Файл: При интенсивности уз более 0,3 Втсм2 в жидкой среде возникают следующие эффекты.pdf

При интенсивности УЗ более 0,3 Вт/см2 в жидкой среде возникают следующие эффекты:
1) Генерирование и передача тепла, возникающие вследствие потерь энергии, неизбежных при распространении ультразвуковых колебательных процессов.
2) Кавитация, обуславливающая эрозию материалов, диспергирование, гомогенизацию,
эмульгирование, ускорение диффузионных процесс ов.
3) Акустические течения – стационарные вихревые микро- и макропотоки жидкости,
возникающие в ультразвуковом поле при колебаниях воздушного пузырька вблизи поверхности твёрдого тела."
4) Химические эффекты – ускорение различных химических реакций, деполимеризации,
электрохимических процессов.
5) Диффузионные эффекты – интенсификация процессов проникновения молекул и атомов через стенки клеток, пористые мембраны и фильтры, уменьшение толщины пограничного слоя на поверхности раздела «жидкость – твёрдое тело».
6) Механические эффекты, заключающиеся прежде всего в эрозии поверхности материалов, помещённых в озвучиваемую жидкость. Эрозия возникает вследствие действия давлений, создаваемых при захлопывании кавитационных микропузырьков. Эти эффекты используются для удаления различных загрязнений, диспергирования и гомогенизации.
7) Эффект вакуума – в фазе разряжения колеблющейся среды снижается температура кипения жидкости, что ускоряет сушку порошкообразных и пористых материалов при пониженной температуре.
8) Капиллярные эффекты – под воздействием ультразвука значительно повышается скорость и уровень подъёма жидкости в капиллярах, облегчается её проникновение в пористые и другие неоднородные материалы.
Динамика кавитационной области описывается дифференциальным уравнением
Непайраса-Нолтинга [108]
2ρ R
2

2
t
R
d d
2

2ρ R

t
R
d d






2


4 σ


2R P sin 2π f
(
)

P0

P0 2σ
R0







R0 3
R
3












2ρ R
2

2
t
R
d d
2

2ρ R

t
R
d d






2


4 σ


R0 начальный радиус пузырька в момент времени t=0
амплитуда давления звуковой волны частота колебаний гидростатическое давление плотность жидкости поверхностное натяжение текущий радиус пузырька
P
f
P0
ρ
σ
R

Начальный радиус пузырька может быть определн по формуле Минаэрта-Смита [43,44]
f
1
P0 2σ
R0







3χ
ρ

2π R0


P0
χ
отношение теплоемкостей газа в пузырьке (для воды 1,14)
Или выглядит следующим образом, пренебрегая слагаемым [61,62,63]
f
1 3χ P0

ρ

2π R0


χ
Согласно Рэлею, максимальное давление в жидкости на расстоянии 1,587 R от центра пузырька равно [61,62,63]
P
P0
R0 3
4 4
3




R
3



P0
Давление на фронте кавитационной ударной волны может также определяться [108]
Pmax
P0 δ

Z
4

P0
Z
Rmin
Rmax

Rmin безразмерный минимальный радиус пузырька
δ
Pn
P0

Pn параметр, характеризующий содержание воздуха в полости
Pn
Pd Pв


Pd давление внутри пузырька при его максимальном радиусе
Pd и Pв парциальные давления насыщенного пара и воздуха
Если пузырек уменьшается от исходного радиуса R.o до радиуса R, то создается давление
P
R0 3
R
3 1









2 P0

3 β



R0

β
сжижаемость жидкости, для водного раствора равная
50 10 6


атм
1

Полное смыкание пузырька при данном гидростатическом давлении происходит за время t
0 915 R0

ρ
P0



R0
Увеличение частоты колебаний сопровождается уменьшением размеров полостей из-за сокращения времени цикла расширения и захлопывания. С увеличением частоты и колебаний увеличивается порог кавитации
Как правило, в процессе очистки изделие помещают в ванну в подвешенном состоянии (например, в корзине) в области максимальной кавитации при воздействии ультразвука фиксированной частоты. Процесс разрушения загрязнений по данной схеме достаточно хорошо изучен благодаря работам отечественных и зарубежных исследователей [1, 3, 15, 45, 59, 62, 92, 94, 95, 101, 105, 107, 108, 109]. На базе многолетних исследований разработано и производится большое количество моделей ультразвуковых установок для очистки, краткий обзор которых приведен ниже.
Установлено, что эффективность ультразвуковой очистки завис ит от частоты ультразвука, его интенсивности, температуры моющей жидкости и времени озвучивания
[15, 95]. Эффективность очистки выше при использовании меньших частот преобразователя и расположении деталей в пучностях волн. Так, при использовании частот порядка 20 кГц через 60 с в пучности колебаний остается только 0,1%
загрязнений, а в узле – 10%. При использовании частот порядка 400 кГц через 180 с в пучности колебаний остается 75% загрязнений, а в узле – 98%. Только в отдельных случаях, когда требования к качеству поверхности высоки, применяются большие частоты колебаний, т.к. интенсивная кавитация на малых частотах может повредить поверхность деталей. Время очистки и обезжиривания обратно пропорционально интенсивности ультразвука, но с увеличением интенсивности более 1 Вт/см2 время обработки снижается незначительно. Поэтому в технологии очистки рекомендуют для водных растворов выбирать интенсивность колебаний 1,5-2 Вт/см2, а для органических растворителей, имеющих более низкий порог кавитации, - 1 – 1,5 Вт/см2. Применение высоких интенсивностей ультразвука помимо неоправданных энергозатрат плохо тем,
что вблизи поверхности преобразователя образуется кавитационная подушка,
уменьшающая эффективность очистки при увеличении расстояния от него.
Оптимальный температура моющего раствора составляет по литературным данным
55-70о С [15, 45, 59, 62, 92].
Определенный эффект дает оптимальное сочетание амплитудно частотных характеристик ультразвуковой обработки [10], в последнее время в связи с развитием элементной базы, позволившей создать новые схемы ультразвуковых генераторов, и компьютерных систем управления и контроля разработаны принципиально новые методы и схемы ультразвуковой очистки, которые невозможно было реализовать в прошлом. Одной из причин разработки новых схем очистки явилось развитие приборостроения с системами на новых физических принципах, элементы которых изготовлены из твердых и хрупких материалов (кварц, ситалл, керамика), что потребовал о разделения процесс а в цикле на предварительную и прецизионную очистку, не нарушающую качество поверхности. Другой причиной стало повышение требований к качеству крупногабаритных изделий двигателестроения и энергетики,
размеры которых захватывали несколько зон пучностей и узл ов ультразвукового поля,
что приводил о к неравномерности удаления загрязнений.

МОДЕЛЬ РАЗРУШЕНИЯ
Условие разрушения внутреннего поверхностного слоя может быть записано следующим образом
σF σадг

1.1
(
)
σF -изгибные напряжения, вызванные УЗ колебаниями
σадг -адгезионная прочность (прочность сцепления) поверхностного слоя
Изгибные напряжения согласно сопротивлению материалов определяются по выражению:
σF
M
W

M
1.2
(
)
M
-изгибающий момент
W
-момент сопротивления сечения изгибающегося элемента

Примем для поверхностного сл оя форму трубки длиной, равной рассматриваемому элементу конструкции. Для кольцевого сечения слоя момент сопротивления равен:
W
0.1 D
3

1
c
4





D
1.3
(
)
D
-диаметр отверстия канала в изделии d
-внутренний диаметр поверхностного слоя c
d
D

d
Изгибающий момент, вызванный динамической силой вследствии контакта элемента конструкции с колебющимся с ультразвуковой частотой волноводом:
M
Pd l

Pd
1.4
(
)
Pd
A
0.56
C


C
-эмпирический коэффициент динамической силы ультразвука
A
-амплитуда ультразвуковых колебаний l
-длина обрабатываемого элемента конструкции
В данном выражении величина P.d взята по зависимости, полученной А.И.Марковым
Подставив (1.3) и (1.4) в (1.2) получим выражение для определения внутренних напряжений изгиба в оксидном слое, связывающее величину напряжений с амплитудой ультразвуковых колебаний и конструктивными особенностями изделия
σF
l A
0.56

C



0.1 D
3

1
c
4







c
1.5
(
)
С учетом многоциклового характера нагружений элемента конс трукции изгибные напряжения необходимо определить с учетом эквивалентного и базового цикл ов его погружения по известной зависимости
σFЭ
σF
m
NБ
NЭ


σF
1.6
(
)
m = 8 показатель степени
NБ
10 7
10 8

рекомендуемые значения базового числа циклов нагружения конструкции при превышении которого возможно разрушение объекта

Примем эквивалентное число нагружений равным частоте УЗ колебаний вынуждающей силы , то есть излучателя N.э = f. С учетом этого подставив (1.5) в (1.6) можно переписать
(1.1) следующим образом. l A
0.56

C



0.1 D
3

1
c
4






8
NБ
f

σадг

Определим амплитуду и частоту УЗ, с ообщаемых изделию для обеспечения отделения лакового (компаундного ) сл оя от поверхности обмотки
A
0.1 σадг

D
3

1
c
4








1.78
C l

(
)
1.78
NБ
f






0.22


1.7
(
)
По данным (94) принимаем материал поверхностного слоя С=16.6. Расчетом по зависимости
(1.5) принимая стандартное значение f=22000 Гц, получены графики позволившие установить диапазон параметров эффективной контактной обработки с учетом адгезионной прочности поверхностного слоя σ.адг =12-15 Н/мм2
D
18

f
20000

d
12

C
30

c d
D
0.667


NБ
10 8

l
20

A
0.1 σадг

D
3

1
c
4








1.78
C l

(
)
1.78
NБ
f






0.22


σадг
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20





















































l A
0.56

C



0.1 D
3

1
c
4






8
NБ
f

σадг


A
0.1 σадг

D
3

1
c
4








1.78
C l

(
)
1.78
NБ
f






0.22

0 0
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10 11 12 13 14 15 0.099 0.339 0.697 1.164 1.731 2.395 3.151 3.996 4.928 5.945 7.044 8.224 9.484 10.821 12.235


σF
l A
0.56

C



0.1 D
3

1
c
4







0 5
10 15 20 0
5 10 15 20
σF
A
0 5
10 15 20 0
5 10 15 20
A
σF
а )
б )
Изгибные напряжения σF (а) в обмотке, подвергнутой воздействию ультразвука, в зависимости от амплитуды А и с оотношения диаметра канала и внутреннего диаметра поверхностного слоя и соответствующее напряжениям средние значения амплитуды ультразвуковых колебаний (б)

Примем величину базового цикла нагружений NБ = 10^8, тогда период времени до преодоления предела выносливос ти лакового поверхностного слоя (величины адгезии)
при частоте ультразвука 20 кГц будет равен t
NБ
f
5 10 3



секунд (или 84 минуты)
Получено математическое выражение, представляющее собой феноменологическую модель разрушения поверхностного слоя во внутренних полостях и каналах при контактном воздействии ультразвука и позволяющее на основе взаимосвязи параметров ультразвука и размеров очищаемого объекта с адгезионной прочностью оксидного слоя определить величину амплитуды и частоты колебаний, сообщаемых изделию. Определены теоретические значения амплитуды и частоты ультразвука.