Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

Одним из основных преимуществ ультразвуковой очистки перед другими способами удаления загрязнений является ее высокое качество. При прополаскивании, на­ пример, на поверхности деталей остается до 80% загряз­ нений, при вибрационной очистке— около 55%, при руч­ ной — около 20%, а при ультразвуковой — не более 0,5%. Кроме того, детали, имеющие сложную форму, трудно­ доступные места, узкие щели, маленькие отверстия и по­ лости, хорошо можно очистить только с помощью ультра­ звука. Особое же преимущество ультразвуковой очистки заключается в ее высокой производительности при малой затрате физического труда, возможности замены огне­ опасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочных солей, жидким фреоном и др.

Физическая сущность ультразвуковой очистки

Ультразвуковая очистка — сложный процесс, сочетаю­ щий местную кавитацию с действием больших ускорений в очищаемой жидкости, что приводит к разрушению за­ грязнений и способствует эмульгированию жировых при­ месей. Если загрязненную деталь поместить в жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи/фКроме того, в жидкости возникает много Пу­ зырьков, не связанных с кавитационными явлениями. Эти пузырьки проникают в поры, щели и зазоры между за­ грязнениями и поверхностью детали^ Под действием уль­ тразвуковых колебаний пузырьки интенсивно колеблются, также вызывая разрушение верхнего загрязненного слоя. Но колеблющиеся пузырьки являются второстепенным фактором при очистке. Решающее же значение имеет уль­ тразвуковая кавитация.

Кавитация — это сложный комплекс явлений, свя­ занных с возникновением, развитием и захлопыванием

вжидкости мельчайших пузырьков различного проис­ хождения. Ультразвуковые волны, распространяющиеся

вжидкости, образуют чередующиеся области повышен­ ных и пониженных давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидроста­ тическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше

100

сил межмолекулярных связей. В результате резкого из­ менения гидростатического равновесия жидкость разры­ вается, образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров, находящихся до этого в жидкости в рас­ творенном состоянии. В следующий момент, когда в жид­ кости наступает период высокого давления, образующиеся ранее пузырьки захлопываются. Процесс захлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, дости­ гающим нескольких сотен атмосфера Напряжение растя­ жения, необходимое для разрыва жидкости, зависит от количества растворенных в ней газов и увеличивается при обезгаживании. СВ жидкости имеются определенные мест­ ные нарушения однородности (зародыши), содержащие газ под высоким давлением, где и происходит разрыв жид­ кости. Условие равновесия газового пузырька опреде­ ляется соотношением

Р = Р 0+ ^ - ,

где Р — давление газа в пузырьке; Р 0— гидростатиче­ ское давление; а — коэффициент поверхностного натяже­ ния жидкости; г — радиус пузырька.

С. Наличие зародышей пузырьков в жидкости приводит к возникновению кавитации даже при незначительной ин­ тенсивности ультразвуковых колебанийГуМаксимальную интенсивность ультразвука, необходимую для возникно­ вения кавитации, можно определить из выражения

где Ра — переменное звуковое давление в кгс/см2; р — плотность жидкости в г/см3; с — скорость распростране­ ния звука в жидкости, в см/с.

Помимо очистки кавитация во многих случаях яв­ ляется основным фактором ускорения технологических процессов в химической, металлургической, пищевой и дру­ гих промышленностях. Поэтому очень важно уметь управ­ лять кавитационным процессом(^Ультразвуковая кавита­ ция в жидкости зависит от ее плотности, вязкости, тем­ пературы, молекулярного веса, сжимаемости, содержания газов, наличия инородных микроскопических включений, частоты и интенсивности ультразвуковых колебаний, ста­ тического давления и других факторов.-Деленаправлен-

101

ньш изменением некоторых из этих факторов можно влиять на активность кавитационного процесса в нужном на­ правлении. Так, например, в воде кавитация сильнее, чем в растворителях. Наличие газа в жидкости повышает эффективность кавитационных явлений. С увеличением температуры жидкости интенсивность кавитации растет до определенного максимума, пройдя который, начинает падать. Эффективность кавитации находится в прямой за­ висимости от интенсивности ультразвуковых колебаний и в обратной зависимости от их частоты. При очень высо­ ких ультразвуковых частотах кавитацию вообще невоз­ можно получить. Большое значение в интенсификации про­ цесса ультразвуковой кавитации имеет подбор определен­ ных соотношений между интенсивностью ультразвуковых колебаний и избыточным статическим давлением в жид­ кости.

На основе теоретических и экспериментальных иссле­ дований [7 ] установлено, что уровень кавитационной эрозии в жидкости можно многократно повышать, подби­ рая определенные соотношения между звуковым и стати­ ческим давлениями. Анализируя в целом влияние на ин­ тенсивность кавитации всех параметров, входящих в урав­ нение динамики кавитационной полости, предлагается сле­ дующий ряд эрозионной активности (х), где параметры расположены слева направо по мере возрастания их роли в увеличении х:

диус полости; р — плотность жидкости; / — частота коле­ баний; |т — вязкость; Рп— давление насыщенного пара; Ар — амплитуда звукового давления; Р 0— статическое давление.

При повышении давления до 5 кгс/см2, а затем до 10 кгс/см2 область кавитации сужается в объеме и сохра­ няется лишь над центром излучателя, где уровень звуко­ вого давления максимальный. При этом полностью исче­ зают пульсирующие пузырьки, увеличивается эрозионная активность жидкости и резко возрастает скорость акусти­ ческих течений. Повышение статического давления обес­ печивает более равномерное распределение областей ка­ витации в объеме жидкости.

Теоретические и экспериментальные исследования по­ казывают, что разработанный новый метод является уни­

102

версальным. Он позволяет повысить интенсивность уль­ тразвуковой кавитации и обеспечивает значительное уско­ рение кавитационного разрушения твердых тел и поверх­ ностей пленок в любых жидкостях. Необходимо отметить, что повышение эрозионной активности жидкости проис­ ходит без увеличения затрат потребляемой энергии. Ин­ тенсификация процесса кавитационного разрушения при повышенном статическом давлении значительно расширила область применения мощного ультразвука в технике. Со­ здан ряд принципиально новых технологических процес­ сов, получивших промышленное применение: удаление за­ усенцев с мелких точных деталей, избирательное измель­ чение синтетических и естественных алмазов, получение порошков сверхтонкой дисперсности, ультразвуковая очистка и др.

В Советском Союзе созданы промышленные ультра­ звуковые установки, работающие под повышенным ста­ тическим давлением, в которых можно производить про­ цессы очистки, измельчения и удаления заусенцев. Ра­ бочее давление составляет 4—5 кгс/см2. Для поддержания постоянства режима работы колебательной системы в уста­ новке используется мощный магнитострикционный пре­ образователь с датчиком обратной акустической связи.

Изучив механизм воздействия ультразвука в жидкой фазе, можно научно подходить к вопросу конструирова­ ния ультразвуковой аппаратуры, предназначенной для процессов очистки. Ученые провели исследования по из­ учению механизма ультразвуковой кавитации.

Процессы, происходящие в жидкости под воздействием ультразвуковых колебаний, были заснят л на кинопленку со скоростью съемки 4500 кадров в секунду. При прове­ дении экспериментов исследователи изменяли мощность излучения ультразвука, частоту колебаний, избыточное статическое давление, а также жидкость, в которой про­ водился эксперимент. Заснятые кинокадры просматривали в замедленном темпе с различной скоростью. Воспроиз­ ведение замедляли в 25, 100, 250 раз, что позволило ви­ зуально наблюдать процессы, происходящие в жидкости под воздействием ультразвука различной мощности и ча­ стоты. Кроме просмотра кинокадров, проводились теоре­ тические вычисления, построения графиков зависимостей, обработка информации на вычислительных машинах, химические анализы и многие другие наблюдения. Иссле­ дования показали, что интенсивность кавитации в основ­

103

ном зависит от частоты ультразвука, а также звукового и статического давления. Если повышать одновременно звуковое и статическое давление, интенсивность ультра­ звуковой кавитации, а следовательно, и интенсивность эрозии (очистки) увеличивается. При повышении стати­ ческого давления до 4— 10 кгс/см2 интенсивность ультра­ звуковой кавитации резко возрастает.

Исследователи предложили объективный критерий ин­ тенсивности ультразвуковой кавитации. Кроме того, в ре­ зультате теоретических исследований удалось рассчитать максимальный и минимальный радиус полости кавита­ ционного пузырька и время его захлопывания. Таким образом, оказалось возможным рассчитывать интенсив­ ность ультразвуковой кавитации [6], [62].

< Опыты показали, что при движении маленьких пузырь­ ков между ними действуют то силы притяжения, то силы отталкивания. Притягиваясь, пузырьки сливаются, обра­ зуя пузырьки больших размеров. В свою очередь, они притягивают следующие, более мелкие пузырьки, в ре­ зультате чего происходит их непрерывный рост. В опре­ деленный момент .пузырек меняет свою форму. Эти явле­ ния объясняются действием переменного давления, воз­ никающего в воде под действием ультразвуковых колеба­ ний. Процесс роста и сокращенйя пузырьков в жидкости происходит с частотой, равной частоте изменения давле­ ния, т. е. с частотой ультразвуковых колебаний. При со­ кращении (смыкании) пузырька из его центра распростра­ няется сферическая ударная волна^а максимальное давле­ ние, возникающее в жидкости на расстоянии 1,587 радиуса от центра пузырька:

где Р о — гидростатическое давление; г0— начальное зна­ чение радиуса газового пузырька; г — значение радиуса пузырька в рассматриваемый момент времени.

Радиальную скорость сокращения пузырька можно определить из выражения

где р — плотность жидкости.

104

Полное смыкание пузырька при гидростатическом дав­ лении происходит за время

Отсюда видно, что для смыкания кавитационных пу­ зырьков необходимо вполне определенное время. Напри­ мер, при нормальном давлении время смыкания газового пузырька радиусом 0,05 мм в воде равно 5 мкс [142].

Под воздействием ультразвука может наблюдаться лю­ минесценция, причиной которой являются электрические разряды в кавитационных полостях. Напряженность элек­ трического поля

где е — заряд иона; г — радиус кавитационной полости; N — число ионов; d — расстояние между слоями жид­ кости в момент разрыва.

Одним из важных факторов в повышении интенсивности ультразвуковой кавитации является выбор резонансной частоты преобразователя. ("Исследования показали, что эффективный диапазон частот находится в пределах 8— 44 кГц. Значительное повышение частоты ультразвуковых колебаний нежелательно, так как при большой частоте кавитационный пузырек не успевает вырасти до необходи­ мых размеров и его энергетические возможности при за­ хлопывании значительно снижаютсяТ^Кроме того, при боль­ шой частоте остается парогазовое давление, препятствую­ щее быстрому захлопыванию кавитационных пузырьков. Уменьшать частоту тоже невыгодно. Во-первых, возни­ кает диффузия парогазовой смеси в кавитационный пу­ зырек, во-вторых, радиус кавитационного пузырька воз­ растает настолько, что при его захлопывании снижается эффективность кавитации. Немаловажно и то, что при низких частотах создаются слышимые звуки, нежелатель­ ные по соображениям борьбы с шумностью в цехах. Следо­ вательно, ^наиболее целесообразными и одновременно эф­ фективными являются частоты 18—44 кГщ] Некоторые спе­ циалисты высказывают предложение о целесообразности применения одновременно низких и высоких частот уль­ тразвукового диапазона. По их мнению, это выгодно тем, что кавитационные пузырьки, возникающие на низких частотах, получают большое ускорение под воздействием

105

гидродинамических потоков, создаваемых высокими ча­ стотами.

Были проведены специальные исследования о влиянии на интенсивность кавитации продувки газа через жидкость. При этом количество кавитационных пузырьков — резко увеличивается, однако в этом случае интенсивность их за­ хлопывания уменьшается, что приводит к снижению кави­ тационной эрозии.

Большого внимания заслуживают исследования Мо­ сковского института стали и сплавов совместно со Все­ союзным научно-исследовательским институтом техноло­ гии машиностроения о кавитационно-абразивном разру­ шении твердых тел в звуковом поле. Оказывается, £эффективность эрозии значительно увеличивается, если кроме повышения1статического давления^ жидкость ввести абразивные частицьй^Особенно хорошие результаты полу­ чены при очистке деталей от заусенцев. Большую роль в эффективности эрозии играет скорость абразивных ча­ стиц, которая зависит от скорости акустического (звуко­ вого) потока. При обычном статическом давлении скорость абразивных частиц в жидкости равна примерно 50 см/с, а при повышенном статическом давлении она достигает сверхзвуковой скорости. При этом перемещения абразив­ ных частиц составляют несколько микрон. Это новшество в области ультразвуковой очистки особенно ценно при обработке мелких деталей, например, в часовой промыш­ ленности.

(_Качество ультразвуковой очистки во многом зависит и от химических свойств растворителей! При ультразвуко­ вой очистке применяют различные очистительные жид­ кости, которые могут быть агрессивными и неагрессив­ ными по отношению к обрабатываемому материалу. По­ этому важным фактором, влияющим на качество и время ультразвуковой очистки, является правильный выбор мо­ ющей среды [8], [12]. Моющая среда должна обладать как можно большей химической активностью по отноше­ нию к загрязнениямЗЧистую воду, несмотря на ее высо­ кую кавитационную способность, применять для ультра­ звуковой очистки нецелесообразно. Более эффективны вод­ ные растворы щелочей, кислот, солей с добавлением раз­ личных поверхностно-активных веществ (табл. 11). Наи­ более высокая растворяющая способность у органических растворителей, которые обладают хорошей способностью растворять загрязнения. Например, минеральные масла

106

Т а б л и ц а 11

Водные растворы для обезжиривания металлов

хорошо растворяются в углеводородных растворителях; растительные масла, канифоль, шеллак — в спирте. До­ стоинством органических растворителей является хими­ ческая инертность к очищаемой металлической поверх­ ности, что имеет большое значение при заключительных операциях очистки. Органические растворители хорошо проникают в зазоры, щели, отверстия, растворяя в них загрязнения. Недостатком органических растворителей является необходимость их довольно частой регенерации, так как загрязненность растворителя маслами в значи­ тельной степени отражается на качестве очистки. Кроме того, органические растворители менее желательно при­ менять ввиду того, что их пары вредно действуют на орга­ низм человека. Наиболее перспективными из органиче­ ских растворителей являются фреоны [169], а именно хлористый метилен (СН2С12) и трифтортрихлорэтан (CF3CCI3), которые хорошо растворяют загрязнения. Низ-

107