CN101134195A - 一种半波长超声冲击枪 - Google Patents

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尹丹青
王婷
吴良晨
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Abstract

本发明涉及一种半波长超声冲击枪，属于机械结构疲劳性能改善技术领域。本发明旨在提供一种结构紧凑的超声冲击枪设计方案。一种半波长超声冲击枪，由外壳、换能器、变幅杆以及冲击头四部分组成，其特征在于，换能器和变幅杆的尺寸分别为系统谐振频率对应波长的四分之一。半波长超声冲击枪具有重量轻、体积小、输出功率大以及使用方便等优点；相对于现有技术中的全波长超声冲击枪，回转半径更小；由于半波长冲击枪重量约减轻至原有重量的40％，有效提高劳动效率100％～200％以上。

Description

一种半波长超声冲击枪
技术领域
本发明属于机械结构疲劳性能改善技术领域，进一步涉及一种半波长超声冲击枪。
背景技术
现有超声冲击装置的执行机构即超声冲击枪，按其原理一般分为压电式和磁致伸缩式。冲击枪结构由外壳和能量转换器件组成，其中的能量转换器件由换能器和变幅杆构成。要实现电能和超声振动(机械能)之间的转换，并由冲击端输出最大振幅，根据电声学原理，能量转换器件必须满足一定的尺寸条件。传统的冲击枪由变幅杆和换能器组成的能量转换系统，其长度为系统谐振频率对应波长的整数倍，有两个节点分别位于其长度的四分之一和四分之三处，这样才能使振动在输出端达到最大值。其主要缺点在于超声冲击装置的体积相对较大，对于狭小空间只能采用改变冲击头(针)外型的方式适应处理对象的变化，而对于一些特殊位置或尺寸的结构，如细管(对于谐振频率20KHz的系统，管径小于Ф300mm)及其内壁等容易产生疲劳问题的部位无论采用何种冲击头(针)均无法进行处理。对于一些需处理的特殊结构，由于系统谐振频率一定，因此几乎无法改变冲击枪外型尺寸，否则通过外型的少许减小换来的是输出功率的大大降低，但是冲击枪尺寸并无实质性改变。而且冲击处理效果将大为降低。另外全波长冲击枪因自身尺寸重量相对较大带来的工人劳动强度大，也会使工人的工作效率极大的下降。
发明内容
本发明旨在提供一种结构紧凑的超声冲击枪设计方案。
本发明通过如下技术方案实现。一种半波长超声冲击枪，由外壳、换能器、变幅杆以及冲击头四部分组成，其特征在于，换能器和变幅杆的尺寸分别为系统谐振频率对应波长的四分之一。
上述换能器可以为压电陶瓷换能器，该压电陶瓷换能器由2至12片偶数片压电陶瓷组成。
上述换能器也可以为磁致伸缩换能器。
本发明相对于现有技术有如下优点：
(1)半波长超声冲击枪具有重量轻、体积小、输出功率大以及使用方便等优点。
(2)相对于现有技术中的全波长超声冲击枪，由于长度减少到原来的50％左右，回转半径更小，对于环焊缝和管道尤其是管径低于300mm的长输管线内壁焊缝的处理更加理想。
(3)由于半波长冲击枪重量约减轻至原有重量的40％，使工人在操作时的劳动强度大大降低，由双手把持式操作改为单手持握式操作，大大延长了工人的工作时间，有效提高劳动效率100％～200％以上。
附图说明
图1压电陶瓷换能器半波长超声冲击枪；
图2磁致伸缩换能器半波长超声冲击枪；
图3大功率半波长超声冲击枪；
图4阶梯-锥度-阶梯型半波长超声冲击枪；
图5半波长斜角度超声冲击枪。
具体实施方式
本发明采用的技术方案分为压电陶瓷换能器方案和磁致伸缩换能器方案。
实施例1：压电陶瓷换能器方案
对照图1，半波长超声冲击枪由外壳、换能器、变幅杆以及冲击头四部分组成。换能器和变幅杆的尺寸分别为系统谐振频率对应波长的四分之一。外壳部分包括换能器保护壳3、变幅杆套5以及冲击头套12。换能器保护壳后盖1以过盈配合方式装入换能器保护壳3中。超声冲击枪最右端是便于拆卸的冲击头套12，内装数量以及外型均根据处理工件而不同的针式冲击头6；冲击头套12和针式冲击头6采用中国专利CN02110034.4中公开的设计方案，方便多种不同形式的冲击头的装卸，它与变幅杆套5的前端通过螺纹结构相连接，使用和更换仅需旋开冲击头套即可方便完成。换能器外壳中装有换能器工作主体部分，它是由四部分组成的，分别为紧固螺栓8、钛合金垫圈2、压电陶瓷换能器9和变幅杆11。其中压电陶瓷换能器9可由2至12片偶数片压电陶瓷组成。紧固螺栓8通过钛合金垫圈2将压电陶瓷换能器9固定连接至开好螺纹孔的变幅杆11上。紧固螺栓8、钛合金垫圈2、压电陶瓷换能器9以及变幅杆11共同组成超声冲击枪的主体部分，由于该部分尺寸为系统谐振频率对应波长的一半因此称为半波长超声冲击枪。由于只有半波长因此它的节点只有一个，位于整体长度的中间位置。将连接完成的换能器9及变幅杆11整体安装在换能器保护壳3上再放入橡胶垫圈10。保护壳右端设计有螺纹口结构，使用带有螺纹的换能器紧固环4，旋转紧固环4使其接触并压紧橡胶垫圈10即可保证换能器的牢固安装。操作时手握冲击枪手柄7进行处理。
实施例2：磁致伸缩换能器方案
对照图2，磁致伸缩换能器半波长超声冲击枪主要部分同样由外壳、换能器、变幅杆及冲击头组成。换能器和变幅杆的尺寸分别为系统谐振频率对应波长的四分之一。其设计谐振原理与压电式半波长冲击枪一致，只有换能器部分不同。
换能器保护壳13和变幅杆套21以及冲击头套22组成磁致伸缩超声冲击枪外套部分。磁致伸缩换能器14由顶杆15与四分之一波长变幅杆17连接，并由换能器紧固环16通过橡胶垫圈20固定在换能器保护壳13内。根据处理工件的需要，四分之一波长变幅杆17前端由冲击头套和针式冲击头组成的工作部分可以方便的更换。操作人员可以单手紧握手柄19进行超声冲击处理。
实施例3：大功率半波长超声冲击枪
对照图3，换能器和变幅杆的尺寸分别为系统谐振频率对应波长的四分之一。换能器部分的压电陶瓷片由偶数片构成，因此陶瓷的片数从2片至12片即可有效提高输出功率50％～300％，而冲击枪整体重量仅增加10％～30％。对于磁致伸缩换能器超声冲击枪，其输出功率的提高通过增大驱动磁场强度即增大驱动电流的方式实现。
实施例4：阶梯-锥度-阶梯型半波长超声冲击枪
对照图4，换能器和变幅杆的尺寸分别为系统谐振频率对应波长的四分之一。单一形状变幅杆存在着放大系数相对较小或形状因数小等缺点，而单一的阶梯型变幅杆由于界面存在突变而引起的应力集中，使用时自身也会产生疲劳等一系列问题，因此本方案使用全新设计的四分之一波长变幅杆，其界面采用阶梯-锥度-阶梯型过渡，有效的降低了界面突变引起的应力集中现象，同时保证了较大的放大系数。
实施例5：半波长斜角度超声冲击枪
对照图5，换能器和变幅杆的尺寸分别为系统谐振频率对应波长的四分之一。斜角度冲击头采用专利申请CN200610014768.X中记载的设计方案，此种形式的超声冲击枪采用了全新设计的四分之一波长斜角度变幅杆，配合不同角度不同外型的斜角度冲击头，可以实现更加方便的处理各种细管和狭窄位置焊缝的需要。

Claims (4)

1.一种半波长超声冲击枪，由外壳、换能器、变幅杆以及冲击头四部分组成，其特征在于，换能器和变幅杆的尺寸分别为系统谐振频率对应波长的四分之一。
2.根据权利要求1所述一种半波长超声冲击枪，其特征在于，所述换能器为压电陶瓷换能器。
3.根据权利要求2所述一种半波长超声冲击枪，其特征在于，所述压电陶瓷换能器由2至12片偶数片压电陶瓷组成。
4.根据权利要求1所述一种半波长超声冲击枪，其特征在于，所述换能器为磁致伸缩换能器。
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