. 2021. № 1. C. 49–53. https://doi.org/10.36773/1818-1212-2021-124-1-49-53.

19. Овчинников, Е. В. Смазочные материалы на основе полярных и неполярных жидкостей, модифицированных гибридными углеродными наноматериалами / Е. В. Овчинников, В. М. Хвисевич, Н. М. Чекан, А. И. Веремейчик, Е. И. Эйсымонт, Г. А. Костюкович // Вестник Брест. гос. техн. ун-та. 2021. № 2. C. 58–62.

20. Веремейчик, А. И. Моделирование пробивки отверстия цилиндрическим пуансоном / А. И. Веремейчик, С. Р. Онысько, В. М. Хвисевич, А. А. Сосновский // Новые технологии и материалы, автоматизация производства: сб. ст. межд. науч.-техн. конф., Брест, посв. 55-летию Брест. гос. техн. ун-та / Брест. гос. техн. ун-т; редкол.: С. Р. Онысько [и др.]. Брест: БрГТУ, 2021. С. 107–111.