Apocryphal Academy

Автор Тема: ПАТЕНТ: US 8910727 B2 ---- Ултразвуков къртач  (Прочетена 6253 пъти)

0 Потребители и 1 Гост преглежда(т) тази тема.

λ

  • Administrator
  • Sr. Member
  • *****
  • Karma: +0/-0
    • Профил
ПАТЕНТ: US 8910727 B2 ---- Ултразвуков къртач
« -: Декември 11, 2018, 12:59:28 am »
Ултразвуков / звуков къртач
US 8910727 B2

Изобретатели --- --- --- --- --- --- -- - Йозеф Бар-Кохен (Yoseph Bar-Cohen); Стюарт Шерит (Stewart Sherrit); Джак Херц (Jack Herz).
Настоящ правоприемник --- --- --- --- Калифорнийски Технологичен институт
Оригинален правоприемник --- --- --- Калифорнийски Технологичен институт
Поръчител --- --- --- --- --- --- --- -- - НАСА
Дата на внасяне --- --- --- --- --- --- -- 03.02.2006г
Дата на връчване --- --- --- --- --- -- - 16.12.2014г
Гугъл-патенти --- --- --- --- --- --- - -- US 8910727 B2




Теория

Изобретението осигурява новаторски къртач, който използва ултразвукови и/или звукови вибрации като източник на мощност. Лесно е да се борави с него и не изисква продължително обучение, тъй като изисква значително по-малко физически възможности от оператора и следователно увеличава броя на потенциалните възможни оператори. Важно предимство на безопасността му е, че къртачът не наранява жилавите или отстъпчиви материали като кабели, канали, тръби и други други вложени предмети, които могат да се окажат на пътя на ударите. Докато ултразвуковият / звуковият къртач, обект на изобретението, е в състояние да среже бетон и асфалт, той същевременно генерира съвсем малко обратни шокове или вибрации в арматурата и може да бъде опериран от автоматична платформа или роботизирана система.


Описание

Констатация относно федерално спонсорираното изследване

Изобретението, описано тук, бе направено като работа по договор с НАСА и подлежи на разпоредбите от публичното право 96-517 (35 USC 202), според които Поръчителят запазва титлата си.



Поле на изобретението

Иpобретението се отнася основно до устройства, които използват ултразвукови и/или звукови вибрации, и по-специално до устройствата, които използват такива вибрации за удряне, пробиране, анализиране или изследователски цели.





История на изобретението

Къртачите често се използват, за да се отвори или да се разчупи твърда повърхност, като например бетон, цимент и скални образувания. Те се използват широко в строителството за предварителни работи, срутване или премахване на бетонени плочи, тухли и камъни, какот и за извършване на поддръжка и поправка на ВиК тръби или електрическото окабеляване на електрическите компании. Обикновените къртачи, също така наречени и пневматични къртачи, използват компресиран въздух, който задвижва метално бутало нагоре и надолу в цилиндър. Когато буталото се движи надолу, то блъска сечивото в целевата повърхност, например паваж, след което обръща посоката си и се дръпва нагоре.

Има доста недостатъци, свързани с употребата на пневматичните къртачи, които ограничават употребата им. Един от тези недостатъци е огромният акустичен шум, който прави употребата на къртачите извън работните часове в жилищните квартали почти забранена. Друг недостатък е свързан с агресивните обратни пулсации по време на работата на пневматичния къртач, които изискват големи аксиални сили и голяма задържаща сила, докато работи. В допълнение, обратните пулсации се разпространяват в ръцете и тялото на операторите, като често причиняват големи щети и представляват сериозна работна опасност. Докладвани инциденти с пневматични къртачи включват разместването и изпадането на дентални пломби и шини от устите на операторите. Режещото действие на пневматичния къртач не дискриминира различните обекти и всяко нещо на пътя му ще бъде повредено. При поддръжката на комуналните услуги, например, този недостатък става критичен, защото е задължително работниците да избягват повреждането на жици, ВиК тръбопроводи, укрепителан арматура и други вложени предмети.

Тези и други недостатъци, като високата консумация на енергия, не само ограничават конвенционалните къртачи в сектора на строителството и поддръжката на комуналните услуги, но и в медицинските операции, роботизираните операции, археологията и геологическите проучвания, включително космическите експедиции. Специално що се отнася до космическите експедиции, тъй като много планети или други космически обекти нямат толкова голямо атмосферно налягане като настоящото на Земята, ще бъде трудно да се произведат онзи вид пневматични сили, които се генерират на Земята, за да задвижват конвенционалния пневматичен къртач. Следователно, нуждата от нов вид къртач се усеща широко при много индустрии и полета на изследвания.





Резюме на изобретението

Настоящото изобретение осигурява апарат, предназначен да предостави натрошаващ удар, който щади гъвкавите структури, чрез употребата на ултразвукови и звукови вибрации. В една реализация, изобретението се отнася до апарат, който включва пиезоелектрично задвижващо устройство, конфигурирано да генерира вибрации на резонансна ултразвукова честота, и твърдо удрящо устройство, конфигурирано да се размества от вибрациите, генерирани от пиезоелектричното задвижващо устройство, за да предизвиква структурно разчупване в целта. Задвижващото устройство на апарата може да включва задна поддръжка и пиезоелектрична купчина, която е пристегната в компресия чрез механичен елемент. Апаратът освен това може да включва един или повече рога за усилване на вибрациите, генерирани от задвижващото устройство. В една реализация, поне част от удрящото устройство е заострено в далечния край.

В един отличителен вариант, удрящото устройство е твърдо свързано със задвижващото устройство, по такъв начин, че удрящото устройство вибрира на практика на същата ултразвукова честота като задвижващото устройство, например, на честота между около 20 kHz и 40 kHz. В една реализация, удрящото устройство също така е заменяемо поне с едно друго удрящо устройство.

В друг отличителен вариант, апаратът на изобретението има също и маса, конфигурирана така, че да осцилира между задвижващото устройство и удрящото устройство, така че удрящото устройство да вибрира на честота, която е по-ниска от ултразвуковата честота на задвижващото устройство, например, между около 5 kHz и около 10 kHz.

А пък в друг отличителен вариант, корпусът, който обгръща задвижващото устройство, остава до голяма степен неподвижен по време оперирането на апарата.

В друг отличителен вариант, апаратът на изобретението допълнително включва и сензор във физически контакт с удрящото устройство, сензорът е конфигуриран да измерва характеристиките на обекта, който е в контакт с удрящото устройство. В една реализация, апаратът включва и контролна система, конфигурирана да приема сигнали от сензора.

В друг отличителен вариант, изобретението се свързва с апарат, който включва задвижващо устройство, конфигурирано да генерира вибрации, удрящо устройство, конфигурирано да бъде размествано от вибрациите, генерирани от задвижващото устройство, и дръжка, конфигурирана да остане значително неподвижна по време оперирането на апарата. В една реализация, задвижващото устройство е конфигурирано да генерира вибрации на ултразвукова честота, а дръжката е твърдо свързана с възловата равнина (нодалната равнина) на задвижващото устройство.

В друг отличителен вариант, изобретението се свързва с апарат, който включва:

- пиезоелектрично задвижващо устройство за генериране на ултразвукови вибрации;
- удрящо устройство; и
- маса, конфигурирана да осцилира между задвижващото устройство и удрящото устройство, като масата има подбрана големина, такава, че да кара удрящото устройство да вибрира на честота, по-ниска от ултразвуковата честота..

В един отличителен вариант, удрящото устройство вибрира на оперативна четота, която е звукова.

Предшестващите и другите точки, варианти, реализации и предимства на изобретението ще станат по-ясни от следното описание на претенциите.




Кратко описание на рисунките

Точките и характеристиките на изобретението могат по-добре да се разберат във връзка с рисунките, описани по-долу, и с претенциите. Рисунките не е задължително да са в мащаб, вместо това се подчертава илюстрирането на принципите на изобретението. На рисунките, еднаквите номера посочват еднакви части при всички различни изгледи.

ФИГ. 1 илюстрира перспективен изглед на основната реализация на ултразвуковия / звуковия къртач според изобретението.

ФИГ. 2 илюстрира перспективен изглед на алтернативна реализация на изобретението, където дръжките са преместени на по-балансирана позиция.

ФИГ. 3 илюстрира разрез на реализацията, илюстрирана на ФИГ. 1 по линиите 3-3.

ФИГ. 4 илюстрира разрез на една реализация на ултразвуков / звуков къртач според изобретението, където се използва свободно осцилираща маса.

ФИГ. 5 е разрез на част от устройството, показващ схематично един от начините да се конфигурира рога, свободно осцилиращата маса и удрящото устройство, според една реализацията на изобретението.

ФИГ. 6 е перспективен изглед на една реализация на изобретението с множество пиезоелектрични купчини.

ФИГ. 7А е перспективен изглед на една реализация на изобретението с множество рогове.

ФИГ. 7В е перспективен изглед на една реализация на изобретението с множество вибрационни пътища за рога.

ФИГ. 8А е перспективен изглед на роботна система, екипирана с апарата на изобретението.

ФИГ. 8В е приближен изглед на част от роботната система от ФИГ. 8А, показваща къртачната система на изобретението.

ФИГ. 9 е перспективен изглед на визионерско приложение на изобретението в космическите изследвания.

« Последна редакция: Декември 11, 2018, 02:46:15 am от λ »

λ

  • Administrator
  • Sr. Member
  • *****
  • Karma: +0/-0
    • Профил
Re: ПАТЕНТ: US 8910727 B2 ---- Ултразвуков къртач
« Отговор #1 -: Декември 11, 2018, 12:59:42 am »
Подробно описание на изобретението

Настоящото изобретение осигурява нов вид къртач, който използва ултразвукови и/или звукови вибрации, за да захранва удрящото сечиво за натрошаване на относително чупливи повърхности като камъни и бетон. Новият къртач, разкрит тук, използва удрящ механизъм, който натрошава чупливите структури, без да причинява щети на вградените гъвкави / ковки материали и структури. Освен това, новият къртач генерира минимални обратни пулсации, които се разпространяват назад към корпуса, и се нуждае от прилагане на ниска аксиална сила или сила за държане. В резултат, той позволява употреба съвместно с олекотени платформи като онези, осигурявани от определени роботи и роувъри в космическите мисии и също така елиминира рисковете от нараняване на оператора. Настоящото изобретение осигурява реализации, при които дръжката или корпуса на къртача остава на практика свободна от вибрации по време на опериране. Освен това, апаратите на изобретението са значително по-тихи от пневматичните системи, което позволява употребата в жилищни квартали дори и в късните часове или уикендите, при минимално обезпокояване на живущите. Най-вече, изобретението осигурява варианти за къртачи, които правят звуците нечуваеми за обикновените човешки уши, тоест, ултразвукови честоти.


Относно ФИГ. 1, описва се базово устройство на изобретението. В една реализация, ултразвуков / звуков апарат 10 се представя като ново поколение къртач. Апаратът 10 включва задвижващо устройство 12 за генериране на импулси, и удрящо устройство 14 на далечния край на апарата за разтрошаване на целта. Задвижващото устройство е ултразвуков трансдюсер, който обичайно включва задна опора (не е показана), пиезоелектрична купчина 16 и рог 18, който усилва разместването, генерирано от купчиата. Пиезоелектричната купчина 16 е способна да генерира вибрации с ултразвукова честота. Според един вариант на изобретението, по избор е осигурена свободно осцилираща маса, за да осцилира между задвижващото устройство 12 и удрящото устройство 14, с цел да намали честотите на ударите от апарата. В тази точно реализация, илюстрирана на ФИГ. 1, евентуалната маса 30 се намира в цилиндричен корпус 20, но не е видима на ФИГ. 1. Удрящото устройство 14 е частта, която доставя удара в целта. То може да е от кой да е материал с достатъчна здравина, като метали и керамики, и може да приема разнообразие от форми, като онези, приличащи на сечива за пробиване. Принципно, удрящото устройство е твърдо. В реализация, която е за предпочитане, по форма то напомня на длето / секач със страни, които се заострят към далечния край. Чифт дръжки 22 се осигуряват по избор. В реализацията, показана на ФИГ. 1, дръжките 22 са монтирани на корпус 62, който затваря пиезоелектричната купчина 16.




ФИГ. 2 илюстрира алтернативна реализация, при която пиезоелектричната купчина 16, която съставлява голяма част от масата на апарата 10, е изместена към средата на апарата 10, така че дръжките 22 отвън на купчината са позиционирани на по-балансирано място. Както е показано на ФИГ. 2, рогът 18 може да включва стесняваща се ос за ефективно усилване на вибрациите.




Относно ФИГ. 3, където се показва разрез на апарат 10 от изобретението,задвижващото устройство действа на резонансната честота на пиезоелектричната купчина 16, и един или повече стресови болтове 24 придържат купчината в компресия, за да предотвратят фрактурата им по време на операция. Захранването не е показано тук, и може да бъде батерия или източник на AC ток. Както е добре известно, пиезоелектричният материал може да преобразува приложено електрическо поле в пространствена механична промяна. При електрически полета, приложени на високи честоти, даден пиезоелектрически материал може да произведе пространствена промяна (или вибрация) в съответно висока честота. За да се оперират големи удрящи устройства, се използва високомощно пиезоелектрично задвижващо устройство. Задната подпора 26 помага да се поддържа разпространяване напред на вибрациите, генерирани от задвижващото устройство. Рогът 18 усилва вибрациите, създадени от купчината 16, стига контактната зона между купчина 16 и рог 18 да е по-голяма от контактната зона между рог 18 и удрящо устройство 14. До този момент е за предпочитане рог 18 да бъде стъпаловиден, но може и да бъде с други геометрични форми, включително стесняващ се (скосен) или експоненциален. Купчина 16, рог 18 и удрящо устройство 14 може да са скачени едно с друго по конвенционален начин. В една реализация, удрящо устройство 14 и рогът 18 са изработени като едно цяло парче. Купчината 16 представлява множество от пиезоелектрични сегменти, всеки от който е разположен между два електрода. Задвижващото поле може да се приложи като електрически потенциал между два електрода, разположени от всяка страна на даден пиезоелектричен сегмент. По този начин може да се получи забележителен ответен отговор, като се използва относително нисък потенциал през кой да е индивидуален пиезоелектричен сегмент.

По време на функциониране, удрящото устройство 14 вибрира с ултразвукови или звукови честоти. В една реализация, удрящото устройство 14 е твърдо свързано с рог 18. В резултат, то вибрира на практика на същата ултразвукова или звукова честота като задвижващото устройство, например, между около 20 kHz и 40 kHz. В друга реализация, удрящо устройство 14 е свързано с рог 18 по такъв начин, че удрящото устройство може да се премахне и да се замени с друго удрящо устройство. Ударът, доставян от удрящото устройство, обикновено представлява мъничко отместване, но на по-висока честота, и предизвиква разпадане на структурата на крехките цели като лед, тухли и камъни. Ударът не предизвиква значими щети на относително гъвкавите или ковки структури, включително дърво, пластмаса и метал. Нито пък причинява болка, когато ударът попада върху човешките тъкани, когато контактът е моментен.




Сега относно ФИГ. 4, според един вариант на изобретението, ултразвуковият апарат 10 може също така да включва свободно осцилираща маса 30, която се оттласква между върха на рога 18 и сечащото удрящото устройство 14. В резултат, удрящото устройство 14 вибрира счестота, която е по-ниска от резонансната честота на задвижващото устройство, обикновено със звукова честота, въпреки че масата и удрящото устройство може да се подберат да бъдат достатъчно леки структури и пространството между масата и удрящото устройство да е така фиксирано, че удрящото устройство да може все още да вибрира с ултразвукова честота, въпреки че ще е по-ниска от оригиналната, излъчвана от задвижващото устройство. В друга реализация, удрящото устройство вибрира с оперативна честота между около 5 kHz и 10 kHz. Ударът от свободно осцилиращата маса създава стресови пулсации, които се разпространяват до контактната повърхност между удрящото устройство и целевата повърхност, върху която е поставен къртачът. Целта, например камък, се начупва на мястото на удара, когато оптималният срес на струтурата му при контактната зона между камъка и секача се надвиши.

Патент US 6,617,760, издаден на Питърсън и екип, описва детайли относно свободно осцилиращата маса и е включен тук в неговата цялост. Има много начини да се инкорпорира една свободно осцилираща маса между ултразвуковото задвижващо устройство и удрящото устройство. На ФИГ. 4 удрящото устройство 14 има ствол 32, който с плъзгане е вкаран вътре в дупката 34 на върха на рог 18. Свободно осцилиращата маса 30 е кръгов или пръстеновиден елемент, приличащ на поничка, с отвор, който трябва да пасне около ствола на удрящото устройство 32. Свободно осцилиращата маса е ограничена да осцилира около ствола на удрящото устройство 32. Като друг пример, сега относно ФИГ. 5, свободно осцилиращата маса 30 в този случай е твърда и е разположена между върха 35 на рога 18 и удрящото устройство 14. Специфичното е, „е върхът на рога 35 има диаметър, който е по-голям от онази част 36, която води до върха, и стволът на удрящото устройство 14 има цилиндричен корпус 38, който е закрит отгоре с рамо 40, което прави отвора на корпус 38 по-малък от диаметъра на роговия връх 35, така че той да не може да се измъкне. В резултат, свободно осцилиращата маса 30 е хваната в капан между рога и удрящото устройство.




Без значение дали ултразвуковият / звуковият къртач използва свободно осцилираща маса или не, той може да използва множество пиезоелектрични купчини и/или множество рогове. Относно ФИГ. 6, това множество пиезоелектрични купчини, в този отделен пример, три от тях (40 а, 40 b и 40 с), са разположени една до друга между задната подпора 42 и горната част 44 на рога 46. Два механични елемента, например, стресови болтове 48 а и 48 b, преминават през същата дължина и поддържат купчините в компресия. Както бе описано по-рано, рог 46 усилва мощта - в този случай, поради това, че има много по-широка повърхност горна част 44, отколкото останалото му тяло. Всички от множеството пиезоелектрични купчини 40 а - 40 c са на практика идентични и, по време на функциониране, са карани да вибриат на една и съща резонансна честота. Мощта на всичките пиезоелектрични купчини се комбинира и предава на ударното устройство чрез рога и евентуалната свободно осцилираща маса.

ФИГ. 7А илюстрира мулти-рогова конфигурация с множество входящи пътища за приемане на ултразвукови вибрации. Специално на илюстрирания вариант, всяка една от трите пиезоелектрични купчини (50 а, 50 b и 50 с) е компресирана между задна подпора (52 а, 52 b и 52 с) и рог (54 a, 54 b и 54 c) чрез стрес-болт (56 a, 56 b и 56 c). Всички рогове (54 a, 54 b и 54 c)се сливат в едно единствено удрящо устройство 58, комбинирайки енергията от множеството пиезоелектрични купчини (50 а, 50 b и 50 с). За предпочитане е всеки рог да бъде стъпаловиден, за да се увеличи удара. ФИГ. 7В илюстрира друга конфигурация, която служи на подобна цел. В този случай е осигурен разклоняващ се рог с множество входящи пътища за енергия (два от четирите са отбелязани като 54 а и 54 b), които се сливат в един единствен път 59, преди да се свържат с удрящото устройство (не е показано). Всяка вилица (54 а, 54 b и тн.) на рога има геометрия, подобна на съответстващата й във ФИГ. 7А, и е стъпаловидна, за да усилва вибрациите, генерирани от пиезоелектричните купчини (50 а, 50 b и тн.).

Както е показано на ФИГ. 7А, в един вариант на изобретението всички рога (54 a - 54 c) са захванати или имат контакт с удрящо устройство 58 върху извитата му горна повърхност. Тази извита повърхност ориентира различни рога (54 a - 54 c) да спадат под ъгъл един към друг, вместо да са успоредни един на друг. Енергията от тези рогове (54 a - 54 c), които са под ъгъл един спрямо друг, се комбинира вътре в ударното тяло 58. Както е показано на ФИГ. 7В, в друг вариант на изобретението, всяко разклонение  (54 а, 54 b и тн.) от разклонения рог е под ъгъл спрямо другите разклонения (вместо да е успоредно на друго разклонение). Множеството разклонения се срещат в съсредоточна точка, където силата от всяко разклонение се комбинира със силата от другите, така че да протече по остатъка от рога.

Връщайки се на ФИГ. 4 ултразвуковото задвижващо устройство 12 има нодална равнина 60, където на практика няма вибрация, когато задвижващото устройство вибрира на резонансна честота. Това е разбираемо, като се вземе предвид, че във всеки момент има вибрации, които отиват в една посока от едната страна на равнината и има вибрации, които отиват в другата посока от другата страна на равнината и се погасяват една друга в нодалната равнина. Тази неутрална нодална равнина 60 типично се открива между дъното на пиезоелектричната купчина 16 и върха на рога 18, или някъде в близост. Връщайки се на ФИГ. 1, в един вариант за предпочитане, външният корпус 62 за ултразвуковия / звуковия къртач е монтиран за задвижващото устройство в нодалната му равнина 60, така че корпусът да остане на практика неподвижен, дори по време на работа. Дръжките 22 може да се захванат за корпуса 62 така, че дръжките да останат на практика неподвижни по време на работа, премахвайки потенциалната опасност за оператора и позволявайки интегрирането на апарата в олекотени платформи и роботи. Разбира се, дръжките могат да се захванат директно за задвижващото устройство и докато са някак си твърдо свързани за нодалната равнина на задвижващото устройство, дръжките ще останат на практика неподвижни по време на работа. В допълнение, захващането на дръжките за нодалната равнина, или за корпуса, свързан със задвижващото устройство при нодалната равнина, ще елиминира загубата на енергия, свързана с движение в дръжките. Ако дръжките не мърдат, никаква механична енергия няма да протича през тях към някакъв друг обект или човек, който държи апарата.

Ултразвуковият / звуковият къртач може да се използва за сканиране на мястото за пробиване, като се използва вродената пробираща способност на пиезоелектричното задвижващо устройство да функционира като озвучаващ механизъм и като механичен анализатор на съпротивлението. Разнообразие от сензори 70 (ФИГ. 3) могат да се вградят във или да са разположени върху ударното устройство, тоест, във физически контакт с ударното устройство, за да измерват механичните и електрическите характеристики на обекта, която е в контакт с ударното устройство. Използва се контролна система, която приема сигналите от сензорите и която произвежда ценна информация за почвата или скалата, върху която се работи. Системата на къртача може също да включва и отдалечени сензори, като например един или повече акселометри, позиционирани далеч от точката на контакта с ударното устройство за анализиране на еластичните вълнови промени в средата, върху която се работи. Патент US 6,863,136, издаден на Бар-Кохен и екип описва детайли от употребата на сензори, включително употребата на сензорни керамики в ултразвуковото задвижващо устройство и е включен тук в неговата цялост. Тези пробиращи възможности и способността да носи сензори върху ударното устройство може да се използват за оптимизиране на пробивната дейност или изследователския план и за извършване на събиране на данни и анализиране намясто.



Относно ФИГ. 8А и 8В, тъй като новият къртач 10 не възпроизвежда големи обратно разпространяващи се вибрации върху захващащите елементи, той може да се монтира върху роботска ръка 80 и да бъде опериран автоматично от роувър 82 в планетарни задания намясто. Това приложение е показано графично на ФИГ. 8А, с приближен изглед на къртача, монтиран на роботската ръка, показана на ФИГ. 8В. Най-вече, ултразвуковият / звуковият къртач е показан в действие, което разрязва пресни повърхности върху камъни. Друго потенциално приложение за новия къртач 10 е строежа и развитието на бъдещи инфраструктури, както е показано графично на ФИГ. 9. Ако хората искат някой ден да обитават планети като Марс, способността да се конструират подземни водни резервоари, жилища, пътища и всичко, с което хората са свикнали на Земята, е от критична важност. С оглед на факта, че атмосферното налягане на Марс е около една стотна от това на Земята, ще бъде трудно да се произведат онзи вид пневматични сили, които се генерират на Земята и разкритият тук ултразвуков / звуков къртач предлага важна алтернатива.

Въпреки че настоящото изобретение е подробно показано и описано с препратки към структурата и методите, разкрити тук, и е илюстрирано с рисунки, то не се ограничава до изложените детайли и това изобретение е изобретено с цел да покрие каквито и да е модификации и промени, които могат да попаднат в обхвата и в духа на следните претенции.




Претенции (36)

Претендира се, че:

1. Апарат, който комбинира сила от множество пиезоелектрични трансдюсери в единствено ударно устройство за счупване на твърдата повърхност на дадена цел, състоящ се от: пиезоелектрично задвижващо устройство, конфигурирано да генерира вибрации само в аксиалната си посока и директно от електрическо енергоподаване с резонансна честота, като пиезоелектричното задвижващо устройство се състои от множество отделни групи, всяка група се състои от пиезоелектрична купчина, компресирана между задна опора и рог, където всички групи са от съвсем еднаква дължина и са подредени в латерално измерение, роговете им са подравнени един спрямо друг, така че да се събират, карайки силата им да се комбинира, когато всяка от множеството групи са накарани да вибрират със съвсем еднаква честота; и твърдо, подобно на длето удрящо тяо, с поне две противоположни страни, скосяващи се към и завършващи в далечен линеен ръб, и конфигурирани така, че да бъдат размествани от аксиалните вибрации, генерирани от пиезоелектрическото задвижващо устройство, с цел причиняване на структурно разчупване в целта, като при това удрящото устройство е твърдо свързано със задействащото устройство чрез роговете на пиезоелектричните групи, по такъв начин, че удрящото устройство да вибрира със съвсем същата резонансна честота като задействащото устройство.
2. Апаратът от пренетция 1, където удрящото устройство също така е заменяемо с поне едно друго удрящо устройство.
3. Апаратът от претенция 1, където удрящото устройство вибрира с честота между около 20 kHz и 40 kHz.
4. Апаратът от претенция 1, състоящ се също така и от: маса, конфигурирана така, че да осцилира между задвижващото устройство и удрящото устройство, така че удрящото устройство да вибрира с честота, която е по-ниска от споменатата ултразвукова честота.
5. Апаратът от претенция 4, където удрящото устройство вибрира с операционна честота между около 5 kHz и 10 kHz.
6. Апаратът от претенция 1, където всяка пиезоелектрична купчина се държи в копмпресия чрез механичен елемент.
7. Апаратът от претенция 6, където задвижващото устройство се състои от множество пиезоелектрични купчини, всички от които са конфигурирани да оперират с една и съща честота.
8. Апаратът от претенция 6, където задействащото устройство освен това се състои и от рог за усилване на вибрациите, генерирани от пиезоелектричните купчини.
9. Апаратът от претенция 8, където рогът е стъпаловиден.
10. Апаратът от претенция 1, където задвижващото устройство освен това се състои и от разклонен рог с множество входящи пътища за прилагане на вибрации и един изходен път, който комбинира енергията върху удрящото устройство.
11. Апаратът от претенция 10, където всеки входен път за енергия от даден рог е стъпаловиден.
12. Апаратът от претенция 1, който освен това се състои и от дръжка, конфигурирана така, че да остане на практика неподвижна по време на работата на апарата.
13. Апаратът от претенция 12, където дръжката е твърдо свързана с нодалната равнина на задвижващото устройство.
14. Апаратът от претенция 1, който освен това се състои още и от корпус, който обгражда поне задвижващото устройство, като корпусът е конфигуриран да остава на практика неподвижен по време на работа на апарата.
15. Апаратът от претенция 1, където удрящото устройство се състои от ствол, който е скачен със задвижващото устройство и масата има дефиниран отвор, през който минава стволът на удрящото устройство, така че масата да бъде принудена да осцилира по този ствол.
16. Апаратът от претенция 1, които се състои още и от сензор във физически контакт с удрящото устройство, сензорът е конфигуриран да измерва характеристиките на обект, който е в контакт с удрящото устройство.
17. Апаратът от претенция 16, състоящ се и от контролна система, конфигурирана да приема сигнали от сензора.
18. Апаратът от претнеция 1, където всеки рог е стъпаловиден.
19. Апаратът от претенция 1, където всеки рог е свързан към същото ударно устройство.
20. Апаратът от претенция 1, състоящ се от множество отделни рогове, всеки асоцииран с различно задвижващо устройство.
21. Апаратът от претенция 1, способен да се използва като къртач.
22. Апаратът от претенция 1, чиято трошаща способност е сравнима с тази на пневматичен къртач, но тези значително по-малко от пневматичен къртач.
23. Апаратът от претенция 1, чиято трошаща способност е сравнима с тази на пневматичен къртач, но бидейки значително по-тих от пневматичен къртач.
24. Апаратът от претенция 1, където единната точка, където роговете на множеството пиезоелектрични групи се събират, е част от удрящото устройство.
25. Апаратът от претенция 1, където единната точка, където роговете на множеството пиезоелектрични групи се събират,е на свой ред твърдо скачена с удрящото устройство.
26. Апарат, който комбинира силата от множество пиецоелектрични трансдюсери към единствено удрящо устройство с цел счупване на твърдата повърхност на дадена цел, състоящ се от:
пиезоелектрично задвижващо устройство, конфигурирано да генерира вибрации само в аксиалната посока на устройството и директно от електрическа захранваща енергия с резонансна честота, като задвижващото устройство се състои от множество отделни групи, всяка от които се състои от пиезоелектрични купчини, компресирани между задна опора и рог, където всички групи са с една и съща дължина и са подредени в латерално измерение, и роговете им са ориентирани под ъгъл един спрямо друг, така че да се събират в точка, карайки енергийта им да се комбинира, когато множеството групи завибрират на една и съща честота; и
удрящо устройство, състоящо се от твърдо и демонтиращо се тяло, конфигурирано да се размества от аксиални вибрации, генерирани от пиезоелектрично задвижващо устройство, предизвикващо структурно пропукване у целта, където удрящото устройство е твърод свързано към захранващото устройство чрез роговете на пиезоелектричните групи по такъв начин, че удрящото устройство да вибрира на практика със същата резонансна честота, както задвижващото устройство.
27. Апаратът от претенция 26, където всеки рог е стъпаловиден.
28. Апаратът от претенция 26, където всеки рог е свързан към същото удрящо устройство.
29. Апаратът от претенция 26, където всеки рог е конфигуриран да оперира със същата честота.
30. Апаратът от претенция 26, който се състои още и от дръжка, конфигурирана да остава на практика неподвижна по време на работа на апарата.
31. Апаратът от претенция 30, където дръжката е твърдо свързана за нодалната равнина на задвижващото устройство.
32. Апаратът от претенция 26. който освен това се състои още и от корпус, който обгражда поне задвижващото устройство, като корпусът е конфигуриран да остава на практика неподвижен по време на работа на апарата.
33. Апаратът от претенция 26, който освен това се състои още и от сензор във физически контакт с удрящото устройство, като сензорът е конфигуриран да измерва характеристиките на обекта, който е в контакт с удрящото устройство.
34. Апаратът от претенция 26, способен да се използва като къртач.
35.Апаратът от претенция 26, чиято трошаща способност е сравнима с тази на пневматичен къртач, но тези значително по-малко от пневматичен къртач.
36. Апаратът от претенция 26, чиято трошаща способност е сравнима с тази на пневматичен къртач, но бидейки значително по-тих от пневматичен къртач.






Толкова е лесно, че дори не е нужен инструмента в завършен вид, за да се демонстрира принципа:




« Последна редакция: Декември 11, 2018, 01:27:12 am от λ »

λ

  • Administrator
  • Sr. Member
  • *****
  • Karma: +0/-0
    • Профил
Re: ПАТЕНТ: US 8910727 B2 ---- Ултразвуков къртач
« Отговор #2 -: Септември 23, 2019, 02:42:45 am »
Горната технология и принцип са много успешни, както описва самата НАСА в тази своя статия:




Този уебсайт описва ултразвуковата/звуковата пробивна активност на Напредналата технологична група (Advanced Technology Group) на JPL и лабораторията им по Неразрушителна оценка и усъвършенствани изпълнителни механизми (NDEAA). Целта е да се разработи ултразвуково/звуково пробивно устройство, което да направи възможен добива на проби от различни планети или малки тела (например астероиди или комети), като се ползва малко аксиално натоварване и ниска мощност. Бробиващата главина не се нуждае от подостряне, може да се направи така, че да работи при криогенни и високи температури, могат да се създадат проби, които да не са с кръгло сечение и може да се използва, за да се взимат проби от почвата, както и да се получава сензорна информация намясто в пробитата дупка. Разработените пробивни машини се задействат от пиезоелектрични ударни изпълнителни механизми, които изискват ниско предварително натоварване (не по-малко от 10N) и могат да работят с ниска средна мощност. Пробивните машини демонстрират проникване в камъни, твърди колкото базалт, и в един от възможните варианти за дизайн пробивният механизъм тежи едва 400 грама.

Ултразвуковите и звуковите вибрации са отговорни за пробиващото действие. Изпълителният механизъм с пиезоелектрична купчина в горната част възбужда ултразвукови вибрации, които се преобразуват в звуково ударно действие. Главината е принудена да се движи нагоре и надолу, но не се завърта. Ударът от главината върху скалата извършва пробиването. Беше разработено аналитично моделиране на крайните елементи, за да се максимализира представянето на бормашината и да се прецени ефективен дизайн за различни конфигурации. Ултразвуковата бормашина демонстрира работа от роувър с размерите на Sojourner, както и от роботската ръка на роувъра FIDO. Бяха направени главини за бормашината, тежащи 0.4 кг, изискващи аксиално натоварване между 3-10N и задвижвани от едва 3 W. До тук ултразвуковата бормашина демонстрира пробиване на дупки в гранит, дълбоки 25 мм, пробити от платформа, тежаща 4 кг, и дупки с дълбочина 15 см и диаметър 15 мм в пясъчник. Беше разработена и Gopher версия, която проби дупка в лед, дълбока 1.76 м, в езерото Вида, Антарктика.

Ултразвуковата бормашина беше избрана от NASA/JPL за Технологичен акцент на месеца за април 2000г. Освен това, ултразвуковата бормашина беше избрана от списание "R&D" (издание септември 2000г, стр. 135) за един от 100-те най-иновативни инструмента за 2000г.

Значително подобрение на проникването беше постигнато, като към удрящото действие се прибави и въртящо действие и използване на прорязана главина, за да се създаде ефективно премахване на изрезките и прахта. Като цяло, удрянето е ефективно при фрагментирането на средата, а въртенето на прорязаната главина - за премахване на изрезките....

[Спестявам излишни данни относно представянето на въртящия механизъм]




Следват дълъг списък с медийни споменавания и публикации в литературата относно тази технология. Споменават се и три патента на НАСА във връзка с технологията... не се споменава патента за ултразвуковия къртач по-горе.













Във връзка с новия напредък по разследването ми в този контекст реших следната публикация да бъде в страницата на този патент, защото би интересувала хората, търсещи начин да се ползват от ефекта му по някакъв начин.






На този етап, след много месеци активно търсене на решение да се заобиколи нуждата от голяма пиезоелектрична купчина, която би струвала много хиляди левове, оставам с впечатлението, че единствената алтернатива може да бъде камертонът.

Съществува такава теория, че много от изобразените древноегипетски жезли, инсигнии на властта и други ръчно държани предмети са всъщност са технология, свързана с вибрациите. Действително, много предмети приличат на камертони с по-специално оформление. Освен това в египетските йероглифи се откриват редица наподобяващи камертон символи.



От книгата на Давидовиц знаем, че древните египтяни са ползвали различна химична номенклатура от съвременната и са наименували различни химически вещества и минерали не на база външния им вид, а на база вкуса и мириса им или вида на техния пушек или вида на техния пламък, когато са запалени.

По същата логика е много вероятно множеството изображения на птици, които ползват в символиката си, всъщност да обозначават научна информация, отнасяща се до честотите - тъй като е известно, че всеки вид пойна птица използва характерна за вида си честота.

Тази теория, обаче, се занимава с идеята, че камертони и вибрации може да са се ползвали за левитиране или придвижване на големи блокове. Както знаем от книгата на Давидовиц "Пирамидите: Една разгадана енигма", точно за това камертоните едва ли са се ползвали.

Само че, както съвременната техника и горния патент на НАСА на ултразвуков къртач подсказват, камертони действително може да са се ползвали за обработка на камъни и много твърди скали.

В разследването си дали това действително е възможно, попаднах на следното много интересно видео:





Както се вижда, каменарите използват ОБЛИ длета и сравнително леки удари, с което се постига разтрошаване на камъка, цитирам, "с около 1000 молекули на удар". Честотата, с която се работи, е около 80 удара в минута или около 1.33 Hz. Дупката се пробива за няколко дни.

Това напълно обяснява механизма, по който на видеото от по-горната публикация чрез вибрации е възможно тъпи метални предмети да издълбаят дупка в твър дкамък. Реших да кача по-горното видео на собствено пространство в нета, за да не изчезне от YouTube някой ден. Можете да го гледате и свалите и от този линк:





Както знаем, камертонът е не само музикален, но и медицински инструмент. Той се използва за слухова диагностика. Една от функциите на камертона се използва за предаване на вибрации в черепа и в тялото като цяло, за да се провери дали има запушване на слуховия канал или има увреждане на слуховия нерв или друг орган. Ако пациентът чува вибрациите, разпространявани в тялото му, значи всички органи са здрави и има запушване в слуховия канал.


Както виждате, стволът на камертона се допира до тялото, защото стволът на камертона също вибрира. Камертонът се използва и за определяне мястото на счупване на дадена кост, когато не са налични рентгенови средства. Вибрациите, които камертонът вкарва в тялото, създават остра болка, когато стволът му бъде поставен точно върху пукнатината на костта. Камертонът се е ползвал за определяне на фрактури още от средновековието.

Фактът, че стволът на камертона вибрира, лежи в основата на експеримента с кутиите:




Нека разгледаме по-подробно самата физика на нещата.

Камертонът може да вибрира по няколко начина:
1. Фундаментално (свързано с основата, затова "фундамент")
2. Звънливо
3. Три асиметрични начина, в една равнина
4. Два начина извън равнината
5. Два асиметрични начина, извън равнината


Единствено ФУНДАМЕНТАЛНАТА вибрация обаче има отношение към контекста на темата. Това е ЛЕВИЯТ начин на долното изображение.






Начини на вибрация на камертона


(отворете линка, за да видите анимациите)


1. ФУНДАМЕНТАЛЕН начин
Фундаменталният начин на вибриране най-често се свързва с камертоните; това е именно онзи начин на вибриране, чиято честота е принтирана върху самия инструмент, която в случая е 426 Hz. Двете рамена на камертона се движат едно към друго и после се раздалечават едон от друго, при това всяко едно се движи като конзолна греда, фиксирано е в основата и е свободно в другия си край. Това е симетрично вибриране, той като двете рамена са огледални образи едно на друго.

Когато камертонът вибрира по фундаменталния си начин, ще изглежда, че стволът му е неподвижен. Само че, стволът всъщност вибрира нагоре и надолу на фундаменталната честота, както и на втората хармоничност, 852 Hz -  два пъти фундаменталната честота (въпреки това, че няма начин на вибриране на камертона на тази честота). Това движение на ствола е много малко и е трудно да се почувства върху пръста, когато докоснете долната част на ствола. Но може ефективно да се демонстрира, като допрете ствола на вибриращия камертон до плота на маса, врата или кутията на пиано.


2. Звънлив начин (2585 Hz)
Това е вторият най-често чуван начин на вибриране. Получава се от удар на раменете на камертона в твърд предмет. Този начин на вибриране има много по-висока честота (грубо около 6.26 пъти по-високо от фундаменталната честота). Звънливият тон може да звучи по-високо от фундаменталния, защото човешкото ухо е по-чувствително към честотите между 1000 и 4000 Hz, а не може много добре да чува честоти под 500 Hz.





Следователно, само когато камертонът вибрира на фундаменталната си честота, стволът му може да се използва в контекста на тези публикации - като сечиво за обработване на твърди скали. Подчертавам, че стволът вибрира на два пъти по-висока честота от фундаменталната, която е изпринтирана на самия камертон. Това е важно, тъй като в патента за ултразвуковия къртач по-горе се повчертава, че честотата на работа на къртача трябва да е в резонанс с рога, защото тогава вибрациите са по-големи (има повече изместване на главината в самата контактна зона, когато рогът е в резонанс).

Подчертавам, също така, че удрянето на камертона с твърд предмет НЕ ВИНАГИ води до фундаментална честота, а по-често води до звънливост - тоест начин на вибриране, при което стволът не провежда никакви вибрации.

Следователно може би е нужен сигурен начин на възбуждане на фундаменталната вибрация на камертона. Освен това, струва ми се, че ще е нужен и начин за постоянното възбуждане и поддържане на вибрацията, ако камертонът ще се ползва за такава цел като пробиване на камък.



Когато камертонът е от стомана, а не от алуминий, може да се ползва електромагнитно възбуждане по гарантирано правилен начин, така че да е налице фундаментална вибрация:


US 7010978 B1


Резюме
Електрически опериран камертон, който включва камертон с основа и чифт рамена. Върховете на ръмената са отдалечени от основата и са направени или включват в направата си материал, в който е възможно да се индуцира магнитно поле. Камертонният апарат също включна електрическа намотка, конфигурирана така, че да приема в себе си поне част от двете рамена на камертона. Поне едно от рамената може да бъде вибрирано в отношение спрямо другото, чрез пускане на променящ се електрически ток през намотката, за да се индуцират взаимно отблъскващи се магнитни полета в рамената.

Поле на изобретението
Настоящото изобретение е свързано с електрически оперираните камертони, най-вече, но не изключително, относно приложението на осцилиращите камертони при сканирането с оптични влакна, например при ендоскопите и микроскопите.






Останалото от патента е безсмислено обясняване на очевидното и тук-таме някоя и друга подробност за по-голяма ефективност. На втората картинка се показва стоманен калъф за намотката, за да се постигне по-голям ефект, тоест по-голяма сила на магнитното поле, като се концентрират страничните загуби на магнитни силови линии през тази стоманена обшивка (нещо стандартно в електротехниката, нищо особено).

Изобретението се концентрира върху ефекта, че вибриращите раменe на камертона "разрязват" или пресичат светлинен лъч на сканиращ инструмент на някакъв честотен интервал.





Когато човек се замисли, обаче, възниква въпросът, как се отнасят силите на магнетизма към цялостния ефект на вибриране на ствола на камертона и в последствие какъв ще е ефектът върху камъка?

Ясно е, че в следствие от горната конфигурация раменете на камертона ще бъдат от един (и същи) полюс, а стволът ще е с противоположния полюс и това ще е постоянно положение. Стволът ще бъде в постоянно магнетизирано състояние, както и рамената.


Във връзка с това открих следния документ:




Национална трибологична конференция 24-26 септември 2006г

Износване на сечивата при магнетизирания пробивен процес


Бележка от преводача: Трибологията е науката и енженерния отрасъл на взаимодействащите си повърхности в относително движение.



Резюме:
Този документ се занимава с механизмите, диктуващи влиянието на магнитното поле върху устойчивостта на износване на режещите сечива в пробивния процес. Резултатите показват, че степента на образуване на кратери по сечивото (оттук насетне "кратерното износване", бел.прев) както на HSS (стомана за високи скорости, бел.прев), така и на карбидните сечива, подложени на правотоков (dc) магнитен интензитет, е драстично намалено в сравнение с износването от работа без магнетизация. Още повече, противоположните вариации на силата на тягата бяха записани в присъствие на магнитно поле, когато се пробиваше стоманен материал с 0.38% въглеродно съдържание с HSS и карбидни сечива. Резултатите показват, че дори и при положението, че магнитните ефекти явно са разнородни, те могат да се групират в две категории - (1) промяна в механизма на рязане и (2) вариация на характеристиките на материала, който се пробива и на материала, от който е изградено сечивото.



Всеки може да си разгледа документа подробно, ако иска. В момента ни интересува краткото заключение:



5. Заключение

Въпреки че резултатите, представени в този документ, са частични, дискусията им се опита да осигури информация относно важността на източниците на електромагнитно поле като интегрална част от условията за неизносване. Така, от установените благоприятни ефекти, постигнати чрез прилагането на правотоково магнитно поле при износването на сечивата, могат да се извлекат следните заключения:
1.  Когато HSS сечивата бяха магнетизирани, имаше отличителен спад в износването. Това намаляне на износването е по-изразено на по-високите нива на магнитно възбуждане.
2. Присъствието на коаксиално магнитно поле (магнитно поле по посока на сечивото, успоредно на него, бел.прев), равняващо се на външна сила, наложена върху процеса на магнетизация, може да е повлияло на ъгъла на срязване, което да е породило наблюдаваната промяна в силата на тягата.
3. Не беше наблюдавана изрична взаимовръзка между присъствието на магнитно поле и измерения показател на въртящия момент. При всички експериментални резултати ефектът на магнитното поле върху въртящия момент не надхвърли грешката на измерването и е статистически пренебрежим.
4. При процесите на металорязане, ефектът на магнитното поле изглежда разнороден, но като цяло може да се определи в две категории, (1) вероятна промяна в механизма на рязане и (2) промяна в характеристиките на материала в присъствието на магнитно поле.

В тялото на документа се разглежда промяната в самия механизъм на рязане и свързаните с това сили под влияние на магнитното поле. Предложеното обяснение е различната ориентация на магнитните домейни в стоманеното сечиво и хомогенизирането на ефекта от всяка отделна Блох-стена на домейните.






В обобщение:

По всичко изглежда, че камертонът може да се приложи в обработването на твърди скали с неочаквано голям успех.

Електромагнитното възбуждане на вибрация изглежда като най-ефикасния метод с оглед на приложението.

Магнетизираното състояние на контактната зона на ствола на камертона се очаква да предостави положителен ефект в приложението на инструмента, най-малкото да повиши устойчивостта на износване.


Надявам се скоро да мога да проведа конкретни експерименти.
« Последна редакция: Септември 23, 2019, 03:47:47 am от λ »

Тагове към темата: