УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ МАЛОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
DEVICE FOR ULTRASONIC CLEANING OF SMALL-SIZE ITEMS FROM TECHNOLOGICAL AND OPERATIONAL CONTAMINANTS

Изобретение относится к устройствам для очистки малогабаритных, преимущественно металлических изделий от технологических загрязнений, образующихся на их поверхности в процессе изготовления, и эксплуатационных загрязнений, возникающих при использовании по назначению и хранению. Основным чистящим фактором в устройстве является ультразвуковая кавитация в водных растворах моющих средств. Под ее воздействием могут удаляться технологические загрязнения, обладающие высокой адгезией к металлической поверхности, например, остатки полировальных паст или внедренные в металл абразивные частицы от шлифовального инструмента, а также используемые для временной консервации пассивирующие покрытия, а удаляемые эксплуатационные загрязнения могут включать остатки отработанных смазок, в том числе полимеризовавшиеся, пригоревшие, содержащие смешанную с ними минеральную и органическую пыль, а также нагары.
Область применения изобретения - очистка трудноразбираемых и неразборных изделий, например, при ремонтах и расконсервировании различных машин, механизмов и узлов, частью которых они являются, а также очистка в процессе производства отдельных деталей изделий перед их сборкой. Преимущественная область - очистка изделий с высоким квалитетом и низкой шероховатостью поверхностей, таких, например, как подшипники качения и детали, из которых их собирают. Изобретение, главным образом, предназначено для поточной очистки, когда изделия перемещаются относительно источников ультразвука при помощи различного вида конвейеров и транспортеров.
Известен класс аппаратов для ультразвуковой очистки, например, [RU 2193462, 2002, RU 2106210, 1998, RU 2062667, 1996] представляющих собой открытые емкости - ванны, заполняемые различными моющими растворами [RU 2275257, 2006, RU 2295399, 2007, RU 2209499, 2003] [1]. В них очищаемые объекты перемещаются с помощью конвейеров, транспортеров либо карусельных механизмов, совершая поступательные, вращательные или иные виды движений относительно гидродинамических источников ультразвука, возбуждающих упругие колебания непосредственно в моющих жидкостях либо электромеханических - передающих колебания в жидкость от преобразователей через дно и/или стенки ванн, а также посредством специальных волноводных акустических трансформаторов. Ультразвук в них используется по одному из его известных назначений - для ускорения химических реакций и интенсификации физических процессов в акустическом поле [2]. В этих устройствах отсутствуют какие-либо специальные требования к положению транспортных механизмов с очищаемыми объектами относительно источников ультразвука, а моющие среды выбираются произвольно и могут иметь любые физические характеристики, в том числе могут представлять собой неполярные гидрофобные жидкости. Поэтому суммарное акустическое поле, образующееся в результате суперпозиции волн от отдельных источников, а также волн, отраженных очищаемыми объектами, элементами конструкции транспортеров и стенками ванн, в каждом конкретном случае имеет случайный непрогнозируемый характер. При этом кавитационные области, которые, как известно [3], образуются вблизи пучностей звукового давления, также будут иметь случайное пространственное положение и не оптимальные энергетические характеристики. Коэффициент трансформации акустической энергии на кавитации [4], определяющий кавитационную активность [5] у таких аппаратов в среднем низкий, а расходование акустической энергии на единицу площади очищаемой поверхности большое. Кроме того, в неполярных жидкостях кавитационная активность мала, а в некоторых из них кавитация вообще невозможна [2, 5]. Это препятствует достижению сформулированного ниже технического результата изобретения при использовании этих аппаратов.
Известны устройства для ультразвуковой очистки инструментов [RU 2275291, 2006] и изделий машиностроения [RU 2243039, 2004], в которых очищаемые объекты располагаются на небольших расстояниях от поверхностей, распространяющих в моющую жидкость ультразвуковые колебания. Эти расстояния существенно меньше длины волны колебаний в жидкости, и поэтому кавитация там имеет характер порождаемой градиентами давления гидродинамической, а не акустической кавитации, которая возникает в упругих волнах [6]. Известно, что гидродинамическая кавитация уступает акустической по величине импульсов давления [7], испускаемых кавитационными пузырьками [4, 8], а значит и по производимому эрозионному эффекту, который в процессах очистки эквивалентен работе, выполняемой против сил адгезии загрязнений. Это является недостатком рассмотренных аналогов, который не позволяет получить технический результат изобретения при очистке изделий с их помощью.
Известны устройства [RU 2260484, 2004, RU 2191641, 2002] для очистки изделий прокатного производства типа ленты, которая в них непрерывно движется относительно источников ультразвука. Поэтому их можно отнести к устройствам конвейерного типа. В этих устройствах изделие перемещают относительно излучающей ультразвук поверхности на расстоянии, кратном половине длины волны ультразвуковых колебаний в моющем растворе. Чтобы задавать это расстояние необходимо знать скорость распространения упругих колебаний в растворе, произведение которой на плотность раствора называется удельным акустическим сопротивлением и определяет интенсивность ультразвука [4, 5, 8]. Но при возникновении потребности по каким-либо причинам использовать раствор с другим удельным акустическим сопротивлением, чтобы сохранить заданную интенсивность ультразвука требуется переналадка устройства, заключающаяся в изменении расстояния между перемещаемой лентой и источниками ультразвука, либо изменение мощности последних. Кроме того, располагаясь на расстоянии, кратном полуволне от поверхности, с которой в жидкость распространяется ультразвук, очищаемая лента находится в пучности колебательных смещений упругой волны, что порождает ее собственные колебания. Являясь твердотельным объектом, обладающим упругостью формы, лента имеет собственную резонансную частоту изгибных колебаний, зависящую от физических характеристик металла, из которого она изготовлена, ее размеров и конструкции транспортирующего ее механизма. В соответствии с теорией колебаний лента будет колебаться, стремясь к этой частоте [9], которая может не совпадать с частотой изучаемого ультразвука. Суперпозиция колебаний, исходящих от источников ультразвука и собственных колебаний ленты, приводит к биениям и создает случайные и нестабильные в пространстве кавитационные области, акустическая энергия на которых трансформируется не оптимальным образом, как и у аналогов, рассмотренных выше. Это обуславливает такой же, как у них недостаток и препятствует получению сформулированного ниже технического результата изобретения.
Существуют устройства для ультразвуковой очистки со специальным пространственным положением источников ультразвука либо с управляемой частотой и фазой их колебаний [US 4556467, 1985, RU 2262397, 2004, RU 2313408, 2007]. В них для управления интенсивностью ультразвука и упорядочения движения моющей жидкости относительно очищаемых изделий использовано явление суперпозиции упругих волн. Положение в пространстве пучностей звукового давления, а следовательно, и кавитационных областей при работе таких устройств неподвижное. Однако при изменении удельного акустического сопротивления жидкости положение пучностей звукового давления и его величина также изменятся [9]. Это делает кавитацию в разных жидкостях не одинаковой по мощности и воздействию на очищаемые изделия, а частотное управление источниками в достаточных для компенсации изменения удельного акустического сопротивления пределах невозможно, так как источники сами по себе являются резонансными системами, что делает зависимым от частоты их КПД. Поэтому расход энергии здесь также не оптимален, что не позволяет реализовать в них технический результат изобретения.
Более совершенным устройством конвейерного типа для очистки изделий, в котором специальным образом задается резонансный размер, является устройство для ультразвуковой поточной очистки колец подшипников качения [10]. В нем изделия перемещаются по конвейеру гравитационного типа относительно образуемых несколькими резонансными ячейками плоскоупругих стоячих волн в моющем водном растворе. Размер ячеек в направлении луча заключенных в них волн равен половине длины волны ультразвука в моющем растворе, то есть установлен относительно конкретного раствора с определенным удельным акустическим сопротивлением, как и в некоторых из приведенных выше аналогов. Отличие от них состоит в том, что ячейку ограничивают не поверхность, с которой излучается ультразвук, и поверхность очищаемого изделия, как в [RU 2260484, 2004, RU 2191641, 2002], a излучающая и отражающая поверхности, которые акустически связаны с очищаемыми изделиями только через моющий раствор. Это позволяет оптимально расположить конвейер с изделиями относительно кавитационных областей и акустических течений в растворе. Поэтому в ячейках возникает интерференция когерентных падающей и отраженной волн, что наилучшим образом способствует получению максимально возможной амплитуды звукового давления в образуемой стоячей волне и, следовательно, наивысшей кавитационной активности в ней. Такт полной очистки одного изделия в этом принятом за прототип изобретения устройстве составляет всего несколько секунд.
Но прототип все же имеет недостаток, также не дающий возможности достигнуть в нем технического результата изобретения. При использовании моющего раствора, например, со скоростью распространения в нем звука меньшей той, по которой выбраны размеры резонансных ячеек, длина волны ультразвука уменьшится. Вместе с ней изменятся условия суперпозиции падающей и отраженной волн в ячейке, что повлечет за собой снижение амплитуды звукового давления и, как следствие, кавитационной активности. Эффективность очистки при этом станет меньше. Регулировка мощности источников ультразвука, посредством которой можно было бы компенсировать снижение интенсивности ультразвука, в прототипе не предусмотрена.
Изобретение направлено на создание универсального в отношении водных моющих растворов устройства для ультразвуковой очистки, не требующего для адаптации к ним управления мощностью источников ультразвука либо изменения их пространственного положения.
Сущность изобретения заключается в следующем.
При любой температуре удельное акустическое сопротивление химически чистой воды, а также ее плотность меньше, чем у используемых в области применения изобретения водных моющих растворов, представляющих собой смеси электролитов и полиэлектролитов [11]. Известно, что при одной и той же мощности источника ультразвука и нормальных условиях передачи колебаний от него в жидкую среду амплитуда звукового давления в среде прямо пропорциональна корню квадратному из ее удельного акустического сопротивления [2, 5, 8]. Известно также, что при суперпозиции встречно-направленных когерентных плоскоупругих волн максимальное значение суммарной амплитуды достигается при совпадении их фаз [9]. Это обеспечивается в резонансной ячейке с размером по лучу волны кратным половине длины волны. При изменении этого размера в ту или другую сторону амплитуда стоячей волны в ней уменьшается. Следовательно, для того, чтобы амплитуду звукового давления сделать наименее зависимой от акустических параметров моющих растворов, нужно размер ячеек по лучу волны сделать кратным половине длины волны ультразвука заданной частоты в химически чистой воде в диапазоне применяемых при ультразвуковой очистке температур и давлений в растворах. Тогда при увеличении скорости распространения звука в растворе уменьшение амплитуды звукового давления по причине соответствующего увеличения резонансного расстояния компенсируется увеличением ее за счет роста удельного акустического сопротивления. В итоге кавитационная активность и чистящий эффект останутся неизменными.
Ультразвуковая очистка в конвейерных устройствах по определению осуществляется при атмосферном давлении в растворе. Теоретически она может выполняться в диапазоне температур от 0°С до +60°С, так как известно, что при более высоких температурах порог кавитации снижается и ее действие ослабляется [8]. Зависимость скорости звука в воде от температуры подчиняется частному случаю формулы Маурера [2] и на границах этого диапазона при атмосферном давлении составляет 1400 м/с и 1528 м/с соответственно.
Техническим результатом изобретения является обеспечение одинакового качества очистки изделий при использовании водных моющих растворов разного состава и концентрации без переналадки устройства.
Указанный технический результат при использовании изобретения достигается за счет того, что в известном конвейерном устройстве для ультразвуковой очистки малогабаритных изделий в водных моющих растворах, содержащем в качестве источников ультразвуковых колебаний одну или несколько резонансных ячеек, отличие состоит в том, что размер каждой из этих ячеек в направлении луча образуемой во время работы в моющем растворе стоячей плоскоупругой волны, выраженный в миллиметрах, выбран из ряда (732±32)·N·n, где N - число, равное значению периода ультразвуковых колебаний, выраженному в миллисекундах; n - действительное целое число.
Зависимость кавитационной активности от концентрации водного раствора в заявленном устройстве и в прототипе были сравнены по методу Кнэппа [8]. Для этого использовали раствор комнатной температуры с сильно проявляющейся зависимостью скорости распространения звука и плотности от содержания электролита - раствор натрия хлорида марки ХЧ в дистиллированной воде. Образцы алюминиевой фольги обрабатывали одинаковое время в двух растворах с содержанием электролита в растворе по массе 0,01 и 0,10. В качестве источника ультразвука использовали магнитострикционный излучатель частотой 22 КГц. Резонансные ячейки были изготовлены в соответствии с [12]. Имитирующая прототип ячейка имела размер в направлении излучения ультразвука, равный 37 мм, то есть рассчитанный для работы со вторым раствором более высокой концентрации, а соответствующая изобретению - два размера 35 мм и 32 мм, соответствующие границам диапазона, заданного отличительным признаком. Образцы помещали в центре ячейки параллельно фронту волны. Убыль массы образцов в результате обработки определяли термогравиметрическим методом, предварительно споласкивая их в дистиллированной воде. Затем вычисляли относительную потерю массы образцами (относительно образца обработанного во втором растворе в устройстве, имитирующем прототип). Средние значения полученных результатов приведены в таблице.
ПАРАМЕТРЫ УСТРОЙСТВА
Содержание NaCl в растворе
0,01
0,10
Прототип (размер ячейки 37 мм)
0,832±0,019
1 (контроль)
Изобретение при размере ячейки 35 мм
0,979±0,014
0,991±0,018
Изобретение при размере ячейки 32 мм
0,985±0,011
0,981±0,017
Результаты показывают, что кавитационную активность в заявленном устройстве в переделах погрешности метода измерений можно считать независящей от удельного акустического сопротивления раствора, даже имеющего один из самых высоких коэффициентов его зависимости от концентрации растворенного вещества [2]. Следовательно, и качество очистки в таком устройстве не будет меняться при замене моющих средств и изменении их содержания в растворе.
Таким образом, сравнение заявленного устройства с прототипом, являющимся техническим решением, которое наиболее полно характеризует известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что изобретение обладает существенным по отношению к указанному техническому результату отличием. При анализе этого отличия не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся требований к размеру резонансных ячеек устройств для ультразвуковой очистки в связи с зависимостью качества очистки от возможного изменения физических свойств моющих растворов.
В промышленности основой конструкции заявленного устройства может служить, например, аппарат для очистки колец прецизионных подшипников качения, выбранный в качестве прототипа, или технологический модуль типа МУВ2×630У [3]. Для соответствия отличительному признаку изобретения в них на противоположной от излучателей стенке отмывочного отсека следует, например, механически закрепить напротив каждого излучателя отражатель, состоящий из кавитационно-стойкой резины толщиной 1…3 мм и тонкой (~0,5 мм) пластины из легированной стали [12]. Ячейки устройства также могут быть составлены двумя встречно-направленными излучателями, совершающими когерентные колебания. Для этого они должны быть синхронизированы по фазе [RU 2246347, 2005]. Поскольку взятые за основу конструкции устройства аналоги имеют полуволновые ячейки, то число n у них равно 1. Тогда расстояние между поверхностями излучателей или излучателя и отражателя должно находиться в диапазоне 32…35 мм, если излучатели имеют частоту 22 кГц, а период колебаний соответственно 0,045 мс и 35…38 мм, если их частота, например 20 кГц, а период - 0,050 мс. В качестве моющего раствора можно использовать, например, подогретый до +45°С водный раствор с содержанием 20 г/л технического моющего средства МС-37 (ТУ 2149-116-10968286-2000), представляющего собой смесь неионогенных поверхностно-активных веществ, неорганических солей и ингибитора коррозии. Работа устройства ничем не будет отличаться от работы этих известных аналогов за исключением того, что после описанной реконструкции можно будет произвольно выбирать любой вид и концентрацию моющего раствора, не реконструируя и не перенастраивая устройство каждый раз. При этом качество очистки во всех случаях будет одинаковым.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения его технического результата.
ЛИТЕРАТУРА
1. Багров И.В., Нигметзянов И.И., Прихотько В.М. Технологическое применение ультразвука в процессах очистки. // Ультразвуковые технологические процессы - 98: Тез. докл. науч.-техн. конф. - М.: 1998. - С.49-52.
2. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956.
3. Шестаков С.Д. Особенности реализации высокоамплитудной ультразвуковой финишной отмывки в условиях поточного процесса. // Физика и техника ультразвука: Тез. докл. науч.-техн. конф. - СПб.: 1997. - С.154-155.
4. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. - М.: ЕВА-пресс, 2001.
5. Физика и техника мощного ультразвука. Мощные ультразвуковые поля // под ред. Л.Д.Розенберга. - М.: Наука, 1968.
6. Красавина М.А. и др. К выбору зазора инструмент-образец при ультразвуковой металлизации. // Физика и химия обработки материалов, 4, 1996, с.100-107.
7. Шестаков С.Д. Математическая модель гидродинамической кавитации // Сборник трудов XVI сессии Росс. акуст. об-ва, т.2. - М.: ГЕОС, 2005. - С.71-73.
8. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. - М.: Мир, 1974.
9. Горелик Г.С. Колебания и волны. - М.: Ф-МЛ. - 1959.
10. Шестаков С.Д. Технология и автоматизированное оборудование для высокоамплитудной ультразвуковой поточной отмывки деталей подшипников качения. // Ультразвуковые технологические процессы - 98: Тез. докл. науч.-техн. конф. - М.: 1998. - С.57-60.
11. Краткий справочник по химии / под ред. О.Д.Куриленко. - Киев: Наукова думка, 1974.
12. Шестаков С.Д. К теории кавитационного реактора 2. // Сборник трудов XIII сессии Российского Акустического Общества, М.: ГЕОС, том 1, 2003 с.31-35.