УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Предлагаемое техническое решение - полезная модель относится к области ультразвуковой техники, а именно к устройствам для создания кавитации на поверхности различных материалов и может быть использовано для исследования кавитационного разрушения материалов и определения стойкости различных материалов к воздействию эрозионных процессов кавитации.
При различных воздействиях на жидкие среды возникает кавитация, обеспечивающая разрушение твердых тел в жидкостях [1].
Явление кавитации заключается в образовании полостей в жидкости там, где происходит местное понижение давления. Энергия взрывающихся пузырьков вызывает разрушение большинства из известных материалов. После такого воздействия отдельные узлы и элементы механизмов перестают выполнять свои функции, приводя к разрушению машин и механизмов.
Для определения предельных сроков эксплуатации отдельных узлов машин и механизмов, подвергаемых кавитационному воздействию, необходимо наличие знаний о кавитационной стойкости (прочности) различных материалов.
В соответствии с требованиями стандарта ASTM G32-10 «Стандартный метод испытаний кавитационной эрозии» рекомендовано использовать устройство в виде ультразвукового аппарата, характеризующегося определенными конструктивными и техническими параметрами.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство для исследования кавитационной прочности материалов, описанное в стандарте ASTM G32-10 [2] и принятое за прототип.
Устройство для исследования кавитационной прочности, принятое за прототип состоит из генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты и ультразвуковой колебательной системы со сменным рабочим инструментом.
В прототипе использован электромеханический преобразователь (пьезоэлектрический или магнитострикционный) и сменный рабочий инструмент, который может выполняться из различных металлов, подвергаемых исследованию на кавитационную прочность.
В случае исследования кавитационной прочности материалов, из которых невозможно сделать рабочий инструмент колебательной системы (полимеры, износостойкие диэлектрики, керамики, резины, полиуретан и др.) используется любой из сменных рабочих инструментов, а исследуемый материал размещают перед излучающей поверхностью инструмента на некотором расстоянии.
Устройство для исследования кавитационной прочности материалов, принятое за прототип, имеет следующие существенные недостатки:
1. Проведение исследований кавитационной прочности различных материалов осуществляется при различных интенсивностях излучения, поскольку длина инструментов из различных исследуемых материалов выбирается без учета влияния их массы на резонансную частоту и на согласование с преобразователем. Проведение таких исследований при различной по интенсивности излучения снижает точность определения массы кавитационного разрушения и снижает точность определения кавитационной прочности материалов.
2. Интенсивность излучения в известном устройстве может изменяться в процесс исследований из-за изменений условий эксплуатации (температуры, давления, газосодержания в жидкости, частоты и т.п.), приводящих к изменению собственной резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы и рассогласованию с электронным генератором из-за возможных и реально существующих изменений амплитуды колебаний инструментов.
3. Отсутствие специальной крепежной системы не позволяет присоединять к устройству узел исследования кавитационной прочности материалов, не пригодных для создания рабочих инструментов, и выдерживать заданное расстояние между его излучающей поверхностью и исследуемым материалом (при исследовании кавитационной прочности материалов, из которых не представляется возможным выполнить рабочий инструмент), что обуславливает снижение точности контроля кавитационного разрушения.
Выявленные недостатки прототипа являются причиной получения недостоверных результатов исследований и исключают возможность принятия правильных решений при выборе материалов для эксплуатации в условиях кавитационного воздействия.
В предлагаемом устройстве решается задача по устранению недостатков существующего устройства для исследования кавитационной прочности материалов и созданию устройства, способного обеспечить высокую эффективность (точность, надежность) определения кавитационной прочности различных материалов, предназначенных для эксплуатации в условиях кавитационного воздействия.
Технический результат, достигаемый предлагаемым техническим решением, выражается в повышении достоверности результатов исследований и обеспечении возможности принятия правильных решений при выборе материалов для эксплуатации в условиях кавитационного воздействия.
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном устройстве для исследования кавитационной прочности материалов, состоящем из генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты и ультразвуковой колебательной системы со сменным рабочим инструментом, генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты снабжается узлом контроля тока, являющегося разницей между полным током и его емкостной составляющей, и узлом его стабилизации на установленном уровне амплитуды механических колебаний торцевой поверхности рабочего инструмента при использовании инструментов из различного материала, ультразвуковая колебательная система выполнена в виде последовательно размещенных, механически и акустически связанных между собой пьезоэлектрического преобразователя, промежуточного бустерного звена, концентратора механических колебаний и рабочего инструмента диаметром d и снабжена держателем исследуемых на кавитационную прочность образцов материалов, пьезоэлектрический преобразователь состоит из четного количества пьезоэлементов кольцевой формы с внешним диаметром D и внутренним диаметром, не превышающим диаметра инструмента d, и двух частотно понижающих металлических накладок. Промежуточное бустерное звено выполняется в форме цилиндра, диаметром D, имеющего буртик на цилиндрической поверхности, выполняемый на равном удалении от его торцевых поверхностей, на буртике размещается фланцевое крепление держателя исследуемых образцов, концентратор механических колебаний выполняется из металла в виде цилиндра переменного диаметра, изменяющегося вдоль осевой линии от диаметра пьезопреобразователя D до диаметра инструмента d, величина изменения диаметра цилиндра определяется необходимостью обеспечения амплитуды колебаний торцевой поверхности рабочего инструмента не менее 50 мкм, рабочий инструмент выполняется длиной не более 10 мм для металла минимальной плотности, причем длина рабочего инструмента определяется плотностью металла и уменьшается пропорционально увеличению плотности исследуемого металла. Держатель исследуемых на кавитационную прочность образцов материалов состоит из узла крепления держателя на буртике бустерного звена колебательной системы и соединенного с ним узла крепления исследуемых образцов, размещаемого на заданном расстоянии от торцевой излучающей поверхности рабочего инструмента и имеющего место крепления образца исследуемого материала.
Устройство поясняется Фиг. 1, на которой схематично показаны пьезоэлектрическая колебательная система и питающий ее электронный генератор, составляющие устройство для исследования кавитационной прочности материалов.
Генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты, выполнен по схеме двухтактного инвертора с управляемым задающим генератором и системой обратной связи [1]. В качестве элемента обратной связи используется пьезоэлектрическая колебательная система. В качестве непрерывно контролируемого параметра используется не только собственная резонансная частота ультразвуковой колебательной системы (изменяемая в соответствии с изменениями параметров материалов системы, материалов и длины инструментов, свойств обрабатываемых сред и т.п.), но и ток механической ветви пьезоэлектрического преобразователя колебательной системы. Током механической ветви называется ток, являющегося разницей между полным током системы и его емкостной составляющей. Величина этого тока пропорциональна амплитуде механических колебаний излучающей поверхности. Поэтому дополнение устройства узлом стабилизации тока механической ветви за счет изменения питающего напряжения позволяет стабилизировать амплитуду механических колебаний торцевой поверхности рабочего инструмента при использовании инструментов из различного материала на установленном уровне.
Ультразвуковая колебательная система предназначена для преобразования электрических колебаний ультразвуковой частоты, создаваемых генератором в механические ультразвуковые колебания и их введения в жидкие среды для создания кавитации.
Ультразвуковая колебательная система выполнена в виде последовательно размещенных, механически и акустически связанных между собой пьезоэлектрического преобразователя, состоящего из двух частотно понижающих металлических накладок 1 и 3, четного количества пьезоэлементов 2 кольцевой формы с внешним диаметром D и внутренним диаметром, не превышающим диаметра инструмента d, промежуточного бустерного звена 4, концентратора механических колебаний 7 и рабочего инструмента 9 диаметром d и снабжена держателем 8 исследуемых на кавитационную прочность образцов материалов. Промежуточное бустерное звено 4 выполняется в форме цилиндра диаметром D, имеющего буртик 6 на цилиндрической поверхности, выполняемый на равном удалении от его торцевых поверхностей, на буртике размещается фланцевое крепление 5 держателя исследуемых образцов, концентратор механических колебаний 7 выполняется из металла в виде цилиндра переменного диаметра, изменяющегося вдоль осевой линии от диаметра пьезопреобразователя D до диаметра инструмента d, величина изменения диаметра цилиндра определяется необходимостью обеспечения амплитуды колебаний торцевой поверхности рабочего инструмента не менее 50 мкм, рабочий инструмент 9 выполняется длиной не более 10 мм для металла минимальной плотности, причем длина рабочего инструмента определяется плотностью металла и уменьшается пропорционально увеличению плотности исследуемого металла. Держатель 8 исследуемых на кавитационную прочность образцов материалов состоит из узла крепления 5 держателя на буртике 6 бустерного звена ультразвуковой колебательной системы и соединенного с ним узла 12 крепления исследуемого образца 10, размещаемого на заданном расстоянии от торцевой излучающей поверхности и имеющего место крепления 11 образца исследуемого материала.
Конструкция устройства, реализованного на практике, показана на Фиг. 2 (без держателя исследуемых на кавитационную прочность образцов материалов). Пьезоэлектрический преобразователь выполнен из последовательно установленных, механически и акустически связанных тыльной частотнопонижающей накладки 1 (Сталь 45), четырех пьезоэлектрических элементов 2 типоразмером 50×20×6 мм (АРС-844) и рабочей частотнопонижающей накладки 3 (алюминиевый сплав В 95) с выходным диаметром 38 мм. Рабочая частота преобразователя составляет 20,95 кГц. К пьезопреобразователю присоединена (механически и акустически связана) полуволновая проставка 4 (бустерное звено) цилиндрической формы диаметром 38 мм (с переходом через 10 мм от торцевых поверхностей на 41 мм) из титанового сплава ВТ 1-0 с выполненным на равных расстояниях от входного и выходного диаметров пояском для размещения узла крепления колебательной системы 6 на штативе. Бустерное звено не увеличивает амплитуды колебаний, однако, резонансная частота системы преобразователь - бустерное звено становится равной 20,53 кГц.
К бустеру присоединяется концентратор механических колебаний 7 с переходом ступенчато-радиальной формы с диаметром конечного участка 15,9 мм (коэффициент усиления не менее четырех), к которому посредством резьбового соединения присоединяется рабочий инструмент 9, выполняемый из различных материалов, подвергаемых исследованиям на кавитационную прочность. Собственная рабочая частота колебательной системы с присоединенным концентратором составляет 22,37 кГц (относительная амплитуда 3,9 В). С учетом заполнения резьбового канала концентратора материалом (металлом рабочего инструмента) реальная рабочая частота должна быть несколько ниже и соответствовать частоте в 22,3 кГц.
Устройство работает следующим образом. Генератор вырабатывает электрические колебания для питания пьезопреобразователя. Создаваемые колебательной системой механические колебания ультразвуковой частоты через рабочий инструмент, выполненный из исследуемого материала, вводятся в жидкость. Формируемые в жидкости ультразвуковые колебания создают кавитацию, т.е. образование полостей в жидкости там, где происходит местное понижение давления. При расширении пузырька в стадии разрежения давление газа внутри пузырька понижается, поэтому происходит диффузия растворенного в жидкости газа в кавитационную полость до достижения равновесия. В стадии сжатия происходит схлопывание пузырька с образованием ударных волн. При этом в точке схлопывания резко нарастает давление и генерируется импульс давления, распространяющийся в жидкости. Несмотря на быстрое снижение давления в ударной волне при ее удалении от места возникновения, на расстоянии начального радиуса пузырька (доли миллиметра), она достаточно мощная и вызывает разрушение большинства из известных материалов.
Кроме того, в реальных условиях сферичность кавитационного пузырька нарушается при его подходе к границе раздела фаз жидкость - твердое тело (при условии, что плоскость твердой поверхности превышает размеры пузырька). В начальный момент пузырек слегка деформирован, вследствие чего, при его захлопывании образуется - микроструя жидкости, которая называется кумулятивной струей. Скорость движения микроструи (жидкости) исчисляется десятками и сотнями метров в секунду. Такой удар микроструй о твердую поверхность вызывает разрушение последней.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает стабильность кавитации за счет стабильности устанавливаемой амплитуды колебаний инструмнта. Поскольку эрозионная эффективность кавитации зависит от амплитуды колебаний рабочего инструмента, а степень разрушения определяется кавитационной прочностью материалов, устройство обеспечивает повышенную точность определения степени кавитационного разрушения колеблющейся поверхности и позволяет получить достоверные сведения о кавитационной прочности материалов.
Разработанное устройство изготовлено и прошло испытания в лабораторных условиях. Серийное производство запланировано на 2016 г.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Хмелев, В.Н. Ультразвук. Аппараты и технологии: монография [Текст] / В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, С.С. Хмелев, С.Н. Цыганок; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2015. - 687 с;
2. ASTM G32-10, Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2010, www.astm.org - прототип.