RU2167471C1

RU2167471C1 - Method for assembly and repairs of sectionalized cylindrical piezoceramic transducer

Info

Publication number: RU2167471C1
Application number: RU2000110042/28A
Authority: RU
Inventors: А.К. Батанов; Б.М. Бродский; Б.Я. Голубчик; рев Ю.Н. Дегт; Ю.Н. Дегтярев; С.В. Рожновский; Г.Е. Рукавишников
Original assignee: Открытое акционерное общество "Водтрансприбор"
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2001-05-20

Abstract

FIELD: manufacture and repairs of sonar equipment for hydroacoustic inspections. SUBSTANCE: method for assembling cylindrical piezoceramic transducer from piezoids in the form of prisms involves transducer forming, winding of glass thread with binder onto its external side surface at certain tension, and transducer bonding at side surfaces by means of adhesive compound at the same time polymerizing adhesive compound and binder. Upon winding glass thread and before polymerizing the binder adhesive seams between prisms are filled with liquid-phase adhesive compound admitted from inner space of transducer under pressure built up due to thread tension. Upon filling adhesive seams adhesive compound is removed from inner space of transducer. EFFECT: facilitated procedure, reduced labor consumption, improved quality of adhesion. 2 dwg

Description

Изобретение относится к технологии изготовления и ремонта пьезокерамических преобразователей, в частности к их склейке и армированию, и может найти применение при изготовлении и ремонте гидроакустической аппаратуры или электроакустической аппаратуры контроля. The invention relates to a technology for the manufacture and repair of piezoelectric transducers, in particular to gluing and reinforcing them, and may find application in the manufacture and repair of sonar equipment or electro-acoustic control equipment.

Секционированные цилиндрические преобразователя, склеенные из пьезоэлементов в виде призм, являются высокоэффективными излучателями и приемниками звука [1]. Sectioned cylindrical transducers glued from piezoelectric elements in the form of prisms are highly efficient emitters and sound receivers [1].

Для повышения динамической прочности и ресурса секционированных цилиндрических преобразователей применяют их армирование, т.е. создание в них предварительных сжимающих напряжений. To increase the dynamic strength and resource of sectioned cylindrical transducers, their reinforcement is used, i.e. creation of preliminary compressive stresses in them.

В настоящее время армирование цилиндрических преобразователей производят преимущественно путем намотки на их внешнюю боковую поверхность прочной стеклонити с натягом, обеспечивающим создание в пьезокерамике заданных предварительных напряжений [2]. Currently, the reinforcement of cylindrical transducers is carried out mainly by winding on their outer side surface a strong glass fiber with an interference fit, which ensures the creation of specified prestresses in piezoceramics [2].

Известен способ сборки секционированного цилиндрического преобразователя, в котором преобразователь сначала склеивают из призм [2]. Для этого на поверхности пьезоэлементов тонким слоем наносят клеящий компаунд (обычно на основе эпоксидной смолы), затем в специальном жестком цилиндрическом приспособлении формируют преобразователь и производят полимеризацию компаунда, т.е. склейку преобразователя. A known method of assembling a sectioned cylindrical transducer in which the transducer is first glued from prisms [2]. For this, an adhesive compound (usually based on epoxy resin) is applied on the surface of the piezoelectric elements with a thin layer, then a converter is formed in a special rigid cylindrical device and the compound is polymerized, i.e. gluing the converter.

Склеенный преобразователь после механического удаления избыточного клеящего компаунда армируют, для чего с помощью специального приспособления для намотки наматывают стеклонить с определенным натягом на внешнюю боковую поверхность преобразователя, при этом наматываемая стеклонить обвалакивается связующим, также представляющим собой эпоксидный компаунд. After mechanical removal of the excess adhesive compound, the glued transducer is reinforced, for which, using a special winding device, winding glass with a certain interference fit on the outer side surface of the transducer, while the winding glass strand is bonded with a binder, also representing an epoxy compound.

Однако вязкость связующего должна быть существенно меньше вязкости клеящего компаунда, поскольку при этой технологии клеящий компаунд, который вручную наносят на боковые поверхности призм, должен быть достаточно густым. However, the viscosity of the binder should be significantly lower than the viscosity of the adhesive compound, since with this technology the adhesive compound, which is manually applied to the side surfaces of the prisms, should be sufficiently thick.

Сборка секционированного пьезокерамического преобразователя заканчивается после полимеризации связующего. The assembly of the sectioned piezoceramic transducer ends after the binder is polymerized.

Недостатком этого широко распространенного способа является то, что при склейке призм, имеющих разбросы поперечных и угловых размеров в жестком цилиндрическом приспособлении, образуются непроклеи, которые при последующем армировании могут привести к образованию трещин, поскольку дефекты склейки являются концентраторами механических напряжений в пьезокерамике, что существенно уменьшает эффективность армирования, призванного повысить механическую прочность. The disadvantage of this widespread method is that when gluing prisms having spreads of transverse and angular dimensions in a rigid cylindrical device, non-glues are formed, which, with subsequent reinforcement, can lead to cracking, since gluing defects are concentrators of mechanical stresses in piezoceramics, which significantly reduces the effectiveness of reinforcement designed to increase mechanical strength.

К тому же этот способ имеет большое количество ручных операций (в одном преобразователе может быть более 100 призм и на каждую с двух сторон наносят клеящий компаунд) и не поддается автоматизации, что делает его экономически неэффективным и не обеспечивающим стабильность параметров. In addition, this method has a large number of manual operations (there can be more than 100 prisms in one transducer and an adhesive compound is applied on each side) and does not lend itself to automation, which makes it economically inefficient and does not provide parameter stability.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является способ сборки цилиндрического секционированного преобразователя, известный из [3] и имеющий следующую последовательность операций:
- на боковую поверхность призм вручную наносят склеивающий эпоксидный компаунд, достаточно густой, чтобы масса не стекала с поверхностей склеивания;
- формируют преобразователь;
- до схватывания склеивающего компаунда устанавливают преобразователь в специальное приспособление для намотки и производят намотку стеклонити со связующими на ее наружную боковую поверхность с натягом;
- производят одновременную полимеризацию склеивающего компаунда и связующего.By technical nature, the closest to the proposed method is the assembly of a cylindrical sectioned transducer, known from [3] and having the following sequence of operations:
- a gluing epoxy compound is applied onto the side surface of the prisms manually, thick enough so that the mass does not drain from the bonding surfaces;
- form a converter;
- before the bonding of the bonding compound, the transducer is installed in a special winding device and winding the glass fiber with binders on its outer side surface with interference;
- produce simultaneous polymerization of the bonding compound and the binder.

Предложенный способ сборки обеспечивает более равномерную толщину клеевых швов и таким образом снижение разброса параметров преобразователей по сравнению с преобразователями, собранными по способу [2]. Однако этот способ, как и вышеупомянутый, имеет подавляющее большинство ручных операций и не поддается автоматизации. Способ-прототип, кроме того предъявляет высокие требования к геометрическим размерам призм и к чистоте обработки склеиваемых поверхностей и не пригоден для восстановления или ремонта секционированных преобразователей после разрушения клеевых швов, клеевые слои которых разрушились в результате длительной эксплуатации. The proposed assembly method provides a more uniform thickness of the adhesive joints and thus reducing the variation in the parameters of the transducers compared to transducers assembled by the method [2]. However, this method, like the above, has the vast majority of manual operations and is not amenable to automation. The prototype method, in addition, makes high demands on the geometric dimensions of prisms and on the cleanliness of the glued surfaces and is not suitable for the restoration or repair of partitioned transducers after the destruction of adhesive joints, the adhesive layers of which have been destroyed as a result of long-term operation.

Задачей изобретения является упрощение процесса сборки, снижение его трудоемкости в результате исключения большого количества ручных операций, обеспечение возможности ремонта преобразователей после разрушения клеевых швов между призмами, путем восстановления разрушенных клеевых слоев без увеличения разброса параметров преобразователей. The objective of the invention is to simplify the assembly process, reducing its complexity by eliminating a large number of manual operations, providing the possibility of repairing the transducers after the destruction of the adhesive joints between the prisms, by restoring the destroyed adhesive layers without increasing the spread of the parameters of the transducers.

Для решения поставленной задачи в способ сборки цилиндрического пьезокерамического секционированного преобразователя из пьезоэлементов в виде призм, включающий формирование преобразователя, намотку стеклонити со связующими на внешнюю боковую поверхность преобразователя с натягом и склейку преобразователя по боковым поверхностям призм клеящим компаундом при одновременной полимеризации клеящего компаунда и связующего, введены новые признаки, а именно: после намотки стеклонити, но до полимеризации связующего, клеевые швы между призмами заполняют клеящим компаундом в жидкой фазе из внутренней полости преобразователя под давлением, превышающим давление, созданное натягом стеклонити, а после заполнения клеевых швов, клеящий компаунд из внутренней полости преобразователя удаляют. To solve the problem, a method for assembling a cylindrical piezoelectric ceramic sectioned transducer from piezoelectric elements in the form of prisms, including forming a transducer, winding glass fibers with binders on the outer side surface of the transducer with interference and gluing the transducer along the side surfaces of the prisms with an adhesive compound while polymerizing the adhesive compound and the binder, was introduced new signs, namely: after winding glass, but before the polymerization of the binder, adhesive joints between the prize We fill the adhesive compound in the liquid phase from the internal cavity of the transducer under a pressure higher than the pressure created by the preload of glass fiber, and after filling the glue joints, the adhesive compound from the internal cavity of the transducer is removed.

Поскольку в предложенном способе клеевые швы заполняются без несплошностей одновременно и кратковременно, процесс сборки существенно сокращается и обеспечивается высокое качество склейки. При этом значительно снижаются требования к качеству обработки склеиваемых поверхностей, вплоть до оставшихся на этих поверхностях следов предыдущей склейки, т.к. компаунд в жидкой фазе, обладая низкой вязкостью, проникает под давлением во все образовавшиеся полости. Since in the proposed method, the adhesive joints are filled without discontinuities at the same time and briefly, the assembly process is significantly reduced and high quality gluing is ensured. At the same time, the requirements for the quality of processing of glued surfaces are significantly reduced, up to the traces of the previous gluing remaining on these surfaces, because the compound in the liquid phase, having a low viscosity, penetrates under pressure into all the cavities formed.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, при этом на фиг. 1 приведено приспособление для формирования цилиндрического преобразователя из призм, а на фиг. 2 - устройство для заполнения клеевых швов секционированного цилиндрического преобразователя компаундом в жидкой фазе. The invention is illustrated in FIG. 1 and FIG. 2, wherein in FIG. 1 shows a device for forming a cylindrical transducer from prisms, and in FIG. 2 - a device for filling the adhesive joints of a sectioned cylindrical transducer with a compound in the liquid phase.

Сборка преобразователя предложенным способом осуществляется следующим образом:
- формируют цилиндрический преобразователь, для этого устанавливают пьезоэлементы - призмы 1 (в данном примере в количестве 90 шт.) в технологическое приспособление (фиг. 1) в виде полуколец 2 и закрепляют во фланцах 3 с помощью шпильки 4;
- устанавливают сборку в станок для армирования стеклонитью, после чего снимают полукольца 2.The assembly of the Converter by the proposed method is as follows:
- form a cylindrical transducer, for this install piezoelectric elements - prisms 1 (in this example, in the amount of 90 pcs.) in the technological device (Fig. 1) in the form of half rings 2 and fix in the flanges 3 with the help of a pin 4;
- install the assembly in the machine for reinforcing glass, then remove the half rings 2.

Для этой цели может быть использован станок, схема которого, а также схема установки преобразователя в приспособлении для намотки в станок приведена в [2] на рис. 77 и 76;
- производят намотку стеклонити с заданными шагом намотки, натяжением и количеством нитей в витке.For this purpose, a machine can be used, the scheme of which, as well as the installation diagram of the converter in the device for winding into the machine is shown in [2] in Fig. 77 and 76;
- produce winding glass with a given winding pitch, tension and the number of threads in a turn.

В данном примере усилие натяжения на виток - 2 кгс, количество нитей в витке - 2 шт., шаг намотки - 0,5 мм, скорость намотки - 5-20 об/мин;
- заранее подготовленное связующее, в данном примере компаунд УП5-162 в жидкой фазе, выдавливают при намотке каждого слоя;
- по окончании намотки нить закрепляют и удаляют избыток связующего;
- до полимеризации связующего, для УП5-162 это время не должно превышать 12 ч, помещают преобразователь в устройство для заполнения клеевых швов (фиг. 2). Устройство содержит плоское основание 5, имеющее по центру цилиндрический выступ 6;
- преобразователь 7 устанавливают на основание 5 через уплотнение 8;
- прижимают крышку 9 шпильками 10 к верхнему торцу преобразователя 7, при этом крышка 9 через уплотнения 11 герметизирует его внутреннюю полость;
- через центральное отверстие в крышке 9 заполняют внутренний объем преобразователя компаундом УП5-162 в жидкой фазе, имеющим низкую вязкость, которая составляет 50 с по воронке В3-4 при 40^oC;
- с помощью плунжера 12, имеющего на наружной поверхности уплотнительные кольца 13, создают во внутренней полости преобразователя кратковременное избыточное давление и увеличивают его до тех пор, пока компаунд не начнет просачиваться через слои стеклонити.In this example, the tension force per turn is 2 kgf, the number of threads in the turn is 2 pcs., The winding pitch is 0.5 mm, the winding speed is 5-20 rpm;
- a pre-prepared binder, in this example, the UP5-162 compound in the liquid phase, is squeezed during the winding of each layer;
- at the end of the winding, the thread is fixed and the excess binder is removed;
- before the polymerization of the binder, for UP5-162 this time should not exceed 12 hours, place the transducer in the device for filling the adhesive joints (Fig. 2). The device comprises a flat base 5, having in the center a cylindrical protrusion 6;
- the Converter 7 is installed on the base 5 through the seal 8;
- press the cover 9 with pins 10 to the upper end of the transducer 7, while the cover 9 through the seals 11 seals its internal cavity;
- through the Central hole in the cover 9 fill the internal volume of the Converter compound UP5-162 in the liquid phase having a low viscosity, which is 50 s in a funnel B3-4 at 40 ^o C;
- using a plunger 12 having an o-ring on the outer surface 13, create a short-term overpressure in the internal cavity of the transducer and increase it until the compound begins to seep through the layers of glass fiber.

Это свидетельствует о том, что давление компаунда превысило сжимающее давление стеклонити, нить растянулась и клеевые швы заполнены компаундом;
- извлекают плунжер и снимают давление. При этом бандаж из стеклонити сжимается до его размера при намотке и выжимает избыточный компаунд из клеевых швов между призмами;
- сливают компаунд, вынимают преобразователь из установки, дают стечь компаунду с преобразователя;
- производят полимеризацию компаунда. Эту операцию производят в термошкафу в данном примере при ≈ 65^oC в течение 20 ч при вращении преобразователя вокруг горизонтальной оси;
- охлаждают склеенный преобразователь в течение 12 ч. Заявленный процесс сборки секционированного цилиндрического преобразователя на этом закончен.This indicates that the pressure of the compound exceeded the compressive pressure of the glass fiber, the thread was stretched and the adhesive joints were filled with the compound;
- remove the plunger and relieve pressure. In this case, the fiberglass bandage is compressed to its size during winding and squeezes the excess compound from the glue joints between the prisms;
- the compound is drained, the converter is taken out of the installation, the compound is drained from the converter;
- produce the polymerization of the compound. This operation is carried out in a heating cabinet in this example at ≈ 65 ^° C for 20 hours when the converter rotates around a horizontal axis;
- cool the glued transducer for 12 hours. The claimed assembly process of the sectioned cylindrical transducer is now complete.

При сборке преобразователя заявленным способом заполнение клеевых швов клеящим компаундом происходит автоматически под давлением. Это обеспечивает равномерность клеевых швов и заполнение всех пустот между призмами, в том числе, если эти боковые поверхности призм имеют следы компаунда от предыдущих склеек и сами призмы получены после разборки секционированных преобразователей. When assembling the Converter of the claimed method, the filling of adhesive joints with an adhesive compound occurs automatically under pressure. This ensures uniformity of the adhesive joints and filling of all voids between the prisms, including if these side surfaces of the prisms have compound traces from previous glues and the prisms themselves are obtained after dismantling the sectioned transducers.

Это позволяет применять предложенный способ при ремонте цилиндрических секционированных преобразователей. При этом за счет равномерности клеевых швов, преобразователи, собранные этим способом, имеют высокую степень монолитности механической системы, что обеспечивает малый разброс параметров от преобразователя к преобразователю. This allows you to apply the proposed method in the repair of cylindrical sectioned converters. Moreover, due to the uniformity of the adhesive joints, the transducers assembled in this way have a high degree of monolithicity of the mechanical system, which provides a small variation in parameters from the transducer to the transducer.

Партия из 30 секционированных преобразователей, собранных предложенным способом, имеет разброс по резонансным частотам и по чувствительности, не превышающий 10% от расчетных параметров, что подтверждает высокое качество склейки. A batch of 30 sectioned converters assembled by the proposed method has a spread in resonance frequencies and in sensitivity, not exceeding 10% of the calculated parameters, which confirms the high quality of gluing.

При этом трудоемкость предложенного способа за счет исключения ручных операций на 50% меньше трудоемкости способа-прототипа. Moreover, the complexity of the proposed method due to the exclusion of manual operations is 50% less than the complexity of the prototype method.

Литература
1. Подводные электроакустические преобразователи. Справочник. Под ред. чл.-корр. АН СССР В.В. Богородского. Л., 1983 г., стр. 83-97.Literature
1. Underwater electro-acoustic transducers. Directory. Ed. Corr. USSR Academy of Sciences V.V. Bogorodsky. L., 1983, pp. 83-97.

2. А. Г. Рабинович, Л.А. Рубанов. Технология производства гидроакустической аппаратуры. Л., 1973 г., стр. 103-115. 2. A. G. Rabinovich, L.A. Rubanov. Technology for the production of sonar equipment. L., 1973, pp. 103-115.

3. Описание изобретения к заявке N 95110710/28 по кл. H 04 R 31/00. Публикация 20.04.97 г. 3. Description of the invention to the application N 95110710/28 according to class. H 04 R 31/00. Published April 20, 1997

Claims

A method of assembling a cylindrical piezoelectric ceramic sectioned transducer from piezoelectric elements in the form of prisms, including forming a transducer, winding glass fiber with a binder on the outer side surface of the transducer with interference and gluing the transducer on the lateral surfaces of the prisms with an adhesive compound while polymerizing the adhesive compound and the binder, characterized in that after winding glass filaments, but before the polymerization of the binder, the glue joints between the prisms are filled with an adhesive compound in the liquid phase e from the internal cavity of the transducer under pressure exceeding the pressure created by the preload of the glass fiber, and after filling the adhesive joints, the adhesive compound is removed from the internal cavity of the transducer.