Магнитострикционная установка

 

Изобретение относится к устройствам для возбуждения механических колебаний в образцах материалов и натурных деталях. Устройство содержит сердечник цилиндрической формы, набранный из кольцевых пластин с отверстиями из магнитострикционного материала, электрическую обмотку, трансформатор механических колебаний, объект возбуждения, шпильки, стержневой концентратор механических колебаний. Изобретение позволяет повысить производительность диспергирования и увеличить электроакустический коэффициент полезного действия установки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для возбуждения механических колебаний в образцах материалов и натурных деталях и предназначено для экспериментального определения характеристик их усталостной прочности на высоких звуковых и ультразвуковых частотах.

Установка может быть использована при проектировании и доводке некоторых видов техники, для которых высокочастотные колебания являются либо неизбежным фоном, например для лопаток турбин и компрессоров, участков обшивки летательных аппаратов, либо основой рабочего режима, например разнообразное ультразвуковое оборудование технологического, медицинского, гидролокационного назначения.

Изобретение может быть использовано также в установках для ультразвуковой размерной обработки и ультразвуковой сварки.

Известны и описаны схемы однородного растяжения - сжатия (Усталостные испытания на высоких частотах нагружения. Под ред. В.А. Кузьменко. Киев: Наукова думка, 1979, с. 78-84.

Известная схема механической части магнитострикционной установки для испытаний при симметричных циклах однородного растяжения-сжатия состоит из трех частей: вибратора, концентратора и испытываемого объекта. Собственная частота продольных колебаний каждой части одинакова и равна рабочей частоте установки. Вибратор, концентратор и образец являются полуволновыми элементами, при жестком их соединении образуется система, резонирующая на третьей собственной частоте продольных колебаний составной системы, когда в обмотку вибратора подводится переменный ток, частота которого равна рабочей частоте установки. Амплитуда колебаний вибратора максимальна на его торцах (пучность смещений) и равна нулю посередине (узел).

В качестве вибратора используется стержневой магнитострикционный преобразователь, выполненный в виде пакета тонких (толщиной 0,1 - 0,2 мм) пластин из магнитострикционного материала с нанесенной на него электрической обмоткой. Вибратор охлаждается проточной водой, для этого его помещают в бак, прикрепленный к опорной плите.

Концентратор выполняется в виде полуволнового (или длиной несколько полуволн) стержня переменного сечения. Пучность смещения находится на его торцах. Узловое сечение концентратора (где имеется фланец) используется для крепления его и всей механической системы на опорной плите. Условия передачи концентратором колебательной энергии от вибратора к образцу определяются отношением площадей его торцев, формой образующей и материалом концентратора.

Образец жестко закрепляется на торце концентратора с помощью резьбового соединения. Так как собственная частота колебаний образца равна частоте колебаний вибратор-концентратор, то устанавливается резонансный режим колебаний. При этом в материале образца могут развиваться значительные механические напряжения, достигающие или превосходящие предел выносливости. Максимум этих напряжений находится в узле колебаний (пучность деформаций), расположенном на цилиндрический (рабочей) части образца. Измеряя амплитуды колебаний торца образца с помощью микроскопа или датчика, можно затем рассчитать напряженное состояние образца. Соотношение амплитуд максимальных механических напряжений в сердечнике преобразователя, концентраторе, образец зависит от закона изменения площади поперечного сечения по длине в каждом из указанных полуволновых элементов. Абсолютные значения достижимых механических напряжений зависят от мощности вибратора.

Установка допускает использование вспомогательного узла для обеспечения определенного теплового режима или определенной среды в время испытаний. Возможно создание магнитного или электрического поля в зоне образца.

Необходимая частота и амплитуда колебаний механической системы поддерживается с помощью электронных устройство. При этом возможны два режима работы установки: автоколебательный и с независимым возбуждением.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой установке является устройство ультразвуковой обработки жидкости.

Данное устройство содержит полый корпус, в котором размещены сердечник, набранный из кольцевых пластин магнитострикционного материала с отверстиями для провода электрической обмотки, электрическая обмотка, элементы крепления сердечника в корпусе. Элементы крепления сердечника в корпусе содержат расположенные симметрично относительно сердечника и соосно с ним переходника, каждый из которых выполнен в виде тонкой цилиндрической оболочки с фланцами на краях. Один из фланцев контактирует с крайней кольцевой пластиной магнитострикционного материала по плоскости, перпендикулярной оси сердечника, и совмещен отверстиями с отверстиями для электрической обмотки в кольцевых пластинах для размещения витков электрической обмотки и шпилек, стягивающих сердечник и фланцы переходников, а другой фланец каждого переходника прикреплен к корпусу и содержит кольцевой участок, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру цилиндрической оболочки, наружный диаметр превышает внутренний не менее чем в 1,2 раза, а толщина кольцевого участка не превышает толщины цилиндрической оболочки.

Цилиндрическая оболочка переходника выполнена четвертьволновой длины и с радиусом средней линии, обеспечивающим равенство собственной частоты осесимметричных радиальных колебаний пластин сердечника и собственной частоты осесимметричных колебаний переходника.

Шпильки выполнены из неферромагнитного сплава с коэффициентом теплового расширения меньшим, чем коэффициент теплового расширения материала пластин.

Признаки изобретения, определяющие условия взаимодействия пакета магнитострикционных пластин с непосредственно прилегающими к магнитострикционным пластинам частями механической колебательной системы, позволяют свести к минимуму непроизводительные потери энергии, неизбежно возникающие в местах контакта источника виброактивности с другими элементами колебательной системы.

К таким признакам относятся: - равенство собственных частот преобразователя и элементов, к которым преобразователь крепится (переходников); - контакт преобразователя с переходниками по поверхности, для которой соответствующие собственным формам перемещения обеих контактирующих частей одинаковы.

Конструктивно это оказалось возможно благодаря особенностям осесимметричной формы колебаний цилиндрических оболочек переходников. Одновременно переходники выполняют функции согласования преобразователя с нагрузкой (увеличивают площадь излучающей поверхности) и виброизоляции преобразователя от неподвижного корпуса (трансформируют радиальные колебания в осевые, а осевые колебания гасятся податливыми мембранами).

Использование этого изобретения позволяет повысить удельную на единицу потребляемой энергии производительность диспергирования за счет обеспечения кавитационного режима практически во всем озвучиваемом объеме жидкости при достижении максимально возможных (ограничиваемых условием усталостной прочности пластин магнитострикционного сердечника) амплитуд колебаний излучающей поверхности и увеличить электроакустический коэффициент полезного действия установки.

В указанном изобретении удачно решена задача согласования преобразователя цилиндрической формы с нагрузкой. В обсуждаемом случае в качестве полезной нагрузки выступает озвучиваемая жидкость. При излучении в жидкость допускаемые условием усталостной прочности пластин магнитострикционного преобразователя амплитуды колебаний излучающей поверхности оказываются достаточными для достижения ожидаемого результата и согласование преобразователя с нагрузкой дополнительного увеличения амплитуд не требуется. Полезная часть генерируемой преобразователем высокочастотной механической энергии реализуется излучением с поверхности, образованной внутренними торцами магнитострикционных пластин и внутренней поверхностью цилиндрических участков переходников.

В магнитострикционной установке для усталостных испытаний в роли полезной нагрузки выступает объект испытаний (образец), прочность которого может превосходить прочность материала магнитострикционных пластин на порядок. Например, временное сопротивление титанового сплава ВТ22 σ_в= 1350 МПа, а предел усталостной прочности магнитострикционного никелевого сплава НП-2Т σ_-1= 95 МПа. Поэтому согласование преобразователя с нагрузкой в случае магнитострикционной установки для усталостных испытаний предполагает обязательное решение задачи многократного увеличения амплитуд колебаний, генерируемых преобразователем.

Недостатком колебательной системы устройства "диспергатор", применительно к задаче создания магнитострикционной установки для усталостных испытаний, является низкая амплитуда и радиальный характер колебаний излучающей поверхности.

Задачей изобретения является снижение энергозатрат на проведение высокочастотных усталостных испытаний при продольных установившихся резонансных колебаниях, обеспечивающих в объекте испытаний амплитуды механических напряжений, достигающие и превосходящие предел его усталостной прочности.

Поставленная задача достигается тем, что в магнитострикционной установке, содержащей полый корпус, в котором размещен сердечник цилиндрической формы, набранный из кольцевых пластин из магнитострикционного материала с отверстиями для провода электрической обмотки и электрической обмоткой, трансформатор механических колебаний, стержневой концентратор механических колебаний, объект возбуждения, согласно изобретению трансформатор механических колебаний выполнен в форме соосной сердечнику тонкостенной цилиндрической оболочки с фланцем, длина и радиус средней линии которой таковы, что собственная частота осевых колебаний трансформатора равна собственной частоте осесимметричных радиальных колебаний пластин сердечника, а собственная форма осевых колебаний трансформатора - полуволновая, при этом фланец цилиндрической оболочки размещен в узле ее собственных осевых и контактирует с пластинами из магнитострикционного материала по плоскости, перпендикулярной оси оболочки так, что отверстия во фланце совмещены с отверстиями для электрической обмотки в кольцевых пластинах для размещения витков электрической обмотки и шпилек, стягивающих сердечник и фланец оболочки, кроме того, один торец цилиндрической оболочки трансформатора содержит кольцевой участок, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру цилиндрической оболочки, наружный диаметр кольцевого участка больше его внутреннего диаметра на величину, равную увеличенной в 5 раз толщине цилиндрической оболочки, размер кольцевого участка в осевом направлении равен удвоенной толщине цилиндрической оболочки, а второй торец цилиндрической оболочки состыкован с торцем соосно расположенного полуволнового стержневого концентратора механических колебаний, другой торец концентратора состыкован с объектом вибровозбуждения. Шпильки, стягивающие пакет магнитострикционных пластин и фланец трансформатора, выполнены из неферромагнитного сплава с коэффициентом теплового расширения, меньшим, чем коэффициент теплового расширения материала пластин. Фланец цилиндрической оболочки разделяет сердечник на две части с одинаковым числом магнитострикционных пластин.

Задача изобретения достигается также за счет использования в установке для высокочастотных усталостных испытаний вместо магнитострикционного преобразователя стержневой формы преобразователя цилиндрической формы. Противоречие между радиальным направлением колебаний преобразователя и осевым направлением колебаний объекта испытаний разрешается включением в колебательную систему преобразователь-концентратор-объект промежуточного элемента цилиндрической оболочки.

На фиг. 1 дан общий вид устройства; на фиг. 2 - распределение радиальных U(Z) и осевых W(Z) перемещений для осесимметричной собственной формы колебаний шарнирно опертой по краям цилиндрической оболочки; на фиг. 3 - конечноэлементная модель составной системы трансформатор-концентратор приведенного в данном описании примера выполнения изобретения в недеформированном виде (а) и два деформированный состояния (б,в), соответствующих противоположным фазам колебаний по осесимметричной собственной форме.

В магнитострикционной установке используется следующая особенность собственных форм осевых колебаний цилиндрических оболочек. Предположим, что цилиндрическая оболочка длиной L = 2l и радиусом средней линии r шарнирно оперта по краям. Среди бесконечного числа собственных частот колебаний этой оболочки есть частота ω_o*, которой соответствует осесимметричная форма с распределением амплитуд перемещений, показанным на фиг. 2. Частота ω_o* для заданного материала оболочки является функцией безразмерного параметра L/r и табулирована (например, справочник "Прочность. Устойчивость. Колебания". Справочник в 3-х томах, т 3. М.: Машиностроение, 1968, с. 429).

При колебаниях по этой собственной форме сечению А-А (r=0 на фиг.2) соответствует максимум осевых перемещений и ноль радиальных. Сечению В-В (r=l), наоборот, ноль осевых и максимум радиальных. В предлагаемой конструкции колебательной системы фланец оболочки, с которым контактирует преобразователь, помещается в сечении В-В оболочки (фиг.2), так что точки фланца при работе установки получают перемещения только в радиальном направлении и плоскость контакта фланца с сердечником в осевом направлении не смещается. Оба торца цилиндрической оболочки в предлагаемой конструкции соответствуют сечениям А-А на фиг. 2. Для обеспечения граничных условий один из торцов подкреплен кольцевым участком, не препятствующим перемещению торца в осевом направлении и за счет достаточной радиальной жесткости почти полностью запрещающим перемещения в этом сечении в радиальном направлении. Второй торец цилиндрической оболочки стыкуется с полуволновым концентратором, что позволяет не только обеспечить выполнение условий закрепления оболочки, но и трансформировать радиальные колебания преобразователя в осевые колебания торца концентратора. Соотношение амплитуд осевых колебаний сечения А-А и радиальных колебаний сечения В-В не произвольно. Оно определено собственной формой осевых колебаний оболочки и оказывается больше единицы, когда размеры оболочки таковы, что L/r ≥ π например, для L/r = 7 (согласно справочнику "Прочность. Устойчивость. Колебания". Справочник в 3-х томах, т. 3, М.: Машиностроение, 1968, с. 429) отношение осевых амплитуд торца к радиальным амплитудам равноудаленного от торцев сечения равно μ = ω(o)/u(l) = 6,09. Таким образом, применение цилиндрической оболочки специально подобранных размеров позволяет не только преобразовать направление колебаний, но и увеличить их амплитуду.

Функцию увеличения амплитуд колебаний в известных конструкциях испытательных установок выполняют полуволновые стержневые концентраторы. Бесспорным преимуществом способа усиления амплитуд с помощью цилиндрической оболочки, совершающей колебания по осесимметричной форме, перед традиционными стержневыми концентраторами является меньший уровень необратимых потерь энергии при таком же или даже большем коэффициенте усиления амплитуд.

В колебательных системах, работающих в резонансном режиме на высоких звуковых и ультразвуковых частотах нагружения, потери энергии на механический гистерезис, обусловленные высокоамплитудным циклическим деформированием материала, являются фактором, определяющим не только коэффициент полезного действия установки (энергозатраты на проведение испытаний), но и уровень достижимых при заданной мощности источника механической энергии (магнитострикционного преобразователя) амплитуд механических колебаний объекта возбуждения. Объем деформируемого материала, в котором происходит рассеивание энергии, для цилиндрической оболочки полуволновой длины существенно меньше объема стержневого полуволнового концентратора с соизмеримым поперечным размером. Примерно в таком же отношении, как отношение объемов деформируемого материала, находятся и уровни необратимых потерь энергии на механический гистерезис.

Крепление пакета магнитострикционных пластин к фланцу цилиндрической оболочки в предлагаемой конструкции выполняется при помощи шпилек из неферромагнитного материала с коэффициентом теплового расширения, меньшим чем коэффициент теплового расширения магнитострикционного материала пластин сердечника. Шпильки размещаются в отверстиях, выполненных в кольцевых пластинах и во фланце. В отличие от традиционного неразъемного соединения стержневого преобразователя с полуволновым концентратором, когда торец пакета магнитострикционных пластин припаивается к торцу концентратора, предлагаемый способ крепления допускает относительно простую разборку и позволяет изменять мощность преобразователя изменением числа пластин магнитострикционного материала.

Передача энергии от преобразователя через фланец к цилиндрической оболочке обеспечивается силами трения между пластинами пакета и фланцем. Качество акустического контакта, отсутствие потерь энергии при передаче гарантируется отсутствием проскальзывания контактирующих поверхностей за счет достаточного числа шпилек и эффекта их самозатягивания при нагревании пакета в процессе работы.

Если пакет магнитострикционных пластин будет крепиться к фланцу цилиндрической оболочки только с одной стороны или даже с обеих сторон, но неравными частями, то при работе установки фланец цилиндрической оболочки будет испытывать действие изгибающего момента, обусловленного внецентренным приложенных вынуждающих магнитострикционных сил. Это может привести к искажению формы вынужденных колебаний оболочки относительно ее собственной формы. Всякое искажение осесимметричной формы колебаний оболочки нежелательно, так как может привести к появлению осевых смещений фланца, которые неизбежно повлекут увеличение потерь энергии, и изменению коэффициента усиления радиальных амплитуд колебаний преобразователя в осевые колебания торца концентратора. Чтобы избежать этого преобразователь размещается по обе стороны фланца, причем части, на которые фланец делит пакет, содержат одинаковое число пластин.

Магнитострикционная установка содержит опорную плиту 1, полый корпус 2, в котором размещен сердечник 3, набранный из кольцевых пластин из магнитострикционного сплава, электрическая обмотка 4, трансформатор механических колебаний 5, стержневой концентратор механических колебаний 6, объект испытаний 7.

Корпус 2 представляет собой полый стальной цилиндр диаметром 230 мм, высотой 210 мм, с крышками, одной из которых является опорная плита 1.

Сердечник 3 набирается из тонких кольцевых магнитострикционных пластин толщиной 0,1 - 0,2 мм, например, из никелевого сплава НП-2Т. В пластинах выполнены отверстия для размещения в них провода электрической обмотки 4. Для обмотки используется провод марким ПВС.

Размеры элементов трансформатора механических колебаний 5 (цилиндрической оболочки 8, фланца 9, кольцевого участка 10) обеспечивают совпадение частот осесимметричных колебаний трансформатора и пакета пластин 3. Причем цельная цилиндрическая оболочка 8 трансформатора выполняется полуволновой длины для того, чтобы сечению цилиндрической оболочки 8 с фланцем 9 крепления к сердечнику соответствовала пучность радиальных и узел осевых перемещений, а сечению цилиндрической оболочки с кольцевым участком 10 и сечению стыка с торцем концентратора механических колебаний 6 соответствовал узел радиальных и пучность осевых перемещений.

В качестве стержневого концентратора механических колебаний 6 используется стержень полуволновой длины. Узловое сечение концентратора (где имеется фланец 12) используется для крепления его и всей механической системы на опорной плите 1.

При выборе материала для изготовления трансформатора 5 учтены следующие особенности условий его работы. Фланец 9 оказывается в интенсивном магнитном поле сердечника 3. Чтобы избежать значительных потерь энергии на микровихревые токи в материале фланца 9 для изготовления трансформатора необходимо использовать неферромагнитный материал. В процессе работы испытательной установки все составные части трансформатора - цилиндрическая оболочка 8, фланец 9, кольцевой участок 10 и концентратор механических колебаний 6 испытывают знакопеременные деформации, а из поверхность может оказаться подверженной воздействию кавитирующей жидкости. Поэтому в качестве материала для трансформатора механических колебаний 5 и концентратора 6 необходимо использовать неферромагнитный кавитационно стойкий материал с низкими вибропоглощающими и высокими усталостными свойствами. Перечисленным требованиям удовлетворяют, например, титановые сплавы.

Эффект самозатягивания шпилек 11 при нагревании в процессе работы сердечника 3 достигается, если шпильки изготавливать, например, из титанового сплава.

Для исключения излучения акустической энергии в охлаждаемую жидкость 13 цилиндрическая оболочка 8 трансформатора 5 концентратор 6, а также пакет магнитострикционных пластин 3, обернуты снаружи микропористой резиной 14.

Для магнитострикционной установки с рабочей частотой 22 кГц с сердечником, набранным из кольцевых пластин никелевого сплава НП-2Т толщиной 0,2 мм, имеющих внутренний диаметр 40 мм, наружный диаметр 90 мм, 18 отверстий диаметром 6,5 мм, равномерно расположенных по окружности диаметром 52 мм, расчетом получены основные размеры трансформатора, изготовленного из титанового сплава ВТ20. Длина цилиндрической части 114 мм, внутренний диаметр цилиндрической части 29 мм, наружный диаметр цилиндрической части 30 мм. Фланец цилиндрической оболочки, использующийся для крепления пакета пластин из магнитострикционного материала отстоит от стыка с концентратором на 57 мм. Высота магнитострикционного пакета 40 мм. Пакет стянут через фланцы девятью титановыми шпильками диаметром 6 мм. При нагревании сердечника на 50^oC суммарная сжимающая сила между пластинами увеличивается на 6,95 кН, а нормальное напряжения в шпильках на 27,4 МПа.

Концентратор выполнен коническим. Диаметр широкой части концентратора 30 мм, диаметр узкой части 10 мм, общая длина 130 мм, узел виброперемещений находится на расстоянии 52 мм от широкого торца. Часть концентратора с меньшим диаметром имеет резьбовой участок для крепления объекта испытаний.

Испытательная установка работает следующим образом.

Перед началом испытаний объект вибровозбуждения крепится к резьбовому хвостовику концентратора, например, посредством стяжной муфты. Между торцами объекта испытаний и концентратора для обеспечения хорошего акустического контакта может размещаться тонкая пластинка толщиной 0,2 - 0,5 мм из относительно мягкого металла (свинец, медь, никель) либо торцы смазывают вязкой смазкой (салидол, циатим). Электрическую обмотку 4 подключают к высокочастотному электрическому источнику питания (на фиг. 2 не показан), а в полость корпуса 2 подают охладитель 14, например техническую воду. При подключении электрической обмотки 4 к источнику ЭДС в витках обмотки возникает электрический ток, создающий магнитное поле, под действием которого сердечник намагничивается. Намагничивание магнитострикционного материала приводит к возникновению в нем деформаций магнитострикции, и радиальные размеры кольцевых пластин сердечника изменяются. При совпадении частоты изменения деформаций магнитострикции с собственной частотой колебаний механической системы сердечник-трансформатор-концентратор-объект испытаний устанавливается режим резонансных вынужденных колебаний. В результате возникновения упругих резонансных колебаний амплитуда изменения радиальных размеров сердечника увеличивается в десятки раз.

Степень резонансного увеличения амплитуд перемещений и их установившееся значение соответствуют балансу механических энергий: генерируемой сердечником в результате преобразования энергии магнитного поля и рассеиваемой в механической колебательной системе. В рассеяние энергии входят потери на акустическое излучение в охлаждающую сердечник жидкости, конструкционный гистерезис, внутреннее трение при деформировании пластин, трансформатора, концентратора и объекта испытаний. Форма колебаний оболочки 8 состоит из радиальных и осевых смещений, а именно: в сечении цилиндрической оболочки 8 с фланцем 9 крепления к сердечнику 3 устанавливается пучность радиальных и узел осевых перемещений, а в сечении стыка цилиндрической оболочки 8 с торцем ступенчатого концентратора 6 устанавливается узел радиальных и пучность осевых перемещений (фиг. 3).

Рассмотрим случай, когда преобразователь согласован с нагрузкой. Если преобразователь согласован с нагрузкой, то баланс генерируемой преобразователем энергии и энергии, соответствует максимально возможным для преобразователя механическим амплитудам при наилучшем ( с точки зрения минимизации потерь энергии при перемагничивании) магнитном режиме (например, статья Романова В.А., Сливы О.К. К проектированию магнитострикционного стенда для усталостных испытаний. Деп. в ЦНИИТЭИ 13. 1987, N 3706, пр. 87). Максимальные амплитуды механических колебаний преобразователя ограничиваются условием усталостной прочности пластин сердечника. В рассматриваемом примере конструкции испытательной установки допускаемым условием усталостной прочности для никелевого сплава НП-2Т напряжения [σ_-1] = 50 МПа соответствуют амплитуды колебаний внутреннего торца кольцевых пластин А_пр=4 мкм. Трансформатор колебаний 5 преобразует радиальные колебания фланца 9, совершающего совместное (без проскальзывания) движение с пластинами сердечника из магнитострикционного материала в осевые колебания торца конического концентратора. Амплитуда колебаний входного торца концентратора A^в_к^х связана с величиной амплитуды радиальных колебаний фланца 9 коэффициентом усиления μ_тр, зависящим от соотношения поперечных и продольных размеров трансформатора. В рассматриваемом случае μ_тр= 6,09 и амплитуда входного торца концентратора A^в_к^х оказывается равна A^в_к^х = μ_трA_пр= 24 мкм. Теоретический коэффициент усиления амплитуд стержневым коническим концентратором с отношением входного и выходного диаметров N=3 равен μ_к= 2,65.
Поэтому амплитуда колебаний выходного торца концентратора A^в_к^х будет равна
A^в_к^ых = μ_кA^в_к^х = 65 мкм
Если в качестве объекта испытаний используется стальной полуволновой стержень постоянного поперечного сечения, то амплитудам возбуждения A^вы_об^х = A^в_к^ых соответствуют амплитуды механических напряжений в узле перемещений испытуемого стержня, равны

где
E - модуль упругости материала объекта вибровозбуждения;
Р - рабочая частота установки;
С - скорость звука в материале объекта испытания.

Как правило, в качестве объектов возбуждения при испытаниях используют образцы специальной формы, обладающие собственным коэффициентом усиления. Для таких образцов не рассматриваемой установке можно проводить испытания при амплитудах механических напряжений около 800 МПа.

Если энергия, рассеиваемая в механической колебательной системе на заданных для проведения испытаний амплитуды, оказывается больше энергии, которую может генерировать при соответствующих амплитудах упругих колебаний магнитострикционных пластин преобразователь, то такие амплитуды испытаний оказываются недостижимы. Такой случай называют перегрузкой преобразователя. В этой ситуации для обеспечения заданных амплитуд испытаний при использовании традиционных установок приходится либо изменять геометрию образца (уменьшать диаметр рабочей части), что с точки зрения сопоставимости результатов не всегда допустимо, либо заменять механическую колебательную систему преобразователь-концентратор.

При избыточной мощности преобразователя проведение испытаний возможно без замены колебательной системы, но сопровождается увеличением энергозатрат, связанным со снижением коэффициента полезного действия преобразователя ввиду неэффективных условий преобразования электрической энергии в магнитную, а магнитной - в механическую. Этот случай получил название недогрузки преобразователя.

И в случае перегрузки и в случае недогрузки преобразователя разборный характер предлагаемой конструкции магнитострикционной установки допускает относительно простое изменение мощности преобразователя путем изменения числа пластин в сердечнике при сохранении всех остальных элементов колебательной системы.

Прекращение испытаний возможно либо при наработке объектом испытаний заданного числа циклов при заданном уровне механических напряжений в опасном сечении без разрушения, либо по разрушению образца. О разрушении (образовании усталостной трещины) судят, как правило, по снижению резонансной частоты установки.

Формула изобретения

1. Магнитострикционная установка, содержащая полый корпус, размещенный в нем сердечник цилиндрической формы, набранный из кольцевых пластин с отверстиями из магнитострикционного материала, электрическую обмотку, трансформатор механических колебаний, выполненный в форме установленной соосно с сердечником тонкостенной цилиндрической оболочки с фланцем, имеющим отверстия, а также объект возбуждения и шпильки, при этом отверстия фланца и кольцевых пластин из магнитострикционного материала совмещены, а витки электрической обмотки и шпильки, стягивающие сердечник и фланец тонкостенной цилиндрической оболочки, размещены в этих отверстиях, отличающаяся тем, что установка снабжена стержневым концентратором механических колебаний, установленным соосно с тонкостенной цилиндрической оболочкой, один торец стержневого концентратора состыкован с одним торцом тонкостенной цилиндрической оболочки, а другой его торец состыкован с объектом возбуждения, собственная частота осесимметричных колебаний трансформатора равна собственной частоте осесимметричных радиальных колебаний кольцевых пластин из магнитострикционного материала, фланец тонкостенной цилиндрической оболочки размещен в узле ее собственных осевых колебаний и контактирует с кольцевыми пластинами из магнитострикционного материала по плоскости, перпендикулярной оси тонкостенной цилиндрической оболочки, при этом трансформатор механических колебаний и стержневой концентратор механических колебаний выполнены полуволновыми, а другой торец тонкостенной цилиндрической оболочки содержит кольцевой участок, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру цилиндрической оболочки, наружный диаметр кольцевого участка больше его внутреннего диаметра на величину, равную увеличенной в пять раз толщине цилиндрической оболочки, размер кольцевого участка в осевом направлении равен удвоенной ее толщине.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что шпильки выполнены из неферромагнитного сплава с коэффициентом теплового расширения меньшим, чем коэффициент теплового расширения материала пластин.

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что фланец тонкостенной цилиндрической оболочки разделяет сердечник на две части с одинаковым числом кольцевых пластин из магнитострикционного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3