可换向的纵振动方向变换器的设计方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于超声波纵振动系统设计技术领域，特别设及一种可一端输入多端输出 的可换向的纵振动方向变换器的设计方法及用该方法设计的纵振动方向变换器。
【背景技术】
[0002] 超声纵振动系统包括超声换能器、变幅杆及工具头，传统的超声纵振动系统中，一 个换能器只能连接一套变幅杆及工具头，因而也只能有一个输出端对处理对象进行处理， 再则，如超声凝聚、超声除泡、超声除尘等一些应用中，需要对流体进行大功率大面积、全方 位地超声福射应用时，需要应用多套传统的超声纵振动系统，使得工作效率难W保证，而且 系统运行成本较高。
【发明内容】
[0003] 针对上述现有技术所存在不足，本发明提供了一种可实现一端输入、多段输出，达 到多个输出端可同时对多个处理对象作用，并且设计过程简单的可换向的纵振动方向变换 器的设计方法。
[0004] 本发明还提供了一种用上述设计方法所设计的处理工作效率高、运行成本低、安 装方便的纵振动方向变换器。 阳〇化]本发明实现上述目的所采用的技术方案是：该纵振动方向变换器的输入杆与输出 杆通过方向变换体连接，输入杆、方向变换体W及输出杆设计满足：
[0006] 在输入杆及输出杆的端面处满足：纵向力、横向力和力矩为零的自由边界条件； 在输入杆与方向变换体连接处满足：位移、纵向力、横向力、转角及力矩连续；方向变换体 与各输出杆连接处的位移和转角对应连续，并且方向变换体输出端的纵向力、横向力对应 为各输出杆的纵向力、横向力之和，方向变换体输出端的力矩为各输出杆的力矩之和。
[0007] 一种用上述的设计方法所设计的纵振动方向变换器是由依次连接的输入杆、方向 变换体W及至少2个输出杆组成，所述输出杆在同一平面分布并且关于输入杆的中屯、轴对 称分布；
[0008] 上述输入杆及输出杆的端面处满足：纵向力、横向力和力矩为零的自由边界条件； 在输入杆与方向变换体连接处满足：位移、纵向力、横向力、转角及力矩连续，方向变换体与 各输出杆连接处的位移和转角对应连续，并且方向变换体输出端的纵向力、横向力对应为 各输出杆的纵向力、横向力之和，方向变换体输出端的力矩为各输出杆的力矩之和。
[0009] 上述各个输出杆的直径、长度相等。
[0010] 上述输入杆的长度li与输出杆的长度13^及方向变换体沿纵振动传递方向上的 线度12之和满足：ll+Vl3< ^为该振动方向变换器的纵振动频率所对应的波长。
[0011] 上述输入杆的直径、输出杆的直径W及纵振动变换体沿垂直于纵振动传递方向上 的线度均小于该振动方向变换器的纵振动频率所对应的四分之一波长。
[0012] 本发明所提供的可换向的纵振动方向变换器的设计方法，其通过方向变换体将一 个输入杆与多个输出杆禪连为一体，实现一端纵振动输入多个方向上纵振动输出，可w达 到多个输出端同时作用于多个或者大面积的处理对象的目的，实现大面积对流体进行超声 福射的应用，提高超声处理效率，节省生产成本，此外，本发明结构设计简单，更换拆装方 便，还可W根据实际应用灵活选择输出杆的个数及方向，适于大范围推广应用。
【附图说明】
[0013] 图1为可换向的纵振动方向变换器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0014] 现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于 下述的实施情形。 阳〇1引 实施例1
[0016] 由图1可知，本实施例的可换向的纵振动方向变换器是由输入杆1、方向变换体2 W及上输出杆4、中输出杆3和下输出杆5连接构成。
[0017] 其中输入杆1与方向变换体2连接，在方向变换体2的另一端面上用螺纹方式连 接有3个输出杆，分别为上输出杆4、中输出杆3W及下输出杆5,上输出杆4、下输出杆5关 于输入杆1的中屯、轴对称，且与输入杆1中屯、轴之间形成的夹角为0，90°〉0 >0°，而中 输出杆3安装在上输出杆4和下输出杆5之间，并且其中屯、轴与输入杆1的中屯、轴在同一 平面上，为了便于上输出杆4和下输出杆5与方向变换体2安装，将方向变换体2与上输出 杆4、下输出杆5接触的位置加工为斜面，其倾斜角度与0相等，只要满足方向变换体2与 上输出杆4、下输出杆5充分接触即可。
[001引设定S个自然坐标系，其分别沿着输入杆1、方向变换体2与中输出杆3、上输出杆 4、下输出杆5的轴线方向，W方向变换体2与各输出杆的中屯、轴连接点为原点，设定输入杆 1的长度为li，直径为化，方向变换体2沿纵振动传递方向上的线度为12、垂直于纵振动传 递方向上直径为02,中输出杆3、上输出杆4W及下输出杆5的长度均为13,直径分别为化、 04、05。
[0019] 本实施例的纵振动方向变换器的设计方法是按照下述公式进行：
[0020] 在输入杆1及输出杆的端面处满足：纵向力、横向力和力矩为零的自由边界条件； 在输入杆1与方向变换体2连接处满足：位移、横向力和纵向力、转角及力矩连续；方向变 换体2与各输出杆连接处的位移和转角对应连续，并且方向变换体2输出端的横向力、纵向 力对应为各输出杆的横向力、纵向力之和，方向变换体2输出端的力矩为各输出杆的力矩 之和，具体为：在X= -12处，位移、力、转角及力矩连续：
[0026] |、'=_,: =M?I叫' 御；
[0027] e1为输入杆1的纵向位移，m;e2为方向变换体2的纵向位移，m; 阳02引 n1为输入杆1的横向位移，m;n2为方向变换体2的横向位移，m;
[0029]Fii为输入杆1所受的纵向力，N，F12为方向变换体2所受的纵向力，N;
[0030] Ffi为输入杆1所受的横向力，N，Ff2为方向变换体2所受的横向力，N;
[0031] 41为输入杆1W其中屯、轴为基准的转角；42为方向变换体2W其中屯、轴线为基 准的转角；
[0032]Ml为输入杆1所受的力矩，N?m，M2为方向变换体2所受的力矩，N?m;在X= 0 处：
W45] 其中：e3、￡4、ee分别为中输出杆3、上输出杆4、下输出杆5的纵向位移，m;
[0046]n3、n4、n5分别为中输出杆3、上输出杆4、下输出杆5的横向位移，m;
[0047] 。3、。4、分别为中输出杆3、上输出杆4、下输出杆5所雙的纵向力，N; W48] Ff3、Ff4、Ffs分别为中输出杆3、上输出杆4、下输出杆5所受的横向力，N; W例 43、&4、4分别为中输出杆3、上输出杆4、下输出杆5W各自的中屯、轴为基准的 转角；
[0050] M3、IVLpMs分别为中输出杆3、上输出杆4、下输出杆5所雙的力矩，N?m;纵振动方 向变换体2的振动输入杆1为自由边界：
[0051]
[0054] 纵振动方向变换体2的各输出杆的端面为自由边界：
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