X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Система технического обслуживания и ремонта - важная составляющая экономики страны и сельского хозяйства.

Транспортные средства сельского хозяйства, трактора, комбайны, сеялки и другая техника не могут эффективно использоваться без хорошо организованной, технически оснащенной и мощной системы технического обслуживания и ремонта.

Современный уровень техники предъявляет все более серьезные требования к точности изготовления деталей, собираемости узлов машин, работающих в условиях высоких температур, агрессивных средах и т.д. Современные ремонтные мастерские должны обладать высокой технологической оснащенностью.

При изготовлении деталей их поверхность неизбежно загрязняется. К технологическим загрязнениям относят различные окисные пленки, пригары, абразивные пасты, шаржированные в поверхность частицы абразива. В период эксплуатации сельскохозяйственных машин детали и конструктивные части корпусов (в результате взаимодействия с внешней агрессивной средой) подвергаются коррозии.

Недооценка процессов очистки деталей приводит к тому, что наряду с комплексной автоматизацией и механизацией процессов формообразования существуют операции по очистке и снятию заусенцев с применением ручного труда.

На сегодняшний день существует множество способов очистки поверхностей от различных загрязнений. В данном проекте выбран способ очистки деталей от технологических и эксплуатационных загрязнений ультразвуком.

Ультразвуковая очистка - способ очистки поверхности твердых тел, основанный на возбуждении в моющем растворе колебаний ультразвуковой частоты.

УЗ очистка более быстрая, обеспечивает высокое качество и отмывает труднодоступные участки. При этом обеспечивается замена высокотоксичных, огнеопасных и дорогих растворителей обычной водой.

Процесс ультразвуковой очистки обусловлен рядом явлений, возникающих в ультразвуковом поле высокой интенсивности: акустической кавитацией, акустическими течениями, радиационным давлением, звукокапиллярным эффектом.

С помощью высокочастотных ультразвуковых колебаний производится очистка конструктивных деталей и механизмов сельскохозяйственной техники за несколько минут. В жидкости образуются мельчайшие газовые пузырьки. Эти пузырьки лопаются (взрываются) и создают мощные гидропотоки, которые вымывают всю грязь.

УЗ очищает металлы от полировочных паст, жировых загрязнений, оксидной пленки, окалины, продуктов коррозии и флюсов, нагара, накипи и др. Кроме очистки, ультразвук способен производить удаление мелких заусенец, полировку.

Для осуществления необходимого режима ультразвуковой очистки необходим выбор оптимальных значений интенсивности ультразвука и частоты колебаний.

Большую роль в процессе очистки играет правильно подобранный состав моющей жидкости. При этом необходимо учитывать свойства материала очищаемой детали и вид загрязнений. Моющая жидкость должна вступать в химическое взаимодействие только с поверхностными загрязнениями, но не с материалом очищаемого изделия. Существенное влияние на протекание и развитие в моющих растворах специфических явлений, возбуждаемых ультразвуком, оказывают физико-химические свойства жидкости. Повышение упругости пара внутри пузырька резко снижает интенсивность кавитации, поэтому, например, применение для ультразвуковой очистки водных растворов более эффективно, чем применение органических растворителей.

В настоящее время в качестве устройств ультразвуковой очистки нашли применение специальные ванны, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, моечные УЗ машины [1, 2].

Получение ультразвука. Пьезоэффект

Сущность пьезоэффекта заключается в следующем: если деформировать пластину кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды, это явление называется прямым пьезоэффектом. Механизм прямого пьезоэффекта объясняется возникновением и изменением дипольного момента элементарной ячейки кристаллической решетки в результате смещения зарядов под действием механического напряжения. Таким образом, на гранях пьезоэлектрического материала возникают электрические заряды.

Существует и обратный пьезоэффект. Если прикладывать к пластине переменное электрическое напряжение, то кристалл начинает сжиматься и расширяться (изменять геометрические размеры), с частотой прикладываемого напряжения. Механизм обратного пьезоэффекта заключается в следующем. При действии электрического поля на элементарные заряды в ячейке, происходит их перемещение и как следствие изменение средних расстояний между ними, то есть деформация всего кристалла.

Пьезоэлектрический эффект хорошо проявляется у природного или искусственно выращенного монокристалла кварца или сегнетовой соли, а также у некоторых керамических материалов (например, у титаната бария, циконата-титанатасвинца).

Изготовленная из пьезоэлектрического материала деталь простой геометрической формы (стержень, пластина, диск, цилиндр и т.п.) с нанесенными на ее определенные поверхности электродами называется пьезоэлементом. Пьезоэлементы входят в состав пьезоэлектрического преобразователя. Преобразователь обеспечивает преобразование энергии электрических колебаний в энергию механических колебаний и вводит ее в обрабатывающиеся среды.

Ультразвуковая кавитация - основной действующий фактор ускорения процессов в жидких средах:

Воздействие ультразвука на среду порождает большое количество специфических эффектов, среди которых необходимо выделить явление ультразвуковой (акустической) кавитации в жидкости. Под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паром и газом полостей или пузырьков при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. При распространении в жидкости ультразвуковой волны, даже сравнительно небольшой интенсивности, возникает переменное звуковой давление. Под действием этого давления, жидкость попеременно испытывает сжатие и растяжение. Растягивающие усилия в области разрежения волны и приводят к образованию в жидкости разрывов, т.е. мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Образовавшиеся пузырьки резко захлопываются после перехода в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамические возмущения в жидкости, интенсивное излучение акустических волн. При этом в жидкости происходит разрушение поверхностей твёрдых тел, граничащих с кавитирующей жидкостью.

Разрушение, отделение и растворение пленки загрязнений деталей при УЗ очистке происходит благодаря совместному действию химически активной среды и факторов, обусловленных наложением акустического поля. Известны три возможных механизма разрушения поверхностных пленок кавитационными пузырьками: отслоение, струйная очистка и эмульгирование.

Очень важным параметром, влияющим на эффективность процесса очистки, является интенсивность ультразвука. Выбор интенсивности зависит от вида очищаемой детали, характера загрязнения, моющей жидкости и др. В зависимости от вида загрязнений целесообразно использовать следующие значения интенсивности: до - для легкоудаляемых загрязнений (масляных и жировых при механической обработке деталей, растворимых в моющей жидкости осадков, флюсов и т.п.); от 3 до – для загрязнений типа полировочных и притирочных паст, закатанных при обработке давлением физических загрязнений и смазок, полимеризовавшихся смазок и т.д.; свыше для трудноудаляемых загрязнений (лаковых пленок, травильных шламов и т.п.). Для очистки протяженных каналов малого диаметра используется высокоамплитудная очистка колебаниями с интенсивностью до .

Расчет пьезоэлектрического преобразователя и выбор ультразвукового генератора

Выбранная установка для очистки деталей состоит из высоко­частотного излучателя, ванны, генератора высокочастотного напряжения. Конструкция установки представлена на рисунке 1.

Рис 1 Схема ультразвуковой ванны для очистки деталей

I - Генератор УЗ колебаний; 2 - Пьезоэлектрические пластины; 3 - Отражающая накладка стальная; 4 - Электрод; 5 - Излучающая накладка алюминиевая; 6 - Электрод;

7 - Стяжной болт; 8 - Корпус ванны; 9 - Сетка с деталями: 10 Крышка: 11 - Моющий раствор; 12 - Кран для слива отработанного раствора

Устройство излучателя: высокочастотный ультразвуковой излучатель для технологической очистки, преимущественно для получения излучений до 300 кГц и выше, содержит: последовательно связанные между собой с образованием пакета излучающую накладку (алюминиевую) в виде металлического усеченного конуса с фланцем со стороны большего для прикрепления и плотного прилегания к стенке ванны с жидкостью; два пьезоэлемента, стянутые в одно целое с накладками посредством центрального болта; на центральный электрод, расположенный между пьезоэлементами, подается высокочастотное напряжение; пьезоэлементы прикреплены к поверхности меньшего основания усеченного конуса; отражающую (стальную) накладку.

Пьезоэлектрический излучатель преобразует электрическую энергию в высокочастотные механические колебания, которые передаются диафрагме преобразователя, от которой эти колебания передаются в моющую жидкость.

Задачей расчета является определение параметров пьезоэлектрического преобразователя и выбор к нему ультразвукового генератора.

Исходные данные для расчета:

Физические параметры применяемого пьезоматериала (цирконат титаната свинца - ЦТС-19):

 = 1620 - диэлектрическая проницаемость;

- пьезомодуль;

-тангенс угла диэлектрических потерь;

С=2950м/с - скорость звука в данном материале;

- темпера гору точки Кюри.

Выберем частоту основного резонанса для очистки деталей от легкоудаляемых загрязнений (масляных и жировых при механической обработке изделий, растворимых в моющей жидкости осадков, флюсов и т.п.): f = 22кГц.

Толщина пакета пьезокерамических пластин:

Удельная акустическая мощность (интенсивность колебаний преобразователя):

,

где К - коэффициент для полу волнового преобразователя;

U- действующее напряжение на преобразователе. В;

Е - модуль упругости Юнга для ЦТС-19;

КПД преобразователя;

р - волновое сопротивление моющего раствора.

Электрическая мощность генератора, подводимая к преобразователю:

.

По выходной мощности и частоте f выбирем ультразвуковой генератор УЗГ17-2,0/22П выходной мощностью 1,6 кВт (ближайшей большей к расчетной и рабочей частотой 22кГц.

Таблица 1. Состав водных моющих растворов и режимы ультразвуковой очистки в зависимости от материала изделий.

Компонент	Содержание, г/см	Температура, град. С	Материал очищаемых деталей	Загрязнения
Едкий натр Сода кальционарованная Нитрит натрия	20-30 10-20 5-10	60-80	Сталь	Жир, консервирующие смазки

Продолжение таблицы 1

Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол	20-35 3 0,5-1,5	55-80	Сталь, медные сплавы, никель	Полировочные пасты, консервирующие и минеральные масла
Дистиллированная вода		45-55	Полимерные пленки
Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол	30 3 1	60-70	Сталь	Прокатные смазки, закаты, плены, конгломерированные загрязнения
Тринатрийфосфат Сода кальционарованная	3-5 5-10	85-95	Кремний, германий	Пицеиновый клей
Деионизированная вода		60-80	Кремний	Удаление абразивной суспензии

Разработка ультразвуковой ванны для очистки деталей от технологических и эксплуатационных загрязнений позволит заменить ручной труд, ускорив тем самым процесс очистки, получить высокую степень чистоты поверхности без использования пожароопасных и токсичных растворителей, обеспечить высокую производительность труда при малых физических затратах с отсутствием риска повреждения деталей и узлов, что позволит увеличить срок службы деталей и узлов.

Список литературы

Беззубцева М.М., Волков B.C., Фокин С.А. Электротехнология. Практикум по электротехнологическим расчетам. – СПб, СПбГАУ, 2010. - 24 с.

Беззубцева М.М., Волков В.С., Зубков В.В. Электротехнологии и электротехнологические установки в АПК. – СПб, СПбГАУ, 2012. - 244 с.

Код для цитирования: Скопировать